基于STEM理念的高中化學命題導向與教學改進

林海龍

摘 ? 要：選取STEM理念相關(guān)的化學試題作為落腳點，直觀分析化學試題考查指向、教育立意和發(fā)展趨勢，進而反饋化學教學，推動化學課堂教學改進，探究STEM理念的教學模式，以期提高高中化學的教學質(zhì)量。

關(guān)鍵詞：STEM教育；STEM立意；化學命題；教學改進

2014年，教育部發(fā)布的《關(guān)于普通高中學業(yè)水平考試的實施意見》指出：學業(yè)水平考試命題應緊密聯(lián)系社會實際與學生生活經(jīng)驗，在全面考核學生基礎(chǔ)知識和基本技能的基礎(chǔ)上，注重加強對能力的考查，促進高中改進教學，促進學生發(fā)展學科興趣與個性特長，健康成長。而隨著STEM教育在全球各地的迅速發(fā)展，基于化學學科的實驗探究和學科融合的特點，適合在化學教學中融入并運用STEM教育理念。融合科學、技術(shù)、數(shù)學、工程于一體的STEM教育，可有效依托真實生活情境，促使學生解決實際問題，幫助學生達成知識再現(xiàn)、內(nèi)容聯(lián)結(jié)、知識應用和鞏固。在以學生為發(fā)展主體的學科核心素養(yǎng)的導向下深化課程改革和課程評價，也推動了STEM立意的高中化學命題在課程評價中落地生根，且越發(fā)重要和關(guān)鍵。

本文以高中化學教學中的練習素材為基礎(chǔ)，選取與STEM結(jié)合相對密切的試題，綜合分析其考查指向、教育立意和發(fā)展趨勢，探尋高中化學教學的改進方向和策略。

1 ?基于STEM理念的高中化學命題導向

STEM立意的高中化學試題可以分布在選擇題、填空題、問答題、工業(yè)流程題、實驗探究題、綜合題等多種題型中，其中以選擇題，填空題、綜合題居多。該類化學試題滿足跨學科知識表征需要，可綜合考查學生獲取信息、原理遷移、邏輯推理、設(shè)計創(chuàng)造、概括表達等能力，便于設(shè)定分析評價指標，促進教學評一體化。

1.1 ?選擇題

例1 成語是中華民族燦爛文化的瑰寶，許多成語中蘊含豐富的化學原理，下列成語中涉及氧化還原反應的是（ ? ? ?）

A.木已成舟 B.蠟炬成灰 C.鐵杵成針 D.滴水成冰

【分析】 語文思維解決化學氧化還原問題，既要解讀成語內(nèi)容，又要明確氧化還原反應的特征是有元素化合價變化，屬于常識積累，進而可以判斷A、C、D均為物理變化，B屬于燃燒反應，氧氣從0價變成氧化物中的-2價，有價態(tài)變化，答案為B。

例2 ?南粵地區(qū)有很多國家級非物質(zhì)文化遺產(chǎn)，如廣東粵繡、剪紙、香云紗染整技藝和潮汕工夫茶藝等。下列說法不正確的是（ ? ?）

A. 制作粵繡的材料——植物纖維布含有天然高分子化合物；B. 廣東剪紙在其裁剪的過程中不涉及化學變化；C.香云紗染整技藝過程去除絲膠所用的“純堿水溶液”屬于純凈物；D.沖泡茶葉時，茶香四溢，說明分子是運動的。

【分析】 ?真實情境多學科思維解決實際生活問題，B選項剪紙涉及藝術(shù)（Art），剪裁紙片為物理變化，B正確；D選項以茶文化為背景，考查化學及物理中分子熱運動知識，D正確。A、C涉及輕工業(yè)，化學與生活密切聯(lián)系，激發(fā)學生對化學學科的社會認可度。經(jīng)分析，溶液屬于混合物，非純凈物，考查物質(zhì)分類，錯誤的為C。

例3 ?CuCl2溶液呈黃綠色，主要原因是溶液中存在黃綠色的[CuCl4]2-。現(xiàn)有深藍色的[Cu（NH3）4]SO4溶液，向其中加入少量的濃鹽酸，得到綠色溶液，則該綠色溶液中主要存在的離子是（ ? ）

