融入STEM理念的高中化學(xué)實(shí)驗(yàn)探究課的教學(xué)策略研究

練鳳玲

摘 要：高中化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)及探究的過(guò)程融入STEM課程理念，拓展多種學(xué)習(xí)方式，強(qiáng)化教學(xué)過(guò)程中的實(shí)踐性和學(xué)生的體驗(yàn)性，提高教學(xué)效能。實(shí)踐這種模式下教學(xué)策略有助于學(xué)生高考化學(xué)知識(shí)點(diǎn)的掌握及應(yīng)用，提升學(xué)生實(shí)際問(wèn)題的解決能力，著重培養(yǎng)學(xué)生的化學(xué)核心素養(yǎng)，并逐步形成具有地方特色的校本課程。

關(guān)鍵詞：STEM;高中化學(xué);實(shí)驗(yàn)探究;教學(xué)策略

1. 問(wèn)題的提出

STEM最初由美國(guó)發(fā)起并主導(dǎo)，主要針對(duì)基礎(chǔ)教育改革。早在上個(gè)世紀(jì)80年代，美國(guó)國(guó)家科學(xué)委員會(huì)發(fā)表的《本科的科學(xué)、數(shù)學(xué)和工程教育》報(bào)告，標(biāo)志著美國(guó)STEM教育的開(kāi)端。[1]學(xué)術(shù)界普遍認(rèn)為，STEM是科學(xué)（Science）、技術(shù)（technology）、工程（Engineering）和數(shù)學(xué)（Mathematics）各學(xué)科首字母的縮寫，STEM課程則融合了這四門彼此獨(dú)立又相互關(guān)聯(lián)的學(xué)科，采取融會(huì)貫通的方式結(jié)合項(xiàng)目加以開(kāi)展，以研究性學(xué)習(xí)為主，注重培養(yǎng)學(xué)生的探究能力，提升學(xué)生科學(xué)素養(yǎng)、技術(shù)素養(yǎng)、工程素養(yǎng)及數(shù)學(xué)素養(yǎng)等。化學(xué)是一門實(shí)驗(yàn)科學(xué)，以高中化學(xué)實(shí)驗(yàn)為載體，融入STEM課程理念，探索高中化學(xué)實(shí)驗(yàn)中的跨學(xué)科合作是很有必要的，然而我國(guó)對(duì)STEM教育和STEM課程的研究多處于理論階段，仍然存在很多的問(wèn)題與不足。

2.相關(guān)概念的界定

2.1 STEM課程：STEM是由科學(xué)（Science）、技術(shù)（Technology）、工程（Engineering）和數(shù)學(xué)（Mathmatics）四門學(xué)科整合而成的，它以設(shè)計(jì)和探索為目的，并對(duì)技術(shù)問(wèn)題進(jìn)行科學(xué)的探索。[2]STEM教育是一種新的教學(xué)理念，它不是簡(jiǎn)單地將科學(xué)、技術(shù)、工程、數(shù)學(xué)這四大學(xué)科內(nèi)容進(jìn)行排列組合或重新疊加，而是突破這四大學(xué)科之間的壁壘，通過(guò)跨學(xué)科的方式來(lái)綜合運(yùn)用這四大學(xué)科的相關(guān)知識(shí)，以使學(xué)習(xí)者通過(guò)實(shí)踐解決真實(shí)情境中存在的問(wèn)題，從而達(dá)到培養(yǎng)創(chuàng)新能力與實(shí)踐能力的目的。

2.2小組合作：小組合作學(xué)習(xí)就是以合作學(xué)習(xí)小組為基本形式，系統(tǒng)利用教學(xué)中動(dòng)態(tài)因素之間的互動(dòng)，促進(jìn)學(xué)生的學(xué)習(xí)，以團(tuán)體的成績(jī)?yōu)樵u(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，共同達(dá)成教學(xué)目標(biāo)的教學(xué)活動(dòng)。強(qiáng)調(diào)人際交往對(duì)于認(rèn)知發(fā)展的促進(jìn)功能，學(xué)生依其學(xué)業(yè)水平、能力傾向、個(gè)性特征、性別乃至社會(huì)家庭背景等方面的差異組成若干個(gè)異質(zhì)學(xué)習(xí)小組（每組3-6人）。

