邮发代码:82-418   刊号:ISSN1671-4350   定价:16.00

[NSTA专栏]优化合金——在高中课堂讲授固体混合物

文_Christina Polcino Billyjack Jory  Jean Sabety Laura Grenot Jones  Jared Ashcroft Brandon Rodriguez 翻译_朱 方

2021-09/总第306期

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随着《新一代科学教育标准》(NGSS,2013)更广泛地实施,对具有现实世界应用价值的跨课程活动的需求前所未有。我们开发了一个探究式实验室,教给学生有上千年历史实践,并且是人类现代基础设施的基础的关于创造合金的知识,同时介绍化学和地质学的跨学科知识。

这个合金实验室将课堂学习与科学方法联系起来,指导学生学习化学、物理学和地质学,同时促进科学发现和兴趣。活动中我们使用美国生物学课程研究会(BSCS)的5E教学模型,这是一种探究式教学法,让学生根据现有知识学习新的主题(Bybee,2016)。5E模型特别适合在我们的合金实验室使用,因为高中生普遍对合金及其应用并不熟悉。该模型助力教育者开展一个完整的学习周期,让学生参与学习过程中的每一个阶段。


引入

1998年,就在微软公司推出其标志性的新操作系统的同一年,随着国际空间站的第1个组件(图1)被送入轨道,一个新的空间探索时代开始了。2000年,国际空间站的第1批长期居民抵达。此后,它为许多学科提供了宝贵的研究实验空间,也为飞往月球、火星和其他星际空间的航天系统和设备提供了测试环境。

在制造国际空间站和其他太空飞行器所需的数百种材料中,铝合金是最常见的材料之一(见网络资源)。这种轻质合金主要由铝和铜组成(Holt和Ho,1996),其高强度和-268〜315℃(-452〜600℉)的承受温度范围有助于使国际空间站成为人类的巨大成就。

视角回到地球,自公元前3 000年以来,人类一直在制造金属合金,没有它们,现代生活根本无法存在。现代社会对高质量合金的需求很大,但在科学课堂中很少提及。通常,课本上仅仅介绍合金为“两种固体的混合物”,然后就讲回到教材“溶液”部分了。虽然围绕金属合金的概念,如共晶和冶金,因为其复杂性而通常留到高年级课程才会涉及,但对合金的普遍存在和制备的基本理解可以在入门的理科学生中实现。

合金实验室可根据学生的学术水平进行微调,再加上材料成本相对较低(以及标准化学教室的可用性),可让实验供各类教育机构使用。我们成功地在Title I(美国联邦政府提供的资助弱势中小学教育计划——编者注)高中向初中生和高中生开展了实验室教学,并在一所社区学院的化学入门课程中成功开展了教学。参与活动的高中生包括99.7%的减免午餐费用学生,他们在数学和语言艺术方面落后了1年或更长时间;社区学院的学生情况类似。


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