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| 基于STEM理念的实验课程教学实践研究 |
| 第729期 作者：□文/田世超 时间：2024/5/16 9:54:13 浏览：221次 |
［提要］ 近年来，我国大力提倡培养创新与应用型人才，并积极引入STEM教育理念。本文以“一氧化碳中温-低温串联变换反应”实验课程为例，在详细介绍STEM教育理念内涵基础上，就具体实验操作过程与STEM教育理念的契合度进行分析，并尝试建构以STEM学习为基础的教学模式，从而为教学改革探索思路。
关键词：STEM教育理念；教学模式；教学改革论文；实验操作
基金项目：国家自然科学基金项目（编号：22108012）
中图分类号：G64 文献标识码：A
收录日期：2024年1月3日
引言
STEM教育理念内涵主要包括科学（Science）、技术（Technology）、工程（Engineering）与数学（Mathematics）。该理念于1986年由美国国家科学委员会提出，“STEM”教育方式成为以科学、技术、工程和数学为主的跨学科研究，并在2015年以法律形式确立了STEM的教育地位。STEM理念实施的意义包括：提高学生科学水平，即掌握科学原理并对科学研究细节进行相关指导；夯实学生技术能力，即提高技术操作水准；拓展学生工程眼界，即充分拓宽学生对工程应用的全面理解；塑造学生数学分析能力，即通过数学分析全面、直观地反映过程的优势。
《世界是平的》一书指出，高校毕业生科学文化素养的形成与提升，对国家竞争实力的提高有着重要决定作用。在当今科学和技术主宰世界发展与进步的时期，科技是一个国家竞争力的重要影响因素，且科技人才更是关键因素。因此，将STEM理念与课程教学相融合，对提高学生的知识运用能力、高级思维能力、合作共赢能力、全面分析能力等大有好处，满足了高等教育复合型人才的培养需求以及当今社会发展对人才素质的要求。STEM理念的核心思想是将学生培养成为完整全面的高素质科技人才，而不是将各学科知识进行简单叠加与传授，更不是对知识的机械性传输。因此，在高等教育实施过程中，教师要以工程运行中实际问题的解决为教学驱动，而学生则是项目操作实施过程的主体参与者。因此，在教学过程中要进行知识传授、发现问题、提出方案、解决问题及总结方案等过程，全面提升大学生科学素养和科学问题解决能力。
随着STEM教育的蓬勃发展和教学模式的变革，学者开始思考如何提高STEM教师的教学设计能力才能激发学生深度学习，培养具有创新精神的人才。STEM教育作为一种新型综合性教学模式有别于传统教育模式，对我国高等教育专业发展有着促进作用；而如何将其纳入常态化的课程与教学中，对高校一线教师来说充满挑战。
一、研究背景
当前，人工智能技术飞速发展，各国进入新一轮的信息与科技改革时期，科学技术是第一生产力，是国家竞争力体现的重要因素。而竞争实力体现的关键在于人才。我国是典型的制造业大国，但在全球竞争力排名、全球创新指数中的排名与大国的实力并不匹配，尤其是在创新型产业、新兴技术和高端制造业领域，严重缺乏复合型人才。2016年，国务院颁布《国家创新驱动发展战略纲要》明确指出，我国力争2030年跻身创新型国家前列，并于2050年建成世界科技创新强国。而STEM教育开辟了创新人才培养的新道路，与我国国情高度契合，为未来社会的发展提供了可行的人才培养方案。
我国基础教育的弊端在于应试教育与创新性思维的缺乏，这与我国提升制造业要求效率至上的总体步伐相一致。随着经济体系的转型升级，国家对高新技术人才的需求不断扩大，推动教育部门不断进行教育改革，以期通过课程优化、开设综合活动等方式规避应试教育所带来的弊端，将教育推向更加现代化。STEM教育理念引进中国并被视为解决国内缺乏创新的应试教育的一剂良药，在我国受到专家学者的支持与推广。教育部也多次颁布相关政策并促进STEM教育理念的发展。2022年，教育部强调“改变教学目的，坚持以素养为导向，强化学科实践”，要求“积极开展主题化、项目式学习等综合性教学活动”。