2.3實(shí)驗(yàn)探究：在老師的指導(dǎo)下，將一個(gè)相對(duì)獨(dú)立的實(shí)驗(yàn)交由學(xué)生自己處理，信息的收集、方案的設(shè)計(jì)、實(shí)施及最終評(píng)價(jià)，都由學(xué)生自己負(fù)責(zé)，學(xué)生通過(guò)該實(shí)驗(yàn)探究的進(jìn)行，了解并把握整個(gè)過(guò)程及每一個(gè)環(huán)節(jié)中的基本要求。“實(shí)驗(yàn)探究”最顯著的特點(diǎn)是“以實(shí)驗(yàn)?zāi)康臑橹骶€、教師為引導(dǎo)、學(xué)生為主體”，具體表現(xiàn)在：實(shí)驗(yàn)的自主性和創(chuàng)新性;培訓(xùn)周期短，見(jiàn)效快;可控性好;注重理論與實(shí)踐相結(jié)合。

3. 融入STEM理念的高中化學(xué)實(shí)驗(yàn)探究課的具體設(shè)計(jì)

3.1 現(xiàn)狀與問(wèn)題

化學(xué)是一門實(shí)驗(yàn)科學(xué)，以高中化學(xué)實(shí)驗(yàn)為載體，融入STEM理念，探索高中化學(xué)實(shí)驗(yàn)中的跨學(xué)科合作是很有必要的，然而我國(guó)對(duì)STEM教育和STEM課程的研究多處于理論階段，仍然存在很多的問(wèn)題與不足：（1）在國(guó)內(nèi)的相關(guān)研究當(dāng)中，重點(diǎn)以美國(guó)等國(guó)外的STEM教育和課程的研究為主，個(gè)別教育案例也是以國(guó)外教育案例為藍(lán)本，照搬痕跡較重，沒(méi)有形成適用于本土的具有本國(guó)特色的STEM課程;（2）STEM理念在高中化學(xué)實(shí)驗(yàn)探究課中的應(yīng)用的相關(guān)研究存在明顯的留白，沒(méi)有形成可供參考的教學(xué)模式和實(shí)踐操作，由于地域差異所造成的教育資源不平等的問(wèn)題，大大阻礙了STEM理念在高中化學(xué)實(shí)驗(yàn)探究的推廣與應(yīng)用;（3）當(dāng)前日益增長(zhǎng)的教育需求與教師素質(zhì)之間存在矛盾，在高中化學(xué)實(shí)驗(yàn)中融入STEM理念需要教師同時(shí)具備相關(guān)學(xué)科的綜合知識(shí)與教學(xué)技能，對(duì)教師的要求較高，向以往的傳統(tǒng)教學(xué)方式提出了挑戰(zhàn)，而相關(guān)的教師培訓(xùn)工作和教師隊(duì)伍的自我學(xué)習(xí)還存在很多不足。

3.2基本流程

融入STEM理念的高中化學(xué)實(shí)驗(yàn)探究課具體流程為：提出與分析問(wèn)題→應(yīng)用跨學(xué)科知識(shí)→團(tuán)隊(duì)合作→選擇與應(yīng)用適當(dāng)?shù)募夹g(shù)→探究與設(shè)計(jì)作品→展示與評(píng)價(jià)成果。

3.3 教學(xué)活動(dòng)設(shè)計(jì)--以《金屬的腐蝕與防護(hù)》為例[5]

STEM課程是以項(xiàng)目實(shí)踐載體，學(xué)生通過(guò)探究學(xué)習(xí)去掌握相關(guān)的概念和技能，并嘗試去解決真實(shí)世界中的問(wèn)題。STEM理念下高中化學(xué)實(shí)驗(yàn)探究學(xué)習(xí)主要分為四個(gè)階段：學(xué)生選擇所需工具與資源階段（準(zhǔn)備）、學(xué)生設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)探究方案（設(shè)計(jì)）、學(xué)生自主完成活動(dòng)任務(wù)階段（實(shí)施）、學(xué)生在探索中培養(yǎng)創(chuàng)新能力階段（改進(jìn)）、和鞏固和完善學(xué)生的認(rèn)知結(jié)構(gòu)階段（反思）。

