融入STEAM理念的高中综合实践活动课程开发

王柯厶

摘要：近年来，用于制备生物柴油的创新原料引起了科学家们的广泛兴趣，与此同时，高中生物柴油制备综合实践活动课程的教学方法也需要与时俱进。本研究旨在为高中学生开展一项利用废弃植物食用油（WVCO）为原料制备生物柴油的STEAM活动。通过简单、低成本的实验，评估南京市第九中学48名学生的基本过程技能（BSPS）。研究结果表明，STEAM活动能够让BSPS水平較低的学生进行有效的科学思想交流、鼓励学生在练习BSPS的同时发展创造性思维等。此研究为高中教师进一步在学校实施STEAM活动提供指导。

关键词：高中；跨学科概念；绿色能源；合作学习

文章编号：1008-0546（2023）07-0032-05 中图分类号：G632.41 文献标识码：B

doi：10.3969/j.issn.1008-0546.2023.07.006

一、教学主题内容和教学现状分析

生物柴油是一种可生物降解的绿色能源，它能够作为石油、汽油的替代燃料而减少环境污染。生物柴油的制备涉及酯交换反应，能够将植物油、藻油、产油微生物或动物脂肪等原料与醇相结合生成脂肪酸甲酯（FAME）或生物柴油和甘油。因此，高中“生物柴油制备”综合实践活动课程的开发不仅可以发展学生的核心素养，还能够整合生活资源，培养学生的化学学科素养。

废弃植物食用油（WVCO）是一种制备生物柴油的低成本生物资源。WVCO与甲醇的酯交换反应流程，见图1。WVCO与甲醇进行酯交换反应能够生成FAME或生物柴油和甘油，产物需要用红外光谱、[1] 气相色谱、[2] 核磁共振光谱、 [3] 和高效液相色谱 [4] 等手段进行检测。昂贵的仪器和耗时的定性分析手段对高中化学教学造成了一定程度的限制。因此，需要为高中学生设计简单、低成本的“生物柴油制备”综合实践活动课程来拓展学生的视野，进一步促进化学知识与实际生产实践相结合。

二、教学思想与创新点

高中“生物柴油制备”综合实践活动课程应该采用一种有助于激发学生学习动机、提升批判性思维和创造性思维的教学方法，帮助学生整合学科之间的知识，更好地将理论知识与实际生产相结合。STEAM教育是一种主动学习模式，传统的STEM教育融合了四个学科：科学（S）、技术（T）、工程（E）和数学（M）。[5，6]除学科融合外，STEM活动结合了现实问题，使课程变得更加真实和有趣。[7，8] 若将艺术（A）融合在STEAM教育中将有助于提高学生的创造力，同时减轻学生的学习压力。现将化学学科核心素养融入到教学中，以“生物柴油制备”综合实践活动课程的开发为主题内容，以WVCO为原料谈谈如何进行STEAM教育教学。

三、教学目标

（1）学生通过对环保材料的选择与使用，做出有科学依据的判断、评价和决策。知道反应物的选择对化学反应产物的品质具有重要的影响，能够考虑化学变化中的物质变化来分析解决实际问题，发展“科学探究与创新意识” “科学态度与社会责任”等化学学科核心素养。

（2）学生关联化学反应类型基本知识，从多维度、多样态加深对知识模块的理解，基于猜想提出合理的实验方案，从多学科视角解决问题，激发学习动机、提升批判性思维和创造性思维。

（3）通过对比产物性质的差异和产品包装的投票率，学生能够理解方案设计的原因，提高获取并处理信息、解决实际问题的能力。从问题出发设计方案，整合学科之间的知识，更好地将理论知识与实际生产相结合。

四、教学流程

本节综合实践活动课程的教学环节、教学活动和设计意图，如图2所示。

五、教学实录

1. 定义问题/确定需求

（1）什么是生物柴油？

【师】目前，迅速工业化导致的极端恶劣气候对人们的生产生活造成了极大的影响。而采用石油和普通柴油作为主要燃料是导致全球气候变化的主要原因之一，因此环保型柴油的开发和利用成为造福社会的一种途径。

