融合STSE理念的高中化学教学设计研究

吕芳芳 迟少辉 王祖浩

【摘 要】STSE理念符合我国基础教育改革的背景和科技人才培养的需要，对化学教学内容的结构化和教学设计意义重大。本文从教学主题选择、教学情境设置、教学环节设计等方面探索融合STSE理念进行教学设计的模式。本文呈现的教学设计创设了真实情境，以核心问题为引领，以问题链为线索，从科学、技术、社会、环境多个维度整合教学内容，为学生提供多元认识视角，让学生在解决实际问题的过程中对学科内容形成整体认知，体会化学学科价值，从而发展学生的学科思维及学科核心素养，提高学生解决综合问题的能力。

【关键词】高中化学；STSE；电解池；微酸性次氯酸水

学习科学不仅要掌握基础的知识，更应形成良好的科学思维及正确看待科学议题的视角。当代的科学教育强调学生要认识科学（Science）、技术（Technology）、社会（Society）、环境（Environment）之间的关联，以系统的眼光看待问题并解决问题，让科学知识真正服务于社会生活［1］，避免就知识学知识的弊端。《普通高中化学课程标准（2017年版2020年修订）》（以下简称“新课标”）指出：“在教学中，教师应重视STSE内容主题的选择和组织，紧密联系生产、生活实际，使学生认识到化学能够创造更多物质财富满足人民日益增长的美好生活需要；使学生能综合运用所学知识解释和解决有关的STSE问题。”［2］71显然，与化学知识相关的科学性议题可较好地体现STSE理念。

本文结合人教版高中化学选择性必修1《化学反应原理》的课程内容，从STSE理念出发建构了“设计家用电解装置制备微酸性次氯酸水”课例，并从教学主题选择、教学情境设置、教学环节设计等方面探索融合STSE理念的教学设计思路，以进一步认识STSE教育的实质。

一、“设计家用电解装置制备微酸性次氯酸水”的教学设计思路

融合STSE理念的教学设计，应遵循一定的设计原则。首先，教学内容的主题应与STSE理念相匹配；其次，合理选择与STSE相关的教学情境素材，并进行适当处理使之符合学生的发展水平，产生待解决的核心问题，并保证所选核心问题在教学过程中的引领性；最后，合理设计教学环节，在整合学科内容的基础上设置问题链，引导学生从科学、技术、社会、环境的多元視角出发解决问题，培养学生的学科核心素养。在此基础上，本文提出融合STSE理念的化学教学设计模式（图1），并结合“设计家用电解装置制备微酸性次氯酸水”课例进行分析。

（一）合理选择教学主题，明确融入STSE理念的切合性

融入STSE理念进行教学设计，须保证所选教学主题与STSE教育理念的适切性。教学主题应与社会生产、生活实际紧密相关，便于学生从中提取真实的化学议题，并从科学、技术、社会、环境的多元视角出发解决实际问题。新课标中对“电解池”一节的内容要求表述为“了解电解池的工作原理，认识电解在实现物质转化和储存能量中的具体应用”［2］28，“电解池”内容在人教版教科书中位于选择性必修第一册第四章第二节，是“化学反应与电能”主题的重要内容之一。电解可以实现物质转化和能量转化，在生产生活、科学研究中都具有非常重要的应用价值。人们在利用电解原理进行工业生产及享受电解为生活带来便利的同时，也需考虑电解过程中可能产生的环境问题。可见，“电解池”教学主题能够将科学、技术、社会、环境有机关联在一起，结构化的内容有助于学生从多个角度认识电解原理及其应用，感受化学学科对社会的贡献。

（二）选取真实情境，提取核心问题并合理设置教学目标

融合STSE理念进行教学设计时，教学情境的选择以及处理好情境与知识的关系是关键环节。一般而言，情境素材的选择应符合以下原则：一是真实性，需从实际生产生活事件、科技发展前沿、化学史等角度出发，选用与主题内容相关的真实素材，体现科学、技术、社会、环境的整合；二是贯通性，应能从所选情境素材中提取出课堂有待解决的核心问题，情境要贯穿问题解决的整个过程；三是适切性，需对情境素材进行适当的处理，使之合乎教学要求，尤其必须符合学生的认知发展水平。

