基于STEM的高中化學教學模型建構與探究

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(東北師范大學附屬中學)

STEM教育理念是科學、技術、工程以及數(shù)學等四個詞匯的英文首字母組合，體現(xiàn)了上述四大“元學科”對于人才培養(yǎng)的重要性與未來方向性。STEM理念最早由美國國家科學委員會于1986年提出，經過幾十年的發(fā)展并在2013年公布的《新一代科學教育標準》(縮寫NGSS)中成為美國科學教育中的重要標準。我國學者于近些年才開始逐步學習并重視美國的STEM教育理念本地化。高中化學作為理科中交叉性非常強的一門科學，非常適合探索基于STEM理念的教學模型。探討高中化學STEM教學模型的構建對于指導我國科學教育中實現(xiàn)STEM理念具有非常重要的實際參考價值。

一、STEM理念的概念

作為自然科學四門基礎學科英文首字母縮寫，STEM的理念與界定也是多維度的概念。主要可以從以下幾點對STEM概念進行理解與界定。

首先，STEM教育從本質屬性上可以理解為一類課程，即包含四大所謂“元學科”的一種課程。STEM教學實踐過程中，將上述四門“元學科”以完整的知識體系展示。STEM的課程門類方面也處于持續(xù)發(fā)展過程中，例如部分學者建議增加醫(yī)學、教育學以及農業(yè)或者藝術等，提高該課程解決實際問題的能力。

其次，STEM教育從教學形式上可以理解為一種教學策略，體現(xiàn)多學科思想的融合。通過基于現(xiàn)有標準及學科基礎，增加后設學科并整合成新的教學策略。同時，將問題的發(fā)現(xiàn)、設計、解決以及探索等多種研究策略融合的教學方式。

第三，STEM教育從內容組成上可以理解為學生培養(yǎng)的素質內容，即所謂的科學、技術、工程以及數(shù)學等四方面素質。從這個角度理解，STEM素養(yǎng)的經驗對于落實我國學生發(fā)展核心素養(yǎng)方面具有一定的經驗參考價值。

二、高中化學STEM教學模型的必要性

化學涉及的知識非常廣泛，與生物學及物理學等具有很大的交叉。而我國當前高中階段教學實踐中，對上述學科間劃分過于明顯。同時，化學課堂教學實踐與工業(yè)生產及科技進步剝離嚴重，這都將無法吸引學生足夠的學習興趣，教學效果不理想。

相比于傳統(tǒng)的化學教學，STEM理念重在如何將多學科合理結合，并在教學過程中培養(yǎng)學生多學科思維習慣，重視實際問題解決效果，非常適合交叉學科創(chuàng)新人才的培養(yǎng)。在當前全球一體化教學中，如何在高中化學教學實踐中合理借鑒國外優(yōu)秀的教學理念設計出適合我國國情的教學模型，對于提升我國人才競爭力具有非常必要的戰(zhàn)略意義。

三、基于STEM的化學教學模型建構

筆者結合多年高中化學教學經驗以及對STEM教育理念的理解，提出以學生為中心的STEM教學模型。在具體的教學過程中首先由教師提出問題，學生基于STEM綜合知識對問題進行研究分析并思考解決方案，從而在實踐中獲取對應的科學知識。在高中化學教學實踐中，教學設計應更加注重知識的交叉性、開放性、實踐性以及動態(tài)性等特征。具體步驟如下：

(1)教師基于教學內容構建便于學生接受的教學情境。

在新區(qū)的建設初期，經濟初步發(fā)展，并且自身的經濟實力薄弱，實體經濟的薄弱導致對資金的吸納能力較差，但隨著政府的規(guī)劃方案的公布，雄安新區(qū)已經陸續(xù)有企業(yè)注冊入駐，2017年9月政府已經批準48家企業(yè)首批進入雄安，包括阿里巴巴、騰訊、百度、京東金融、360奇虎、深圳光啟、國開投、中國電信、中國人保等。