【师】大家思考一下怎样找到解决问题的方法？学生分组交流、讨论，教师发现有小组课前搜集了有关生物柴油的资料，于是请这组学生代表来介绍解决问题的整体思路。

【生】生物柴油与普通柴油的性质相近，无需改动柴油机便可以直接添加使用，并且可以能够有效减少有毒物质的排放。因此，可以通过制备生物柴油减少环境污染。

（2）怎样制备生物柴油？

【师】废弃植物食用油（WVCO）和生物柴油的结构简式如图3所示，我们该如何利用身边的低成本生物资源制备生物柴油呢？

【生】可以使用WVCO和甲醇为原料，利用酯交换的化学反应原理制备生物柴油。

【师】总结制备的方法，见图1。

2. 收集信息/探索想法

（1）什么是WVCO？

【师】植物油在烹饪的过程中会发生水解、热降解、氧化和聚合等化学反应，其物理和化学性质均会发生变化。因此，长时间食用重复使用的油烹制的食物会增加患癌症的风险，WVCO回收不当也会导致环境污染。[9，10]

【师】每组学生领取四种植物油，包括新植物油、煮过一次、两次和两次以上的WVCO，见图4。请各组学生研究不同种类植物油的物理性质，总结辨别新植物油和已经烹饪过的植物油的方法。

学生分组研究四种植物油的物理特性，教师请小组学生代表交流研究成果。

【生】烹饪两次以上的WVCO会呈现深棕色，并具有高粘度的物理特性。

【师】看来同学们已经能够从物理性质角度区分新植物油、煮过一次、两次和两次以上的WVCO。

（2）研究市场上出售的生物柴油

【师】这里为每组学生提供了样品，包括石油柴油燃料、标准生物柴油和一套化学仪器（移液管、棉球、滴管和火柴），请同学们研究市场上出售的石油柴油燃料和标准生物柴油的特性。

学生讨论、交流，教师关注学生的讨论过程，指导学生进行分组实验。

【师】这一组同学利用移液管进行了测试，请这组学生代表介绍一下你们探究的过程，以及分析了石油柴油燃料和标准生物柴油的哪些特性？

【生】首先，我们将25 mL被测燃料吸入带有刻度的移液管中，取下洗耳球，用手指快速盖住移液管的顶部。然后，缓慢松开手指以允许少量空气进入移液管，同时立即启动秒表。当最后一滴燃油流出，停止计时。重复测量3次，分析燃料的粘度大小。

【师】通过这个实验得到怎样的结论？

【生】我们观察到生物柴油的粘度与石油柴油燃料的粘度相似。

【师】非常好，有没有其他同学研究了石油柴油燃料和标准生物柴油的其他方面的特性？

【生】我们组进行了石油柴油燃料和标准生物柴油的可燃性测试。实验方法是使用滴管将10滴待测燃料滴在棉球上，用火柴点燃棉球，记录可燃性和产生烟雾的情况。

【师】你们从石油柴油燃料和标准生物柴油的可燃性实验得到了什么样的结论？

【生】生物柴油的可燃性试验造成的污染比石油柴油燃料少。

（3）使用烹饪过两次以上的WVCO 制备生物柴油

【师】老师已经提前在每个小组的实验桌上准备好了烹饪过两次以上的WVCO，请各组同学按照屏幕上显示的实验步骤制备生物柴油：首先，将100 mL的WVCO在烧杯中以65 °C的温度加热5 min。然后，将加热后的WVCO装在塑料瓶中，向塑料瓶中加入25mL 甲醇（CH 3 OH）。接着，再加入 0.3 g 氢氧化钠（NaOH）作为催化剂加速酯交换反应。拧紧瓶盖并摇动3 min，摇动时，每隔30 s松开瓶盖一次，以降低瓶内压力。最后，将瓶子静置30 min，溶液分层。下层是甘油，上层即为密度较低的生物柴油。

学生分组使用相同的原料制备生物柴油。

【师】将生物柴油和甘油分离后，请各组同学按照屏幕展示的薄层色谱（TLC）法确定酯交换反应是否完成：TLC是一种快速、便捷的检验方法，是对生物柴油进行定性分析的最佳选择。为了进行TLC分离，将微量制备好的生物柴油置于硅胶板上，以体积比为85∶15∶1的石油醚、乙醚和冰醋酸的混合物作为展开剂进行实验。最后，用碘蒸汽染色以识别样品点。