1.“微酸性次氯酸水”情境素材的教学价值

本节课所选情境素材为“微酸性次氯酸水”。微酸性次氯酸水是一种新型消毒剂，有效成分为次氯酸，主要由电解法制备。微酸性次氯酸水抗菌高效快速，具有无污染、无残留等优点，近年来已在生产、生活中较为广泛地应用。此情境素材内容新颖，能体现当今社会生活中电解法的应用价值。目前，市面上已有多种家用便携式微酸性次氯酸水生成器，这些生成器利用电解装置，实现微酸性次氯酸水的现制现用。

因此，本节课以微酸性次氯酸水为真实情境，以解决次氯酸的不稳定性带来的消毒剂效用降低问题为指引，以实现微酸性次氯酸水的现制现用为导向，形成本节课的核心问题——“设计家用电解装置制备微酸性次氯酸水”，并以此为线索开展教学。该情境能够从电解原理、电解装置设计、新型消毒剂的制备与使用、解决电解过程中产生的环境问题等方面将科学、技术、社会、环境四个领域有机关联起来，有助于培养学生的系统性思维。

2.“微酸性次氯酸水的应用与制备”教学目标设计

选定教学情境及待解决的核心问题后，依据化学课程标准中的内容要求和学业要求，从学生发展现状出发，结合核心问题合理设置教学目标。新课标中要求学生“能分析、解释原电池和电解池的工作原理，能设计简单的原电池和电解池”［2］30。本节课在学生学习电解原理之后进行，并为深入学习电解原理的应用做铺垫。学生此时对电解池的构成要素、电解过程中的化学反应本质及微粒的放电顺序已有基本认识，但尚未学习离子交换膜的应用，且对所学的电解原理也缺乏整合，对工业生产中可能产生的实际问题缺乏思考。因此，结合真实情境进行电解装置设计的教学，能考查学生整合所学知识解决实际问题的能力，发展学生的高阶思维，对学生提出了较高要求。

通过上述分析，确定教学目标如下：

（1）认识电解法在新型消毒剂制备中的重要价值，能提取相关的化学反应原理，形成设计电解池的一般思路。

（2）对微酸性次氯酸水这一真实情境引发的问题进行深入分析，能整合已有知识，基于证据提出微酸性次氯酸水电解装置的设计方案。

（3）能结合安全、环保、绿色化学等理念，从多个角度对方案进行评价，改进和优化方案，发展批判性思维，提高解决实际问题的能力。

（三）整合学科内容，基于问题设计任务和关注能力要素

确定教学情境及教学目标后，须根据一定线索设计教学环节。在融合STSE理念的教学设计中，从教学情境中提取的核心问题往往是综合性问题，此时需按照学科逻辑、STSE理念对综合问题进行解构，形成问题链。利用问题链将教学内容进行重整，形成解决问题的思路，将各个教学环节串联起来，形成新的内容结构（如图2所示）。

1.整合化学知识，帮助学生系统认知“电解池”内容

本节课以核心问题为引领，将“电解池”一节的重点知识内容进行系统整合，包含次氯酸的性质、电解池化学反应原理、电解池的构成要素、电极反应和总反应等内容。此外，从更高层面出发，结合STSE理念将化学知识与真实生活联系起来，提高学生从科学、技术、社会、环境视角综合看待问题的思维能力，从而对“电解池”内容形成较为全面的认识。此过程能拉近化学原理与实际生活的距离，丰富学生对学科价值的体验，发展学生的科学态度与社会责任学科核心素养。

