“科—工整合”的STEM教学设计
窦赏 闫春更 周青 张晖英
摘 要：文章以“水泥的工业生产”为基本素材，以增强学生从化学视角看世界的意识，扩展学生化学工程视野以及提升兴趣、学生分析和解决实际问题的能力，培养团队合作精神为基本目标，针对化工生产及化工流程，进行了以科学、工程为基础的STEM课程设计，以期为高中学段的STEM课程设计提供借鉴，最后对已有的“科—工整合”的STEM活动设计模式进行了优化。
关键词：STEM;科工整合;化学课程;水泥的制备
中图分类号：G633.8 文献标志码：B? ? ? ? ? 文章编号：1673-8454（2020）10-0041-05
一、背景介绍
当前我国创新型、复合型、技术型人才欠缺[1]，而STEM教育旨在加强STEM领域（科学、技术、工程、数学）人才的培养与储备[2]，着重培养学生的动手实践能力[3]、复合思维和创新思维[4]以及倡导问题解决驱动的跨学科教育模式[5]等，为我国的人才培养提供了契机。
STEM整合类型众多，有以科学、工程为基础的“科—工整合”;以科学、数学为基础的“科—数整合”以及“科—技整合”等，唐小为、王唯真分析后认为“科—工整合”的STEM教育最符合我国的基础科学教育[6]。
相关研究表明，我国基础教育中工程教育长期缺失，国家对工程类人才需求巨大[7]，但我国工程科技人才的战略储备明显不足[8]。K-12阶段融入工程设计项目可以提升学生兴趣并吸引其进入工程职业[9]。此外，工程培养注重问题导向、解决实际问题[10]，科学培养注重知识建构和探究学习，工程和科学中蕴含着数学和技术知识，这与STEM教育目标相吻合，故发展“科—工整合”的STEM教育有其重要性和必要性。
国内关于工程的STEM教育研究已有“科—工整合”的教学模式[11-13]、STEM中工程思维的培养[14][15]、基于STEM理念的工艺设计[13]等，但并未发现化學工程设计与STEM教育融合的实例研究。这表明“科—工整合”的STEM教育尽管受到了重视，但仍存在一些不足。
水泥是重要的无机非金属材料，是高中硅酸盐材料学习中的重要组成部分，在军事、桥隧、房产等领域发挥着极其重要的作用，其主要成分CaO、SiO2、Al2O3、Fe2O3等在高中金属、非金属及其化合物的学习中占据着重要位置。《普通高中化学课程标准（2017年版）》在必修和选修教材中都对水泥予以了学习要求[16]。此外，水泥生产是传统且典型的化学工业，不可替代。因此以水泥的制备为基础的学习具有多角度的意义。基于上述分析，本文以化学工业水泥的制备为背景素材，进行了STEM的教学设计。
二、“科—工整合”的STEM教学案例——《水泥的制备》
1.教学分析
（1）学情分析
本课程在《无机非金属材料——硅酸盐》的学习之后进行，此时学生已经学习过硅酸盐，了解了水泥的简单制备过程，具备有一定的团队合作意识，对实验室的基本仪器有了解并具备实验基础，能进行一定的逻辑推理及对比分析。但学生较为缺乏综合分析的能力，自学能力较为薄弱，处理和分析陌生情景较为困难。
（2）跨学科知识分析（见表1）
（3）教学目标
①科学：能说出水泥的主要成分，能从化学角度解释其凝结原因，能理解实验过程中涉及的科学原理。
②工程：能基本分析工程流程图，能在合作中得出基本活动方案。
③数学和技术：能理解活动中涉及的技术及数学原理，能进行相关的数学计算以及实验操作。
④能加强自身信息搜集及学习能力，能在水泥的制备活动中感受工程学科，能增强对科学、工程、技术、数学等学科的积极态度。
2.教学过程
（1）资料搜集
教师提前一周向学生发布《水泥的制备》任务，要求学生课下分组分工搜集相关资料。
教师提供提纲支持学生：①认识水泥：水泥的重要性、水泥的发展历史、水泥的种类。②理解科学原理：制备硅酸盐水泥的原料是什么？硅酸盐水泥的有效成分是什么？为什么能够遇水凝结？③寻找工业制作方法：清楚工业实施——硅酸盐水泥在工业上的制备方法有哪些？工业制备水泥的流程是什么？如何检验水泥制备成功？理解工业名词——生料、熟料、基料、辅料、校正原料、回转窑、立式窑、干法烧制、湿法烧制。学会工业知识——基本工业装置图形绘制规范。④资料如何查询：图书馆查阅纸质书籍;图书馆计算机查询网络论文数据库;网络资料搜索，如百度、知乎、国家专利局网站;向父母、长辈、图书馆管理员、网络论坛等寻求帮助等。