3.3.1.教學(xué)目標(biāo)分析

STEM是科學(xué)（Science）、技術(shù)（Technology ）、工程（Engineering）和數(shù)學(xué)（Mathematics）四門學(xué)科的簡(jiǎn)稱，其強(qiáng)調(diào)學(xué)科間的交叉與融合，并形成有機(jī)整體，消除學(xué)科間存在的傳統(tǒng)學(xué)習(xí)障礙，鼓勵(lì)學(xué)生綜合運(yùn)用多學(xué)科知識(shí)，更好地培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)踐能力和創(chuàng)新精神。將STEM理念應(yīng)用于中學(xué)化學(xué)教學(xué)中，學(xué)生不僅可習(xí)得及掌握化學(xué)學(xué)科的知識(shí)與技能，還能感受到化學(xué)學(xué)科與真實(shí)世界建立的聯(lián)系，將化學(xué)教育與當(dāng)前的社會(huì)生產(chǎn)生活等緊密結(jié)合，充分理解化學(xué)與科學(xué)、技術(shù)、工程與數(shù)學(xué)之間的交互關(guān)系，為提升學(xué)生核心素養(yǎng)及全面發(fā)展打下堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

3.3.2.教學(xué)內(nèi)容及學(xué)情分析

《金屬的腐蝕與防護(hù)》是人教版《化學(xué)反應(yīng)原理》第四章第4節(jié)的內(nèi)容，在學(xué)習(xí)了電解池和原電池的知識(shí)之后，結(jié)合實(shí)際問(wèn)題對(duì)所學(xué)化學(xué)知識(shí)的應(yīng)用。教材主要介紹了金屬電化學(xué)腐蝕的本質(zhì)，影響金屬腐蝕的因素，簡(jiǎn)單介紹了金屬防腐的方法.學(xué)好本節(jié)將， 是對(duì)所學(xué)電知識(shí)的綜合靈活的運(yùn)用，對(duì)前面所學(xué)的電解和原電池的知識(shí)起到鞏固和提高的作用，。

由于本節(jié)內(nèi)容緊密聯(lián)系生活實(shí)際，學(xué)生有強(qiáng)烈的好奇心和求知欲，加上高二的學(xué)生已經(jīng)具備一定的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)觀察能力，以及比較歸納能力，所以學(xué)生具備主動(dòng)探究的原動(dòng)力。但學(xué)生對(duì)知識(shí)的學(xué)習(xí)只注重表面現(xiàn)象，缺乏生活經(jīng)驗(yàn)，缺乏一定的深入理解和綜合思維的能力，在高考復(fù)習(xí)和高考中仍然得分不高.

3.3.3教學(xué)設(shè)計(jì)思路

本節(jié)教學(xué)設(shè)計(jì)以“任務(wù)為主線，教師為主導(dǎo)、學(xué)生為主體”的教學(xué)方式呈現(xiàn)，教師在某一種教學(xué)情境下提出問(wèn)題，將STEM學(xué)科知識(shí)整合到某一化學(xué)核心任務(wù)中，學(xué)生以小組合作的方式運(yùn)用STEM四方面的知識(shí)思考、討論與交流，從而解決化學(xué)問(wèn)題，并最終獲得相應(yīng)的科學(xué)知識(shí)。學(xué)生在解決問(wèn)題的過(guò)程中，教師發(fā)揮指導(dǎo)、檢查、監(jiān)督、和評(píng)價(jià)作用。

在本節(jié)教學(xué)中，教師以學(xué)生查找生活中的金屬腐蝕現(xiàn)象為任務(wù)一，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣，引導(dǎo)學(xué)生主動(dòng)探究金屬腐蝕的本質(zhì)，同時(shí)根據(jù)調(diào)查全球金屬腐蝕的嚴(yán)峻事實(shí)及數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，認(rèn)識(shí)防止金屬腐蝕的重要意義。教師再以任務(wù)二：學(xué)生自主探究鋼鐵發(fā)生吸氧腐蝕和析氫腐蝕對(duì)比實(shí)驗(yàn)，學(xué)會(huì)設(shè)計(jì)控制單一變量進(jìn)行對(duì)比實(shí)驗(yàn)以及實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)進(jìn)行評(píng)價(jià)，得出金屬腐蝕的本質(zhì)、條件、原因和影響腐蝕速率的因素，從而知道利用原電池的原理--犧牲陽(yáng)極的陰極保護(hù)法的金屬的防護(hù)方法，最后通過(guò)親自模擬海水中的船的保護(hù)實(shí)驗(yàn)加深原理的認(rèn)識(shí)。教師再以任務(wù)三：學(xué)生自主查找展示金屬防腐的方法，并用原電池和電解池的原理解釋.最后，以任務(wù)四：課后延伸與拓展作業(yè)：將本小組設(shè)計(jì)的各種實(shí)驗(yàn)方案整理并形成實(shí)驗(yàn)小論文，形成研究性小論文并進(jìn)行答辯，從而學(xué)以致用，拓展知識(shí)，鞏固電化學(xué)的原理。