2.设计问题链，驱动学生进行多角度分析和思考

针对“设计家用电解装置制备微酸性次氯酸水”这一核心问题，从学科逻辑出发，选择化学原理和电解装置两个角度解构问题，从制备原理、反应原料选择、电极选择、离子交换膜选用等多方面形成问题链，引导学生形成电解装置设计的一般思路。

从STSE理念出发，教师帮助学生对相关的一系列问题做出比较明确的判断：对微粒放电顺序和相关化学原理进行分析，宜选用惰性电极设计电解装置；在选择反应物时，以安全、经济的氯化钠作为反应原料；在分析是否采用离子交换膜时，结合理论分析与文献资料，明确不采用离子交换膜会造成原料利用率低和消毒效用低的结果，因此宜选用阳离子交换膜设计电解池。接著又会发现新的问题，即在制得的消毒剂中有氯化钠残留，会对金属造成腐蚀，因此需引导学生基于绿色环保原则对装置进行改进，形成最终的设计方案。

3.关注能力要素，呈现学生的思维发展过程

结合STSE理念设计电解装置，可从多个方面对学生进行指导，发展学生的思维与能力。在情境导入时，面对高效环保的微酸性次氯酸水，引导学生对次氯酸的不稳定性提出质疑，发展学生的批判性思维；在设计家用电解装置的过程中，需从化学原理、实际生活、环境保护等多个角度综合考虑，形成系统性思维；从文献中寻找依据以改进设计方案，可培养学生的证据意识和严谨的科学态度；从学科逻辑和STSE理念出发分析问题，引导学生总结出设计和优化电解装置的一般思路，提高学生运用化学知识解决综合问题的能力。

二、“设计家用电解装置制备微酸性次氯酸水”的教学过程

依据图2所示内容结构和教学流程，本文分三个阶段对“设计家用电解装置制备微酸性次氯酸水”进行教学设计，并实施教学过程。

（一）创设真实情境，提出核心问题

【教师】创设情境，引导学生回忆日常生活中的常用消毒剂。引入微酸性次氯酸水，以资料卡片（图3）的形式介绍这一新型消毒剂的功能及优势。结合次氯酸的强氧化性解释其消毒机理，引导学生将微酸性次氯酸水与传统的医用酒精及84消毒液进行对比。

【学生】阅读资料卡片，了解新型消毒剂，并从抗菌性能、使用便捷性、安全性、环保性等方面对不同消毒剂进行对比，体会新型消毒剂的优势。

【教师】引发学生思考：从有效成分来看，联系已有的化学知识，对于微酸性次氯酸水是否有疑问。

【学生】次氯酸具有不稳定性，易分解。新型消毒剂中次氯酸的浓度较低，分解后消毒效用会降低，保存期限可能较短。

【教师】应如何解决这个问题？

【学生】思考并讨论，提出将微酸性次氯酸水避光保存，放置于阴凉处等。

【教师】还需采用额外方法避免次氯酸的分解带来的消毒效用降低的影响。由资料卡片可知，微酸性次氯酸水主要由电解法制备，因此，可设计一种家用电解装置，实现微酸性次氯酸水的现制现用。

【设计意图】微酸性次氯酸水能够在增强消毒效用的同时降低对环境的不利影响，选用这一具有新颖性、时代性的情境素材，能让学生在不同消毒剂的对比中体会科学技术的发展为生活带来的便利。利用学生对次氯酸性质的认识引发学生的质疑与思考，发展学生的批判性思维，引出核心问题。

（二）核心问题解构，提炼电解装置的设计思路

【教师】请结合设计家用电解装置的课堂任务，从化学原理、电解装置的构成要素、生活实际等方面进行综合分析，理清设计电解装置的思路。

【学生】深入思考，小组讨论。在对化学原理的分析中，思考选用哪种化学反应来实现次氯酸的制备，采用哪种反应物质进行电解等。在设计电解装置时，从电解质溶液、电极等方面思考，同时考虑在家庭中使用的可行性。