设计意图：以认识水泥、让学生知道水泥的重要作用为目的，从实际角度出发驱动学生学习。从理解科学原理角度认识水泥的作用与性质，促进化学专业知识学习。以寻找工业制作方法，从工程角度深入探讨解决问题。资料搜集是课程实施的奠基性工作，学生搜集能力有限，故教师应设计支架以循序渐进的方式引导学生。
（2）资料汇报与指导
每个小组汇报搜集得到的资料。
设计意图：汇报资料的目的有三个：一是学生汇总交流相互补充完善，二是教师对学生资料搜集进行评价与指导，三是教师对学生搜集资料的情况进行掌握，以便补充学生所缺资料。
（3）工程分析与活动设计
①工程流程分析
学生按小组结合已有资料，如简化版且已有相应标记的工业流程图（见图1），基本得出工业上硅酸盐水泥制备的五个步骤：原料输入（原料）、生料粉磨（磨）、熟料烧制（烧）、熟料粉磨（磨）、水泥检验运输（检验）。
设计意图：工业生产流程分析可让学生先理解工业生产水泥的每个步骤及其作用，清楚整体框架及流程，即实验几个大步骤的先后顺序，以此为基础再分析每个实验步骤的细节，即工程过程分析。
②工程过程分析
原料开采：学生需由硅酸盐水泥熟料（主要物质的含量为：CaO：62～67%，SiO2：20～24%，Al2O3：4～7%，Fe2O3：2.5～6%）推导原料的成分及比例。推导原料成分时，需知道石灰石经过分解先变为CaO之后，CaO、SiO2、Al2O3、Fe2O3等经过反应生成普通水泥的主要成分：硅酸三钙（3CaO·SiO2）、硅酸二钙（2CaO·SiO2）、铝酸三钙（3CaO·Al2O3）和铁铝酸四钙（4CaO·Al2O3·Fe2O3）。知道水泥制备还需要校正原料，如铁质校正原料氧化铁、硅质校正原料二氧化硅、铝质校正原料氧化铝等。掌握计算方法，如水泥制备原料的配比计算，如需制备n克CaO含量占比为65%的水泥，则所需原料CaCO3的质量m，计算公式为：m=■公式1
生料粉磨：学生需知道原料经过加工变成粉状，即反应物的接触面积对反应的影响。
熟料烧制：学生需知道工业烧制水泥技术（湿法烧制、干法烧制）的区别及选择、实验室制备水泥该如何烧制、用什么仪器、水泥烧制的科学原理以及水泥烧制的不同阶段。干燥带主要蒸发生料中的自由水;预热带对生料进行分解脱水;分解带分解生料中的碳酸钙，即CaCO3==CaO+CO2↑。随着温度的逐渐升高，分解产生的CaO和SiO2、Al2O3、Fe2O3发生一系列的化学反应：800℃左右：CaO+Al2O3==CaO·Al2O3、CaO+ SiO2==CaO·SiO2。900～1000℃：2CaO·Al2O3·SiO2、3CaO·Al2O3、4CaO·Al2O3·Fe2O3。1100～1200℃：生成大量3CaO·Al2O3，同时2CaO·SiO2的含量达到最大。烧成带1300～1500℃，物料烧成：2CaO·SiO2（液）+CaO==3CaO·SiO2（固）[17][18]。
熟料粉磨：依据资料知道CaSO4用以调节水泥遇水凝结时间，粉煤灰等改善水泥活性，水泥熟料为块状需研磨至粉状。
水泥检验：依据资料，结合生活经验知道如何检验水泥的基本检验方法。
教师支架：此过程中涉及到较多的知识，教师在必要时可设计支架以引导协助学生完成任务，如在熟料烧制阶段推导高温环境时可把同是硅酸盐成分的陶瓷烧制引入;在理解水泥烧制的不同阶段时，可类比米饭蒸煮过程，分为加热、快速升温、保沸、焖饭等几个阶段，不同阶段的作用不同，温度不同[19]。
设计意图：工业生产过程分析是生产过程中涉及的数学计算、科学原理、技术选择等问题的解决分析，在各个工程步骤的基础上详细分析每个步骤的具体内容，补充工业生产流程分析的缺陷，使学生更深入地进行工程分析，以方便后续活动过程设计。
③学生方案形成及示例
学生在小组合作的基础上进行探究，并结合实验室仪器及教师指导设计实验方案。
教师提供实验室仪器及药品：石灰石、二氧化硅、氧化铁、氧化铝、无水硫酸钙、粉煤灰、研钵、烧杯、洗瓶、钥匙、滤纸、天平、玻璃棒、烘箱、瓷舟、高温炉、厚手套、计算器等。
学生方案示例如下：
原料开采：计算生料比例，进行生料配置。
生料粉磨：混合原料，在研钵中研磨至粉状。
