高中化學STEM項目設(shè)計與課堂滲透案例一、項目背景與設(shè)計理念（一）項目背景隨著城市化進程加速，城市內(nèi)澇與水資源短缺問題日益突出。雨水作為潛在的水資源，其利用價值受到廣泛關(guān)注，但雨水徑流中含有的懸浮物、重金屬離子、有機污染物及酸性物質(zhì)（如酸雨）等，嚴重制約了其直接利用。水質(zhì)凈化是雨水資源利用的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，而化學方法（如沉淀、吸附、中和、消毒）是水質(zhì)凈化的核心技術(shù)。本項目以“城市雨水資源利用中的水質(zhì)凈化”為主題，聚焦“雨水水質(zhì)檢測—污染物去除原理—凈化裝置設(shè)計”的邏輯鏈，將化學知識與實際問題結(jié)合，旨在讓學生通過STEM整合學習，理解化學在解決環(huán)境問題中的作用，提升跨學科解決實際問題的能力。（二）設(shè)計理念1.STEM跨學科整合科學（S）：基于化學學科核心知識（如酸堿中和、沉淀反應(yīng)、吸附作用、氧化還原反應(yīng)），探究雨水污染物的種類及去除原理；技術(shù)（T）：運用現(xiàn)代檢測技術(shù)（如pH傳感器、濁度傳感器、溶解氧傳感器）實時監(jiān)測水質(zhì)指標，借助計算機軟件（如Excel、Origin）進行數(shù)據(jù)處理；工程（E）：以“設(shè)計一套低成本、易操作的雨水凈化裝置”為工程目標，培養(yǎng)學生的工程思維（如可行性分析、方案優(yōu)化、成本控制）；數(shù)學（M）：通過統(tǒng)計雨水樣本的水質(zhì)數(shù)據(jù)（如pH均值、濁度變化率），建立污染物去除效率的數(shù)學模型（如吸附劑用量與濁度去除率的關(guān)系曲線）。2.核心素養(yǎng)導向科學探究與創(chuàng)新意識：通過“問題—探究—設(shè)計”的流程，培養(yǎng)學生提出問題、設(shè)計實驗、分析數(shù)據(jù)的能力；證據(jù)推理與模型認知：基于實驗數(shù)據(jù)推理污染物去除的化學原理，構(gòu)建“污染物—去除方法—裝置設(shè)計”的模型；科學態(tài)度與社會責任：通過關(guān)注城市雨水資源利用問題，增強學生的環(huán)境意識與社會責任感。二、STEM項目實施流程本項目以“問題驅(qū)動—探究實踐—工程設(shè)計—成果展示”為主線，分為啟動階段、探究階段、設(shè)計階段、展示與評價階段，共計6課時（每課時45分鐘）。（一）啟動階段（1課時）：問題情境導入目標：激發(fā)學生興趣，明確項目任務(wù)。實施過程：1.情境創(chuàng)設(shè)：播放城市內(nèi)澇視頻（如暴雨后街道積水）及雨水利用案例（如北京奧林匹克公園雨水收集系統(tǒng)），提問：“雨水為什么不能直接利用？”“如何將雨水轉(zhuǎn)化為可用水？”2.問題生成：學生分組討論，提出具體問題（如“雨水的pH是多少？”“哪些污染物需要去除？”“用什么材料凈化雨水？”），教師梳理問題，形成項目研究方向：雨水水質(zhì)檢測與凈化裝置設(shè)計。3.任務(wù)分配：將學生分為“水質(zhì)檢測組”“材料探究組”“裝置設(shè)計組”，明確各組職責（如水質(zhì)檢測組負責檢測雨水的pH、濁度、溶解氧；材料探究組負責測試明礬、活性炭、石英砂等材料的凈化效果；裝置設(shè)計組負責整合前兩組結(jié)果，設(shè)計凈化裝置）。（二）探究階段（2課時）：科學實驗與技術(shù)應(yīng)用目標：通過實驗探究雨水水質(zhì)及凈化材料的效果，整合化學知識與技術(shù)工具。實施過程：1.水質(zhì)檢測（1課時）：技術(shù)工具：pH傳感器、濁度傳感器、溶解氧傳感器（連接電腦，實時顯示數(shù)據(jù)）。