学生们记录制备的生物柴油的物理和化学性质，包括颜色、粘度、可燃性结果和TLC结果。

3. 测试、评估和改进

（1）用WVCO制备最好的生物柴油

教师在活动室设立了一个中心市场，出售制备生物柴油的原材料。每100 mL的WVCO的售價不同，烹饪过一次、两次和两次以上WVCO的售价分别为0.6元、0.4元、0.2元。

【师】请各组同学充分发挥自己的创造性思维，通过小组成员之间的协作制备出质量最好、成本最低的生物柴油，然后为制备好的生物柴油设计最具吸引力的包装。

【师】在实践过程中，每个小组需要将制备生物柴油的过程绘制为流程图，并在A4纸上设计所制备的生物柴油的彩色包装。

小组成员们集思广益，选择一种合适的原材料，用最低的成本制备质量最好的生物柴油。

【师】老师观察到虽然各组成员选择的原材料有所不同，但是大家都能够发挥自己的艺术和创造力，顺利完成生物柴油的制备活动。

教师收集各组学生的薄层色谱板和他们的生产记录表，并总结了每组学生生产的生物柴油的物理和化学特性。

（2）作品展示和大众投票

【师】每组学生用5 min的时间向全班展示他们的生物柴油包装设计理念和生产的生物柴油特性。

教师为每组学生发放若干张心形贴纸，学生们通过贴纸进行投票选出（除自己小组以外）最喜欢的生物柴油包装设计。

【师】最终的投票和分数（见表1）显示，第8组以最高票数7分赢得全体小组学生的投票，而第4组学生获得最低1分的投票。此外，还有一组学生（第3组）没有获得任何投票。

【师】同学们的创造性思维不仅体现在生物柴油包装设计上，而且在原材料的选择过程中也有所体现。只有三组（第1、4、5组）使用售价最低的WVCO，对比最终的TLC 结果发现，第1组和第5组制备的生物柴油质量最佳。

六、教学效果与反思

1. 学生访谈

本节课在南京市第九中学2021级高一年级8班完成，课后对几位同学进行了访谈，围绕“本节课的收获有哪些” “小组成员的参与度如何”等问题，让学生发表看法，现将访谈结果摘录如下：

学生1：我觉得此次生物柴油制备活动课程能够充分培养我们的创造性思维，这种能力的全面提升不仅体现在生物柴油的包装设计上，还体现在最初原材料的选择过程中。我发现一些小组在生物柴油制备活动中的得分比较低，但是在生物柴油包装设计方面赢得了其他组同学的普遍欢迎。因此，此次融入了艺术维度的综合实践课程不仅鼓励我们充分展现自己的创造性思维，而且有利于基本过程技能水平较低的学生与其他学生之间进行有效的科学思想交流。

学生2：我认为生物柴油制备活动课程的几项活动都比较简单易行，并且不需要昂贵的设备就能够让我们沉浸式地体验工业生产的乐趣。此外，我们还能够使用TLC方法立即直观地评估制备的生物柴油的质量，艺术融合的方式也鼓励了我们全体同学有效地向大家传达自己的科学理念。在实验操作中，我们也通过老师的指导和小组成员之间的交流学会了许多危险化学品的使用注意事项。例如，氢氧化钠具有腐蚀性，应避免与皮肤接触。冰醋酸对皮肤和眼睛有腐蚀性，必须小心处理。甲醇、石油醚和乙醚都是挥发性有机溶剂，应使用手套进行处理等。

2. 教师反思

本次生物柴油制备 STEAM 活动是通过将科学（S）与化学反应相结合而开发的（酯交换反应和化学实验技能）。技术（T）用于搜索有关生产生物柴油和设计生物柴油包装的信息。工程（E）以规划制备最佳生物柴油的过程。此外，学生们采用艺术（A）手段来展现他们的生物柴油包装设计理念。学生在进行实验和分析生产的生物柴油的质量、设计生物柴油包装和计算生产的生物柴油的成本时，还需要进行数学（M）统计。

正如学生在访谈中所说，生物柴油制备的STEAM活动课程提升了全体学生的创造性思维，使BSPS水平低的学生也能够进行有效的科学交流。由于设计的生物柴油制备实验简便易行，教师可以将类似的设计理念广泛应用于高中实验教学活动。

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