熟料烧制：将研磨得到的粉末状物加水湿化，制成糊状（饼状、泥状、丸状）等，置于容器放入高温炉[20]（马弗炉）中逐渐升温至1300～1380℃度烧制，实验过程中记录相关数据。
熟料粉磨：研磨熟料，并加入适量CaSO4、粉煤灰等活性物质。
水泥检验：将制备的水泥加入水或沙石以检验其是否可以凝结。
此过程中高温炉、研钵等学生可能未接触过，教师可让学生先了解仪器，在了解仪器的基础上促进活动的设计。
设计意图：经过上述分析，学生以总—分—总（即工业步骤的获得、每个步骤的具体操作、实验室活动的形成）循序渐进的设计方式，逐步完成实验室活动方案的设计任务，以方便后续实验实施及教学评价。
（4）实验实施与迭代设计
学生依据各自小组形成的活动方案进行实验操作，待第二天到实验室取实验结果。如果實验失败，失败的小组更改活动方案进行迭代设计。成功的小组则可更改活动方案，进行水泥的最佳原料比例、最佳烧制温度、最佳原料状态等探究性实验，具体模式见图2。
教师支架：教师需帮助学生解决小组合作困难、高温炉等仪器不会使用等各类问题。
设计意图：实践是检验真理的唯一标准，实验实施可以检验学生活动方案设计的效果，也是教学评价的关键环节。迭代设计及探究活动则为了预防学生因各种情况导致实验失败及加深学生对活动设计过程的理解，让学生体会到科学研究中的失败或成功。
（5）工程设计探究
教师向学生提出系列问题进行思考探究：
①工厂放大过程涉及到一些工程、数学等问题，实验室以克为单位制备水泥，但工厂以吨为单位，这种由小到大的过程会发生很多变化，如计算：那么首先请同学们计算一下年产7000吨的水泥厂，平均每天需要各类原料分别为多少？又如操作：实验室制备水泥，我们用手和玻璃棒就可以搅拌混匀原料，那么工厂也用手和玻璃棒吗？工厂应该怎么办？请同学们考虑整个实验室活动中涉及到的操作在工厂会发生哪些变化？再如放大过程涉及的其他问题：工程师们是直接将实验室生产的方法一下子放大到工厂级别吗？还是要一点一点地试验放大？为什么？大量的原料及成品如何运输与储存呢？其与物质的化学性质之间的关系？工业生产中用哪种物质提供能量进行烧制呢？
②工厂放大过程也会涉及技术、科学等更复杂的问题，如工厂生产步骤和实验室是完全相同吗？图1中我们可以发现有预热器，实验室制备水泥我们预热了原料吗？为什么？图1中预热器顶部连接着增湿塔，而增湿塔又连向了原料磨，在实验室制备中我们需要考虑这个问题吗？为什么？再如，工厂的原料必定没有实验室的纯净，杂质问题应该如何考虑？杂质会影响水泥制备的化学反应原理吗？
③工厂制备过程还涉及到其他问题，比如工厂的水电如何节约、是否对周围环境造成了污染，那么还有没有其他要考虑的问题？请列举并说明理由。
教师支架：教师提供工程设计的资料书，以便学生进行查阅。
设计意图：由实验室转向工程设计探究，主要探究工厂放大过程中该发生怎样的变化、变化过程涉及的技术及科学问题以及工程设计需要考虑的其他问题。让学生更深一步地接触到工程学科知识内容，带领学生初步打开视野，认识到工程的复杂性、实用性及其蕴含的科学、工程、数学、技术等知识以及工程与社会、环境等的关系，以提升学生的兴趣，增强其能力，实现STEM教育的目的。
（6）指导及教学评价
对学生的工程设计进行指导，带领学生回顾整个活动，理清其中涉及的知识体系，了解其中的设计方法以及解决问题的思路，培养学生将知识进行迁移、转化、整合的能力，帮助学生形成和完善知识结构。
教学评价包括三部分内容：一是过程性评价，即学生进行学习活动的积极性、是否提出疑问、小组协作是否顺畅、制备水泥的实验操作是否规范等。二是终结性评价，即制备水泥的实验次数、水泥的品质（颜色、凝结时间）、活动报告情况（科学性、准确性、完整性等）。三是鉴赏性评价[21]，即依据学生的学习记录和学习体会、自我总结以及教师的观察，判断学生是否自主学习更多知识，提升了查阅资料、分析处理信息等多方面的能力;是否增进了对工程的理解，增加了对社会的了解等。例如，在终结性评价过程中，对水泥的制备过程规范性：将24g分析纯CaCO3、4.8g分析纯SiO2、1.2g分析纯Al2O3、1.0g分析纯Fe2O3加水混合至泥状，置于刚玉瓷舟中于1450℃烧制2.5小时，将所得产品于研钵中破碎研磨至面状，加入适量分析纯CaSO4混合均匀，即可得到水泥。实验数据见图3。