1.化学原理分析

【教师】使用逆推法（图4）引导学生分析化学原理，利用Cl2与水的反应制备HClO，采用电解法制备Cl2。接着，引导学生思考应如何选择反应原料。

【学生】小组交流与讨论。结合离子放电顺序及安全性、经济性原则，在NaCl、KCl、HCl中选择NaCl作为原料，即通过电解NaCl溶液制备微酸性次氯酸水。

2.电解装置分析

【教师】引导学生思考如何选择电极，尝试画出电解NaCl溶液的装置，分析其中发生的化学反应。

【学生】小组交流与讨论，画出电解装置图（图5）。为避免电极参与反应，选用惰性电极。分析电解池中的化学反应（图6），由副反应可知，生成的HClO能够与NaOH继续反应，无法有效得到微酸性次氯酸水，但可以得到以NaClO为有效成分的消毒剂。

【教师】分析副反应对新型消毒剂的制备造成的负面影响。从原子利用率的角度来看，副反应产物中有NaCl，原料利用率低。从消毒效用而言，查阅文献可知，次氯酸分子（HClO）的杀菌能力约为次氯酸根（C1O-）的80倍［3］，因此，生成NaClO降低了消毒剂的效用。接着，介绍离子交换膜的作用，引导学生合理选用离子交换膜，将OH-与HClO、HCl隔绝，并据此进行电解装置的设计。

【设计意图】引导学生联系已有认知拆解核心问题，结合经济、环保、绿色化学等生产原则，从多个角度进行综合思考，形成设计电解装置的一般思路，发展学生的系统性思维。通过查阅文献，增加信息的可信度，培养学生的证据意识。

（三）综合分析，设计并优化电解装置

1.电解装置设计初探

【学生】小组合作，设计电解装置。选用阳离子交换膜，综合考虑微酸性次氯酸水中的低浓度HClO，以稀NaCl溶液为阳极室电解质溶液，设计出如图7所示电解装置，并对电解池中的产物进行分析。

【教师】对学生设计的电解装置进行评价，并进行补充说明。在阳极室，能够成功得到HClO，且用阳离子交换膜阻止了OH-向阳极室的迁移，避免了酸碱中和的副反应。在阴极室，电解产生少量的H2和OH-，Na+透过阳离子交换膜进入阴极室，得到稀NaOH溶液。这种在阴极室得到的呈弱碱性的溶液叫作碱性电解水。查阅文献可知，碱性电解水可除去水果表面的农药残留［4］，也具有去除油污的作用［5］。因此，这种电解装置能够同时得到微酸性次氯酸水和碱性电解水。然而，这个装置依然有值得改进的地方。向学生提问：电解后阳极室中的溶质有哪些？提示学生联系微酸性次氯酸水的优势进行思考。

【学生】阳极室中的溶质有Cl2、HClO、HCl、NaCl。

【教师】阳极室中还有少量残留的NaCl，将阳极室中的溶液喷洒至物体表面进行消毒时，其余溶质均能以发生化学反应或挥发的形式脱离物体表面，只有NaCl残留在物体表面。查阅文献发现Cl-能穿透金属表面的氧化层和防护层，与内部金属发生电化学反应，造成金属的腐蚀［6］。因此，从环境保护的角度来看，需对装置进行改进，使得阳极室中无NaCl残留。提示学生思考如何避免Na+出现在阳极室中。

2.电解装置优化

【学生】小组合作，优化电解装置。如图8所示，增加阴离子交换膜，将电解池隔为三室，向中间室中加入稀NaCl溶液，在阴极室和阳极室中均加入水。由于离子交换膜的存在，阳极室中得到微酸性次氯酸水且无NaCl残留，阴极室得到碱性电解水，同样避免了NaCl的残留。

【教师】评价学生改进后的设计方案并总结。此方案能够同时得到微酸性次氯酸水和碱性电解水，原料利用率高，符合绿色化学原则。此外，避免了微酸性次氯酸水中NaCl的残留，符合绿色环保的原则。学生能够灵活应用离子交换膜，发挥了创造力。