3.3.4.實(shí)施教學(xué)過(guò)程

【任務(wù)一】學(xué)生分組查找并展示生活中的金屬腐蝕現(xiàn)象，激發(fā)學(xué)習(xí)的興趣，引導(dǎo)主動(dòng)探究金屬腐蝕的本質(zhì)，同時(shí)根據(jù)調(diào)查全球金屬腐蝕的嚴(yán)峻事實(shí)及數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，認(rèn)識(shí)防止金屬腐蝕的重要意義。

【任務(wù)二】學(xué)生分組實(shí)驗(yàn)探究并展示實(shí)驗(yàn)結(jié)論：鐵釘腐蝕的實(shí)驗(yàn)探究

實(shí)驗(yàn)用品：鐵釘、煮沸過(guò)的水（除O2）、干燥劑（CaCl2）、植物油、試管、橡膠塞，還有食鹽溶液和醋酸溶液。可以設(shè)計(jì)出至少五種實(shí)驗(yàn)方案來(lái)探究鐵釘在什么條件下會(huì)銹蝕，什么條件下銹蝕的速度會(huì)加快。

【動(dòng)畫模擬】探討回憶原電池的原理，指出鐵釘其實(shí)是鐵碳合金，含2～4%的碳，這樣就組成了鐵碳原電池，動(dòng)畫模擬討論鐵碳在酸性條件下和中性及弱酸性條件下的反應(yīng)。

實(shí)驗(yàn)探究：鋼鐵的析氫腐蝕和吸氧腐蝕。

負(fù)極（Fe）：Fe - 2e- = Fe2+

正極 （C）：2H++2e-=H2↑（析氫腐蝕）

2H2O + O2 + 4e- = 4OH-（吸氧腐蝕）

鐵銹的生成：Fe2+ + 2OH- = Fe（OH）2↓

4Fe（OH）2 + 2H2O + O2 = 4Fe（OH）3

生成的Fe（OH）3，失水生成Fe2O3·xH2O就是鐵銹 。

【模擬試驗(yàn)】模擬海水中的船的保護(hù)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，深入掌握原電池的原理--犧牲陽(yáng)極的陰極保護(hù)法的金屬的防護(hù)方法在生活中的應(yīng)用。

【 任務(wù)三】學(xué)生自主查找并展示金屬防腐的方法，并用原電池和電解池的原理解釋，學(xué)以致用，拓展知識(shí)，鞏固電化學(xué)的原理。

【 任務(wù)四】課后延伸與拓展作業(yè)：將本小組設(shè)計(jì)的各種實(shí)驗(yàn)方案整理并形成實(shí)驗(yàn)小論文，形成研究性小論文并進(jìn)行答辯。

【課堂小結(jié)】這節(jié)課我們通過(guò)試驗(yàn)探究了金屬腐蝕的本質(zhì)、條件、原因和影響腐蝕速率的因素，其中需要注意的是，金屬的腐蝕有化學(xué)腐蝕和電化學(xué)腐蝕兩種，但是以電化學(xué)腐蝕為主，電化學(xué)腐蝕又包括吸氫腐蝕和吸氧腐蝕兩種。同時(shí)又了解了基本的幾種金屬防護(hù)的方法，學(xué)會(huì)用書本知識(shí)去解決實(shí)際生活問(wèn)題。