(2)教師基于教學內容設計難度適中的具體問題。

(3)引導學生以小組形式，綜合利用STEM知識研究問題相關的技術問題及數(shù)據(jù)。

(4)引導學生基于知識網絡，構建完整的知識體系。

(5)學生基于知識體系分析數(shù)據(jù)并獲取解決方案。

(6)組內學術交流探討研究成果。

四、基于STEM的化學教學模型案例設計

筆者基于本文探討的教學模型及相應步驟，以高中化學“原電池”章節(jié)為主題，設計基于STEM的化學教學模型如下。

教師可以從生活相關的電子產品展示吸引學生關注課堂，強調“原電池”與實際生活的相關性，提高學生學習熱情。例如，教師可以設計一個情景，手機沒電了且周圍沒有電力設備供電，如何設計出穩(wěn)定的充電器供電。

2.教師基于教學內容設計難度適中的具體問題

教師應基于“原電池”的教學內容，從STEM課程內容四方面向學生提出例如“如何選擇適合的電極”“如何完成閉合電路設計”“如何保持原電池電流穩(wěn)定持久”以及“如何完成化學轉換效率計算”等問題。教師需激發(fā)學生積極性，引導學生利用提供的實驗器材完成上述問題。

3.引導學生以小組形式，綜合利用STEM知識研究問題相關的技術問題及數(shù)據(jù)

基于課程前期內容，學生具備基本的電化學知識并能設計出簡單的Zn/Cu電池。教師可以安排學生以小組形式，對電池組裝及實現(xiàn)現(xiàn)象進行仔細觀察。例如，要求學生觀察隨著時間進程電流變化，觀察鋅片表面變化等。并依據(jù)實驗現(xiàn)象，詢問學生該設備是否可以為老師手機提供穩(wěn)定且持久的供電，并解釋原因。學生小組討論后，認為電流不穩(wěn)定，也不持久，主要因為Zn與CuSO4溶液接觸后，Zn片上有Gu金屬析出，無法維持持久電源供應。循序漸進的，教師提出難度稍大的問題，如何保證電池供電更加穩(wěn)定長久呢？教師可以要求學生借助網絡、書籍等多個渠道全面搜集相關的知識內容及技術等。

4.引導學生基于知識網絡，構建完整的知識體系

學生帶著問題對教材進行重新審視，并借助網絡來源的部分內容，豐富了教學課程的理論及實踐內容。學生通過組內探討后，基于電化學相關知識提出利用不相互接觸的氧化劑與還原劑充當兩個電極。教師則可以繼續(xù)對學生進行引導，學生按照討論及指導結果重新設計原電池，從而順利成章地提出了所謂“鹽橋”的概念，豐富了自身的知識體系。

5.學生基于知識體系分析數(shù)據(jù)并獲取解決方案

教師應指導學生基于STEM的高中化學教學模型現(xiàn)有知識，分析問題并設計合理的解決方案。具體而言，教師引導學生對教材相關部分內容進行仔細閱讀，熟悉原電池工作原理，并讓學生通過實驗驗證書本原理，并匯報相應的實驗結果。例如，學生小組可以按教材內容安裝雙液原電池，觀察電流變化及電極變化等。

6.組內學術交流探討研究成果

組織學生通過小組合作，總結各自小組的解決方案，并與其他小組探討完成學術交流，這也是STEM教育理念的基本要求。通過課堂的學習，學生將問題與工程用途聯(lián)系，尋找提高實際轉化效率的方法。課堂上學生完整的思考過程、研究過程則可以讓學生加深對科學、技術、工程和數(shù)學等四大學科間內在聯(lián)系的理解，從而更自如地綜合運用知識。

五、結語

STEM教育理念已經從美國逐漸推廣到其他國家，已然成為當前科學教育方面非常重要的一種思想潮流。STEM教育理念關注建立完整并聯(lián)系性強的知識體系，同時也對學生個體在具體運用知識的方式有較高要求。高中化學教育作為高中理科教育非常關鍵的一個環(huán)節(jié)，如何構建科學的STEM的高中化學教學模型對于STEM教學理念在我國科學教學的成功有積極作用。高中化學教師也需要按照STEM理念全面提升自身知識，從而培養(yǎng)出更多優(yōu)秀的復合型人才。