實驗操作：（1）采集雨水樣本（提前讓學生收集校園內(nèi)不同地點的雨水，如操場、屋頂、綠化帶）；（2）用傳感器檢測樣本的pH、濁度、溶解氧，記錄數(shù)據(jù)（如操場雨水pH=5.2，濁度=120NTU；屋頂雨水pH=5.5，濁度=80NTU）；（3）分析數(shù)據(jù)：繪制不同地點雨水的pH、濁度柱狀圖，討論差異原因（如操場雨水濁度高可能因泥沙多；屋頂雨水pH低可能因空氣中的SO?溶解）。2.材料探究（1課時）：實驗?zāi)康模禾骄棵鞯\、活性炭、石英砂對雨水污染物的去除效果。實驗設(shè)計：（1）取等量雨水樣本（如100mL），分別加入0.5g明礬、活性炭、石英砂，攪拌后靜置30分鐘；（2）用濁度傳感器檢測處理后雨水的濁度，記錄數(shù)據(jù)（如明礬處理后濁度=30NTU，活性炭處理后濁度=20NTU，石英砂處理后濁度=50NTU）；（3）分析結(jié)果：活性炭的吸附效果最好（濁度去除率約83%），明礬次之（約75%），石英砂最差（約58%）。化學原理講解：教師引導學生分析凈化原理（如明礬[KAl(SO?)?·12H?O]水解生成Al(OH)?膠體，吸附懸浮物；活性炭的多孔結(jié)構(gòu)吸附有機污染物）。（三）設(shè)計階段（2課時）：工程設(shè)計與優(yōu)化目標：運用工程思維設(shè)計雨水凈化裝置，解決實際問題。實施過程：1.設(shè)計依據(jù)：各組分享探究結(jié)果（如水質(zhì)檢測組發(fā)現(xiàn)雨水pH偏低、濁度高；材料探究組發(fā)現(xiàn)活性炭吸附效果好），教師引導學生明確裝置設(shè)計要求：去除懸浮物、調(diào)節(jié)pH、吸附有機污染物，同時考慮成本、易操作、體積?。ㄟm合家庭或小區(qū)使用）。2.方案設(shè)計：學生分組繪制裝置設(shè)計圖，標注材料（如石英砂、活性炭、石灰水）、流程（如進水→過濾→吸附→中和→出水）。例如某小組設(shè)計的“分層凈化裝置”：上層：石英砂（過濾大顆粒懸浮物）；中層：活性炭（吸附有機污染物）；下層：石灰水浸泡的海綿（調(diào)節(jié)pH，中和酸性）；底部：出水閥（收集凈化后的水）。3.方案優(yōu)化：各組展示設(shè)計圖，其他小組提問（如“石灰水會泄漏嗎？”“活性炭多久需要更換？”），教師引導學生修改方案（如將石灰水改為石灰石塊，避免泄漏；在活性炭層添加紗布，防止顆粒流失）。（四）展示與評價階段（2課時）：成果交流與反思目標：展示項目成果，評價學生的跨學科能力。實施過程：1.成果展示：各組用PPT展示成果，包括：水質(zhì)檢測組：雨水樣本數(shù)據(jù)（如pH=5.0~5.5，濁度=80~150NTU）及分析結(jié)論；材料探究組：不同材料的凈化效果數(shù)據(jù)（如活性炭對濁度的去除率達85%）及推薦材料；裝置設(shè)計組：裝置設(shè)計圖、工作原理、成本估算（如石英砂0.5元/斤，活性炭1元/斤，總成本約5元）。2.多元評價：學生互評：采用“STEM能力評價表”（見表1），從“科學知識應(yīng)用”“技術(shù)工具使用”“工程設(shè)計合理性”“團隊合作”四個維度評價各組成果；教師評價：重點評價方案的可行性（如材料是否易獲?。?、創(chuàng)新性（如是否有獨特的設(shè)計）、實用性（如是否適合家庭使用）；自我反思：學生填寫“項目反思表”，反思自己在項目中的貢獻（如“我負責檢測雨水的pH，學會了用傳感器”）、遇到的問題（如“活性炭的用量不好控制”）及解決方法（如“查資料發(fā)現(xiàn)活性炭用量為水的1%~2%”）。三、課堂滲透案例：“雨水pH值檢測與酸堿中和實驗”（一）案例目標整合化學（酸堿中和原理）、技術(shù)（pH傳感器）、數(shù)學（數(shù)據(jù)統(tǒng)計），解決“雨水酸性如何調(diào)節(jié)”的問題。（二）實施過程（1課時）1.問題提出：水質(zhì)檢測組發(fā)現(xiàn)雨水pH=5.0（酸性），提問：“如何將雨水的pH調(diào)節(jié)至中性（6.5~8.5）？”2.