3.3.5.教學(xué)反思

本節(jié)課我打破常規(guī)，大膽融入STEM理念，以項(xiàng)目實(shí)踐為載體，以任務(wù)模式讓學(xué)生先自學(xué)，并通過(guò)探究學(xué)習(xí)去掌握相關(guān)的概念和技能，并嘗試去解決真實(shí)世界中的問(wèn)題，再傳承傳統(tǒng)教學(xué)，進(jìn)行動(dòng)畫模擬和模擬試驗(yàn)，解決了金屬腐蝕的相關(guān)問(wèn)題，獨(dú)立思考與討論相結(jié)合，培養(yǎng)學(xué)生的思維能力和實(shí)驗(yàn)探究合作意識(shí)、創(chuàng)新能力。然后利用電化學(xué)知識(shí)對(duì)金屬進(jìn)行防護(hù)是電化學(xué)知識(shí)的綜合應(yīng)用，讓學(xué)生自主學(xué)習(xí)金屬腐蝕措施的選擇和設(shè)計(jì)，促進(jìn)學(xué)生對(duì)電化學(xué)知識(shí)的深入理解，同時(shí)也會(huì)使學(xué)生在情感態(tài)度和價(jià)值觀方面體會(huì)化學(xué)的實(shí)用性，增加學(xué)習(xí)的興趣。本節(jié)的重要知識(shí)點(diǎn)有兩個(gè)：一是金屬的析氫腐蝕和吸氧腐蝕，二是犧牲陽(yáng)極保護(hù)法和陰極電保護(hù)法，教學(xué)中既融入了STEM理念，又傳承了傳統(tǒng)知識(shí)的教學(xué)，做到了“任務(wù)為主線，教師為主導(dǎo)、學(xué)生為主體”的教學(xué)方式呈現(xiàn)，教師在某一種教學(xué)情境下提出問(wèn)題，將STEM學(xué)科知識(shí)整合到某一化學(xué)核心任務(wù)中，學(xué)生以小組合作的方式運(yùn)用STEM四方面的知識(shí)思考、討論與交流，從而解決化學(xué)問(wèn)題，更好地培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)踐能力和創(chuàng)新精神，并最終獲得相應(yīng)的科學(xué)知識(shí)。學(xué)生在解決問(wèn)題的過(guò)程中，教師發(fā)揮指導(dǎo)、檢查、監(jiān)督、和評(píng)價(jià)作用，收到較好的教學(xué)效果。同時(shí)通過(guò)后延伸與拓展作業(yè)，將本小組設(shè)計(jì)的各種實(shí)驗(yàn)方案整理并形成實(shí)驗(yàn)小論文，形成研究性小論文并進(jìn)行答辯，形成研究性學(xué)習(xí)的校本課程。

4. 實(shí)施策略

4.1組建實(shí)驗(yàn)探究學(xué)習(xí)小組

學(xué)校高一、二在周五的第八節(jié)可以開(kāi)設(shè)化學(xué)實(shí)驗(yàn)探究，通過(guò)組織課題組成員學(xué)習(xí)與STEM課程相關(guān)的理論知識(shí)以及優(yōu)秀案例，制定研究計(jì)劃及方案，確定課題組日常工作的相關(guān)事宜。

4.2 基于問(wèn)題或者教材難點(diǎn)開(kāi)展研究

對(duì)有關(guān)高中化學(xué)STEM課程相關(guān)文獻(xiàn)資料進(jìn)行梳理、分析與研究，并通過(guò)研究歷年高考實(shí)驗(yàn)題和流程題，結(jié)合高中化學(xué)實(shí)驗(yàn)的教學(xué)情況，學(xué)生高考得分情況，結(jié)合我校化學(xué)課程教學(xué)中培養(yǎng)學(xué)生核心素養(yǎng)的實(shí)際情況以及現(xiàn)有條件，確定適合高中化學(xué)實(shí)驗(yàn)探究的STEM課程理念的應(yīng)用案例;其次，確定STEM課程理念在高中化學(xué)實(shí)驗(yàn)探究課中的應(yīng)用實(shí)施方案，讓師生都成為化學(xué)實(shí)驗(yàn)課堂的主動(dòng)參與者，拓展化學(xué)實(shí)驗(yàn)的教學(xué)，運(yùn)用建構(gòu)理論、積極心理學(xué)等理論，促進(jìn)核心素養(yǎng)提升。

4.3 綜合多種研究方法，形成便于應(yīng)用的研究成果

本研究采用行動(dòng)研究法、文獻(xiàn)分析法、案例分析法、問(wèn)卷調(diào)查法，以行動(dòng)研究法為主，通過(guò)一系列的研究去檢驗(yàn)STEM課程理念在高中化學(xué)實(shí)驗(yàn)探究課中的應(yīng)用研究效果，并形成可參考的STEM課程理念在高中化學(xué)實(shí)驗(yàn)探究課中的應(yīng)用實(shí)施方案，并匯編成可供參考的研究報(bào)告。

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