STEM教育理念将创造性学习置于教育中心，强调知识与现实世界的相互关系。在这一教育理念中，科学是STEM的重要组成元素，有助于人们认识世界规律；技术是实现工程的工具，科学与技术共同支持人们按照社会需要来改造世界；工程是STEM活动中解决真实问题的途径与应用，而数学是STEM的基础手段，为科学、技术与工程的开发与运用提供了思维方法与分析工具。STEM教育理念突出如何串联各个学科之间的知识，探讨其在现实中的应用。
二、基于STEM理念设计教学模式
基于学术界对STEM教育理念定义的理解，对STEM教育内涵的见解被广泛报道。现将STEM教育理念定义为：以项目或问题为中心，以学科整合的方式，通过实验小组协作实践，解决真实情境中的问题，计算过程中的相关数据，从而培养学生的跨学科思维、实践能力与创新精神的一种教育理念和学习方式。通过将“一氧化碳中温-低温串联变换反应”与STEM学习进行结合，为基础实验教学提供借鉴模式。因此，在进行该实验的STEM设计理念实施过程中，将实验原理列为科学；将工艺条件、工艺操作以及工艺参数列为技术；将实验应用列为工程；将催化剂经济性分析列为数学。通过STEM理念指导，将简单的实验操作提升到知识传授、发现问题、提出方案、解决问题及总结方案等过程。该STEM理念将知识传播、实验操作与知识总结整合到一起，使学生充分学习并掌握知识点，进而为实际工程操作进行铺垫。
三、“一氧化碳中温-低温串联变换反应”教学实践设计模型
（一）“一氧化碳中温-低温串联变换反应”实验中的科学问题。一氧化碳中温-低温串联变换反应过程，该研究机理利用变换反应，通过CO和H2O反应生成CO2和H2，并释放出相关能量（放热反应，41.19 KJ/mol）。该串联变换反应由意大利科学家Felice Fontana提出，在化工工业发展过程中是一个关键的化学反应过程。该反应过程首次应用于20世纪初合成氨过程中对H2的需求。随着反应过程中催化剂的发展及工艺过程的优化，该反应被充分应用于各个领域，体现出该反应过程的重要性。在工业应用过程中，一氧化碳中温-低温串联变换反应是在催化剂参与的条件下发生的。在中温反应阶段，催化剂主要选择四氧化三铁，反应温度控制在350℃～550℃，因为反应温度较高，一氧化碳气体反应后仍有3%左右残留。低温反应阶段，催化剂主要选择铜或硫化钴-钼，反应温度控制在180℃～280℃，残留一氧化碳可下降到0.3%。
基于一氧化碳中温-低温串联变换反应，从科学角度引导学生对温度的变换进行温度最优化研究，确保反应高效与经济；同时，对科学原理进行充分扩展与讲解，让学生了解科学研究不是盲目地试错，而是有科学依据为基础进行指导。因此，通过科学原理的讲解，使学生有严谨的科学思维和必要的知识储备。
（二）“一氧化碳中温-低温串联变换反应”实验中的技术问题。针对一氧化碳中温-低温串联变换反应过程，选择哪种工艺组合、变换工艺组合段数、催化剂种类的选择及能量回收方式等技术问题，需要充分进行知识扩展，将技术问题展现给学生，让学生得到充分思考。由于一氧化碳中温-低温串联变换反应是一个重点耗能过程，因此需要对反应过程的条件，即反应温度、反应压力、进气比例及气体溶度进行最优化验证。将反应过程进行最优化设计，是减少能耗的关键步骤。因此，关键技术的研究与攻克，决定了该技术的广泛推广。
关于技术问题，引导学生关注反应过程的工艺条件、工艺操作以及工艺参数，全面思考技术中的控制因素，充分发挥学生思考问题及解决分析问题的科研思维，培养学生成为一个合格的化工人。
（三）“一氧化碳中温-低温串联变换反应”实验中的工程应用。一氧化碳中温-低温串联变换反应是通过CO和H2O反应生成CO2和H2。通过调控反应条件，控制合成气中CO/H2的气体比例，该反应在氨气合成、甲醇合成气制备、氢气制备和整体煤气化燃气-蒸汽联合循环发电等项目中被广泛应用。因此，在实验操作过程中，充分讲解该实验研究在工程中的应用环节，增加学生对工程应用的兴趣。