（7）课时设计（见表2）
三、科学整合化学工程STEM活动的教学模式
基于以上教学设计及已有的“科—工整合”的STEM教学模式[11-13]，总结得出科学整合化学工程STEM活动的教学模式，见图4。
四、结语
科学是工程的基础，工程中又涉及诸多的技术及数学问题，因此将工程问题转化为STEM活动项目设计，可以很好地突出各学科知识，并增强学生的工程意识，培养其兴趣。
但基于化学工程学科的STEM活动项目设计也存在一定的挑战：一是如何让学生快速熟悉、接受并整合大量工程专业术语及多学科交叉知识。二是如何使工程工艺流程图的设计既能突出工程学科的专业性，又能将其简化，使学生从中更易推导出活动步骤。三是如何把握工程过程分析的难度，使学生由此推导的实验探究过程更易实施、更易成功。
参考文献：
[1]刘惠颖.新时期我国人才特点研究[D].舟山：浙江海洋学院，2014.
[2]王志强，李菲，卓泽林.美国高校创客教育与STEM教育的融合：理念、路径、启示[J].复旦教育论坛，2016，14（4）：101-107.
[3]徐冉冉，占小红.科学课程中的工程实践目标和过程[J].化学教学，2017（2）：16-21.
[4]秦瑾若，傅钢善.STEM教育：基于真实问题情景的跨学科式教育[J].中国电化教育，2017（4）：67-74.
[5]许亮亮，邹正，陈懿，等.基于STEM教育的高中化学创新实验研究——以“负载二氧化锰海藻酸钠微胶囊催化过氧化氢分解”为例[J].化学教育（中英文），2017，38（21）：60-63.
[6]唐小为，王唯真.整合STEM发展我国基础科学教育的有效路径分析[J].教育研究，2014，35（9）：61-68.
[7]宋蕊，占小红.科学整合工程实践的教学设计——以“模拟酒精测试器”为例[J].化学教学，2018（2）：29-33.
[8]李拓宇，李飞，陆国栋.面向“中国制造2025”的工程科技人才培养质量提升路径探析[J].高等工程教育研究，2015（6）：17-23.
[9]Apedoe X S，Reynolds B，Ellefson M R，et al. Bringing Engineering Design into High School Science Classrooms： The Heating/Cooling Unit[J].Journal of Science Education and Technology，2008，17（5）：454-465.
[10]中國工程教育专业认证协会.工程教育认证标准（2017年11月修订）[EB/OL]. http：//www.ceeaa.org.cn/gcjyzyrzxh/rzcxjbz/gcjyrzbz/tybz/599711/index.html.
[11]时慧，李锋.新工程教育： STEM课程的视角[J].开放教育研究，2019，25（3）：36-43.
[12]余胜泉，胡翔.STEM教育理念与跨学科整合模式[J].开放教育研究，2015，21（4）：13-22.
[13]卢苗苗，郑雅君，占小红.STEM教育理念在高中有机化学教学中的渗透——以“柠檬精油的提取工艺”为例[J].化学教学，2018（7）：45-50.
[14]丁婧. STEM教育中的工程思维培养[J].物理之友，2018，34（9）：4-6.
[15]吴永发.基于STEM教育的工程思维培养[J].教育探索，2019（2）：36-39.
[16]中华人民共和国教育部.普通高中化学课程标准（ 2017年版）[M].北京：人民教育出版社，2018.
[17]初林峰.水泥回转窑热效在线监测与分析系统的研究[D].济南：济南大学，2017.
[18]夏永丰.水泥回转窑温度控制方法的研究[D].长春：长春工业大学，2018.
[19]唐伟强，周宇英.微波状态下大米蒸煮过程及优化的研究[J].食品工业科技，2006（6）：82-83.
[20]张冠军，李涛.石墨尾矿配料烧制硅酸盐水泥熟料[J].水泥，2015（10）：13-16.
[21]罗祖兵.突出个性：普通高中综合素质评价的应然价值取向[J].中国教育学刊，2015（9）：16-20.
（编辑：李晓萍）