师生共同成功解决了本节课的核心问题，提高了学生解决实际问题的能力。最后，教师还需要向学生呈现，调研发现目前市面上已存在以此装置为核心部件的家用微酸性次氯酸水生成器，加入水和NaCl后，通电十分钟即可完成电解，使用方便，杀菌高效。

【设计意图】引导学生灵活应用离子交换膜解决问题，使学生对电解池的构成要素形成全面认知。结合STSE理念及化学本质，引领学生多角度思考，优化设计方案。通过查阅文献，培养学生严谨求实的科学态度。通过呈现实际生活中家用电解装置与学生设计方案的一致性，拉近学生与科学技术的距离，丰富学生对化学学科应用价值的真实体验，发展学生的科学态度与社会责任学科核心素养。

三、教学实践的启示

（一）关联科技发展现状，挖掘科学性议题

化学学科内容本身具有基础性、系统性的特点，而生产、生活中的化学具有综合性、新颖性、时代性的特征，在教学过程中关联科技发展现状，挖掘生产、生活中真实的科学性议题，能够丰富教学内容，为教学提供新线索。此外，将科学性议题引入课堂，引导学生利用化学知识从多角度综合分析、解决问题，能够拓宽学生的视野，拓展学生的思维，提高学生的问题解决能力，培养正确的科学态度，丰富学生对化学学科价值的真实体验，加深学生对化学学科的系统认知。

（二）融入STSE教育理念，须把握情境设置的原则

融合STSE理念进行教学时，所选教学情境应具备真实性、贯通性、适切性等特征。教学情境应关联科学、技术、社会、环境等多个领域，与教学内容紧密关联，能产生待解决的关键问题，且随着问题解决过程贯穿导入、递进、总结等教学环节，应避免情境仅在课堂导入阶段出现而脱离其余教学环节的情况。合理的教学情境能够带给学生真实的体验，加深学生对学科的理解，促进学生学科思维、能力的发展。

（三）多视角整合学科内容，使教学内容结构化

将STSE理念引入化学教学过程，能够为教师整合学科内容提供新思路，为教学内容的结构化提供新方法。基于化學学科与科学、技术、社会、环境之间的有机关联，确定教学主题及待解决的关键问题后，可从多个视角将教学内容进行分解、重构，形成新的内容结构。如在本节课中，将学科知识与电解池设计理念、绿色化学原则、经济环保原则等进行有机整合，为学生提供多元认识视角，避免了学生学习化学知识的孤立性与零散性，加深了学生对化学学科本质理解的系统性、整体性。

参考文献：

［1］朱霄，冯媛媛，齐伟. STSE理念在物理化学课堂及实验教学中的渗透与应用［J］. 化学教育，2017（14）：23-27.

［2］中华人民共和国教育部. 普通高中化学课程标准（2017年版2020年修订）［M］. 北京：人民教育出版社，2020.

［3］张建中，王芳，彭云，等. 微酸性电解水性能及其在消毒领域的应用价值［J］. 广州化工，2021（7）：130-133，163.

［4］刘李岚，邱钦勤，樊文容，等. 碱性电解水去除水果表面有机磷农残的工艺研究［J］. 中国农学通报，2022（2）：133-140.

［5］李新武，张青，王志，等. 碱性电解水用于医疗器械清洗效果的研究［J］. 中国感染控制杂志，2014（11）：677-680.

［6］闫凯，宋庆军，李秀娟，等. 盐雾腐蚀及其试验中需要注意的几个问题分析［J］.环境技术，2013（4）：18-20.

（责任编辑：潘安）

【作者简介】吕芳芳，华东师范大学教师教育学院硕士研究生，主要研究方向为化学课程与教学研究；迟少辉，华东师范大学教师教育学院副教授，主要研究方向为化学教学测评；王祖浩，华东师范大学教师教育学院教授、博士生导师，主要研究方向为化学课程与教学研究。