技術(shù)應(yīng)用：用pH傳感器連接電腦，實時監(jiān)測雨水pH變化（教師演示傳感器使用方法：校準→插入樣本→記錄數(shù)據(jù)）。3.實驗操作：取100mL雨水樣本，逐滴加入0.1mol/L的石灰水（Ca(OH)?），每加1滴記錄一次pH；繪制“石灰水用量—pH變化曲線”（如圖1），發(fā)現(xiàn)當石灰水用量為2mL時，pH=7.0（中性）。4.數(shù)學分析：計算石灰水的最佳用量（如100mL雨水需要2mL石灰水，那么1000mL雨水需要20mL石灰水），建立“雨水體積—石灰水用量”的線性模型。5.工程設(shè)計：思考如何將酸堿中和過程融入雨水凈化裝置（如在裝置中添加石灰石塊層，讓雨水緩慢流過，實現(xiàn)持續(xù)中和）。（三）案例效果知識掌握：學生通過實驗掌握了酸堿中和的原理（H?+OH?=H?O），理解了pH傳感器的工作原理（通過電極檢測H?濃度）；技術(shù)能力：學會了使用pH傳感器和電腦軟件記錄數(shù)據(jù)，提升了技術(shù)工具的應(yīng)用能力；數(shù)學思維：通過繪制曲線和建立模型，學會了用數(shù)學方法分析實驗數(shù)據(jù)；工程意識：意識到“酸堿中和”需要考慮用量控制（如石灰水過多會導致pH過高）和裝置設(shè)計（如用石塊代替溶液，避免泄漏）。四、項目效果評價與反思（一）效果評價采用定量評價（問卷調(diào)查）與定性評價（作品展示、教師觀察）結(jié)合的方式，評價學生的跨學科能力與核心素養(yǎng)。1.問卷調(diào)查結(jié)果（參與學生30人）：90%的學生認為“通過項目學習，對化學的興趣提高了”；85%的學生認為“學會了用傳感器檢測水質(zhì)，提升了技術(shù)能力”；80%的學生認為“設(shè)計凈化裝置時，考慮了成本和實用性，提升了工程思維”。2.作品評價：裝置設(shè)計組的“分層凈化裝置”被評為“最佳可行性方案”（材料易獲取，成本低，操作簡單）；水質(zhì)檢測組的“雨水樣本數(shù)據(jù)報告”被評為“最佳數(shù)據(jù)處理獎”（數(shù)據(jù)準確，分析詳細）。3.教師觀察：學生在小組合作中表現(xiàn)出良好的溝通能力（如“材料探究組分工明確，有人負責加藥，有人負責記錄數(shù)據(jù)”），在解決問題時能主動查資料（如“裝置設(shè)計組查資料發(fā)現(xiàn)石灰石塊比石灰水更安全”）。（二）反思與展望1.存在的問題：時間限制：項目實施需要6課時，部分小組因時間緊張，裝置設(shè)計不夠完善（如未考慮活性炭的更換周期）；技術(shù)支持：pH傳感器等設(shè)備數(shù)量有限，部分學生未能親自操作；評價細化：“創(chuàng)新性”維度的評價標準不夠具體（如“什么是‘獨特的設(shè)計’？”），導致評價結(jié)果主觀性較強。2.改進方向：優(yōu)化時間安排：將項目分為“課前準備（收集雨水樣本）—課堂探究（3課時）—課后設(shè)計（2課時）—展示（1課時）”，減輕課堂壓力；豐富技術(shù)工具：增加濁度傳感器、溶解氧傳感器的數(shù)量，讓每個學生都能操作；細化評價標準：制定“創(chuàng)新性”評價細則（如“是否采用了新的材料？”“是否有獨特的流程設(shè)計？”），提高評價的客觀性；拓展主題范圍：未來可將項目主題拓展至“工業(yè)廢水處理”“農(nóng)村飲用水凈化”等，讓學生接觸更多實際問題。五、結(jié)語本項目以“城市雨水資源利用中的水質(zhì)凈化”為主題，通過STEM跨學科整合，將化學知識與技術(shù)、工程、數(shù)學結(jié)合，讓學生在解決實際問題的過程中，提升了科學探究能力、工程思維、社會責任意識。課堂滲透案例（如“雨水pH值檢測與酸堿中和實驗”）展示了STEM項目在高中化學課堂中的具體應(yīng)用，為教師提供了可復(fù)制的教學模式。未來，高中化學STEM項目的設(shè)計應(yīng)更注重貼近學生生活（如“家庭飲用水凈化”