面向大学预科项目的基于探究的体验式化学教育的可持续性方法

《RSC Sustainability》：A sustainability approach to inquiry-based experiential chemistry education in pre-college programs

　　

大学预科项目为高中生提供了通过将化学原理应用于现实挑战来真实接触科学的宝贵机会。本研究考察了“Momentum Lab”和“Impact Lab”两个此类项目，它们整合了基于探究的体验式学习，以推进环境意识和科学素养。Momentum Lab设置了一个法医学模块，结合化学与生物学调查模拟的野生动物犯罪，展示了化学在医疗保健、环境监测和司法系统中的社会相关性。Impact Lab通过三个主题模块探讨全球可持续性：(i)气候变化、海平面上升、CO₂吸收和海洋酸化；(ii)土壤与水质、营养循环以及化肥径流的生态后果；(iii)通过酯交换反应合成生物柴油，强调绿色化学在可再生能源和废物增值中的作用。总体而言，这些活动展示了基于探究的学习如何将化学概念与紧迫的全球问题联系起来，同时培养学习者的参与度、好奇心和实际解决问题能力。观察到的总体模式表明，体验式化学教育在增强学生对可持续性的理解以及激励未来参与STEM（科学、技术、工程和数学）路径方面具有巨大潜力。

**论文解读：基于探究的体验式化学教育在大学预科项目中的可持续性路径**

**1. 研究背景与问题**

当前全球面临气候变化、资源枯竭、污染和环境健康退化等重大可持续性挑战，这要求培养一代具备科学素养、能够基于可持续性原则做出明智决策并开发创新解决方案的公民。然而，传统科学课程往往未能将抽象概念与现实情境相连接，导致学生参与度不足，难以应对课堂之外复杂的可持续性问题。研究表明，美国高中生对STEM（科学、技术、工程和数学）职业的兴趣在中小学阶段若未得到强化通常会下降，而全球仅有少数学生表现出较高的科学熟练度。为弥补这一鸿沟，教育者日益倡导早期STEM参与和主动学习策略，以培养批判性思维和跨学科问题解决能力。在此背景下，大学预科项目作为提高青少年STEM兴趣的有效干预措施应运而生，参与此类项目的学生更有可能选择STEM专业。

**2. 研究开展的内容与结论**

研究人员（原文用“we”，此处以“研究人员”代替）在温特沃斯理工学院（Wentworth Institute of Technology）开展了两个暑期大学预科项目——Momentum Lab和Impact Lab，旨在通过基于探究的体验式化学教育，将化学原理与真实世界的可持续性挑战相结合，提升高中生的环境意识和科学素养。2025年，Momentum Lab的主题为“互联护理：人类健康中的技术”，招收了39名9至10年级学生；Impact Lab的主题为“化学与可持续城市：迈向更美好未来的气候韧性”，分两期共招收136名11至12年级学生。研究通过设计并实施化学中心活动，评估其在促进高中生可持续性意识方面的作用。结论表明，此类体验式化学教育项目能够有效弥合课堂学习与全球社会需求之间的鸿沟，将化学定位为可持续发展的催化剂，培养学生的批判性思维、负责任的决策能力以及对化学在塑造可持续未来中作用的更深理解。

**3. 主要关键技术方法**

研究人员采用了基于探究的学习模型，强调主动参与和跨学科整合。Momentum Lab中的法医科学活动模拟野生动物犯罪调查，学生通过紫外荧光分析、DNA（脱氧核糖核酸）分析、指纹分析和骨检等动手技术解决案件。Impact Lab的三天课程分别聚焦气候变化与海平面上升（通过CO₂与水反应形成碳酸的演示实验）、城市热岛与土壤水质健康（对土壤和水样本进行pH值、氮含量及微生物检测）以及生物柴油生产与评价（通过酯交换反应合成生物柴油并进行3/27溶解度测试、乳化测试和浊点测定）。所有实验均辅以案例研究、课堂讨论和设计挑战，并采用结构化调查问卷收集学生反馈（样本来源为Impact Lab中研究人员所授班级的9名学生）。

**4. 研究结果**

**4.1 Momentum Lab：互联护理——人类健康中的技术**
该模块以“犯罪现场调查：失踪豹子里奥的案件”为主题，为学生提供基于探究的学习体验。学生扮演法医调查员，运用紫外荧光、化学提取纯化、凝胶电泳等技术分析证据，将化学与医学、司法和生物多样性保护相联系。活动强化了化学在医疗保健诊断、个性化医疗和疾病预防中的应用，并使学生理解野生动物犯罪的生态和社会影响。学生的口头反馈（尽管未及时组织正式书面反馈）一致强调动手活动、协作环境和现实相关性是三大优势。

**4.2 Impact Lab：可持续城市——迈向更美好未来的气候韧性**
第1天“气候变化与海平面上升”通过演示实验帮助学生理解CO₂与水反应形成碳酸导致海洋酸化的化学机制，并通过设计环保海堤模型增强沿海韧性。第2天“城市热岛与土壤水质健康”中，学生分析土壤和水样本，测试氮含量，研究化肥径流对生态系统的影响，将化学与粮食安全和环境健康联系起来。第3天“生物柴油生产与评价”中，学生从植物油和甲醇通过酯交换反应合成生物柴油，并进行多项质量测试，探讨可再生能源在减少化石燃料依赖中的作用。结构化调查显示，80%的学生对教师互动感到“极其满意”，80%的学生表示“极有可能”申请其他项目；定性反馈提炼出互动式教学、化学整合和支持性参与三个主题。

**5. 讨论与结论**

讨论部分强调，将可持续性嵌入化学教育对于培养年轻学习者应对全球挑战至关重要。Momentum Lab和Impact Lab通过将化学原理置于真实情境中，支持了多项联合国可持续发展目标（UN SDGs），如SDG 3（良好健康与福祉）、SDG 4（优质教育）、SDG 6（清洁饮水与卫生）、SDG 7（经济适用的清洁能源）、SDG 11（可持续城市与社区）、SDG 13（气候行动）、SDG 14（水下生物）、SDG 15（陆地生物）和SDG 16（和平、正义与强大机构）。研究承认存在局限性，包括样本量小、项目时间短、缺乏正式的前后测评以及未在组件层面分析结果。未来方向包括延长项目时长、整合真实数据和技术、建立社区与行业伙伴关系、嵌入跨学科联系、实施纵向影响评估、提供明确的职业路径以及适应多样化教育环境。研究结论指出，此类项目能够有意义地吸引大学预科学习者并激发对STEM的持续兴趣，将化学定位为可持续发展的催化剂，为培养未来STEM领导者应对复杂全球挑战奠定了基础。该论文发表于《RSC Sustainability》。