合成氨反应过程主要应用于氮肥和复合肥料生成，农业生产对化肥的使用与需求是合成氨工业快速发展的推动力。随着合成氨工艺的持续发展，该技术越发成熟且形成广泛的工艺流程。工艺过程简单概括为：原料气体的制备、气体的净化以及氨气的合成。一氧化碳中温-低温串联变换反应生成氢气的过程是合成氨气生产的重要过程，主要体现在气体净化过程。该反应过程是将体系中的一氧化碳净化，同时产生氢气。
甲醇作为工业生产中的一种重要原料，被广泛应用于甲醛的生成、橡胶的合成、脂类或醚类的生产。同时，可以作为动力燃料来替代汽油等。因此，该产品的研发具有重要的应用价值。甲醇的合成是由一氧化碳气体、二氧化碳气体和氢气反应生成。通过前期研究与总结，三种气体的最佳比例可以高效合成甲醇，且该比例可以通过一氧化碳中温-低温串联变换反应来进行精准调控，因此能提高甲醇生成的效率与浓度，是甲醇生成中的一个关键环节与过程。
氢能作为另一种清洁能源，在我国“双碳”目标大背景下，该能源的研发与推广显得尤其重要。随着当今能源结构的调整与改革，氢气的市场需求逐步增加，且关于氢能的研究领域也逐步占据主要研究热点。氢能汽车的出现，也势必对氢气的需求进一步增强。基于我国丰富的煤炭资源储备，通过煤炭的高效转化制备氢气是一种高效、可靠而廉价的制备氢气的方法。对于该煤炭转化制备氢气过程，需要经过煤气化过程、一氧化碳转化过程、气体脱除过程、氢气纯度提高过程等程序，最终可以精准转化为不同纯度的氢气。
在氢气制备和整体煤气化燃气-蒸汽联合循环发电过程中，该反应过程中的一个关键步骤是一氧化碳中温-低温串联变换过程。该技术可以高效转化电能，同时可以应用于化工产品的联合生成过程，进而实现煤炭资源的高效利用。该循环发电过程，能够在电力系统、化工生产、钢铁企业等节能减排、清洁生产和系统提升中有进一步的应用。同时，联合循环发电过程也会促进不同企业之间的整合，最终提高企业的竞争能力。该技术应用可以为企业创造更高的经济效益，同时也为“双碳”目标的实现提供一种可行性方案。
基于反应的工程应用，可以增加学生对实验的学习兴趣，结合实际知识的应用，使学生在学习过程中增加对工程应用的思考。
（四）“一氧化碳中温-低温串联变换反应”实验中的数学问题。催化反应过程是基于催化剂的作用下，通过改变化学反应中的反应能量影响反应过程的速率。基于一氧化碳中温-低温串联变换反应，金属基催化剂和非金属催化剂的选择对过程调控表现出不同的性质。因此，催化剂的选择和评价是该反应过程需要高度重视的。因此，针对于催化剂的经济性评价，需要通过课程的学习与讨论，使学生掌握相关的知识。
对于实验中的小试阶段，进行经济性分析。需要对不同投料量下的运行能耗及经济效益进行统计，主要消耗点为整个项目的电耗、燃料消耗、工艺水消耗、化学试剂及人工费。因此，评价催化剂性能的方式多元化，比如经济性、稳定性、选择性以及再生性等。基于此，对于催化剂选择方面，需要进行数学模型的建立，多角度考虑催化剂的选择，培养学生全面分析问题的能力。
综上，对于大学生的培养需要从创新型和复合型进行塑造，因此借助STEM教育理念，从科学方面进行传授与讲解，努力培养学生全面思考问题的能力；从技术方面进行传授与讲解，充分提高学生对实际问题的思考能力；从工程方面进行传授与讲解，力争扩展学生对知识应用的全面思考能力；从数学方面进行传授与讲解，积极提升学生对数学模型与实际应用的结合能力。基于一氧化碳中温-低温串联变换反应，将STEM教育理念应用于实验教学中，使学生的学习效果和全面思考能力得到全面的提升。借助STEM教育理念，将理论知识与实际工程技术相结合，使学生具备学以致用的能力。此外，通过真实案例的分析及讲解，也能够加深学生对知识的理解与应用。
（作者单位：北京化工大学化学工程学院）
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