正確選項：[Cu（H2O）4] 2+、[CuCl4]2-、NH4+、SO42-。

【分析】 ?該題為化學與物理、美學相結(jié)合的題目，首先利用配位化學，分析濃鹽酸的加入，會將[Cu（NH3）4] 2+中的NH3消耗，進而Cu2+與Cl-配位形成黃色的[CuCl4]2-，Cu2+與H2O結(jié)合形成藍色的[Cu（H2O）4] 2+，再根據(jù)物理或美術(shù)中的三原色，黃藍混合形成綠色溶液，可選出正確選項。該題雖沒有明顯的STEM立意，卻也恰到好處的實現(xiàn)跨學科知識的交叉考察，同時將化學實驗生動地在文字中呈現(xiàn)，加以美學、物理等多元色彩，無形中增加題目的趣味性，將科學的魅力盡可能展示，考察的形式在選擇的基礎(chǔ)上還具備探究性，在思考的維度上也有一定深度，符合STEM的內(nèi)涵，也是STEM立意化學試題的考察方向。

1.2 ?填空題

外出旅行時，有一種“即食即熱型快餐”非常便攜方便。該快餐的內(nèi)層是鋁箔包裹的并加工好的真空包裝食品，外層則為分開包裝的兩袋化學物質(zhì)，在使用時只需拉動預留在外的拉線，就可以使得兩袋物質(zhì)發(fā)生反應，對食物進行加熱，完成自熱過程。

（1）“兩包化學物質(zhì)”你認為是哪一組？

A.生石灰和水 ?B.Ba（OH）2·8H2O與氯化銨晶體

（2）寫出生石灰和水的化學反應方程式： ? ? ? ? ；反應物的總能量 ? ? ?生成物總能量（填“大于”“等于”“小于”），你能用反應過程與能量變化關(guān)系示意圖來表示嗎？該反應屬于化合反應，那么化合反應一定是放熱反應嗎？

（3）為什么生石灰和水反應會伴隨能量變化？

【分析】 ?本題選取學生熟悉的生活實例“自熱快餐”作為情境背景，考察學生對吸放熱反應原理的理解、解釋與運用。（1）中A為放熱反應，B為吸熱反應，對比發(fā)現(xiàn)自熱快餐需要的能量來源于A。題目巧妙地涉及社會民生食品問題，又普及化學科技，且在題目（2）設(shè)置時還讓學生運用數(shù)學思維，采取圖示表示能量變化，構(gòu)建STEM解題框架。該類試題可以在題目信息中強調(diào)化學在生活生產(chǎn)中發(fā)揮的作用，有利于學生更為深刻地去理解化學與生活技術(shù)之間的關(guān)系，培養(yǎng)學生養(yǎng)成關(guān)心生活、學以致用的意識和能力。

1.3 ?綜合題

地質(zhì)學家曾于1911年在南極偶然發(fā)現(xiàn)了“血瀑布”，這條宛如鮮血般紅色的瀑布經(jīng)泰勒冰川流入麥克默多干河谷，當時地質(zhì)學家認為瀑布里的“血液”是被紅藻染紅了，后來被證實“血瀑布”形成的原因與化學息息相關(guān)。原來，瀑布液體中富含鐵元素，當鐵元素接觸到空氣之后，會迅速被氧化為氧化鐵，就變成了我們所看到的血紅色。

（1）Fe3O4可以看成FeO·Fe2O3，屬于_______（填“純凈物”或“混合物”），寫出其于鹽酸反應的離子方程式____________________ 。

【分析】 ?從地理范疇科普化學常識，題目以“血瀑布”為背景展開對鐵元素知識的考察，涉及范圍由宏觀現(xiàn)象推及微觀反應，考察Fe3O4物質(zhì)類別的同時還要求學生書寫離子方程式，一題涉及多學科知識，在接下來的系列問題中實現(xiàn)多種考察角度，既可以加深題目深度，拓寬題目寬度，又可以多方面評價學生思維，題目的科學性躍然紙上。

（2）含鐵元素的高鐵酸鹽在能源和環(huán)保等方面有著廣泛的用途。

I 高鐵酸鉀（K2FeO4）在日常生活生產(chǎn)中是一種理想的水處理劑，并且高鐵電池的科學研究也在進行中，圖1為高鐵電池的模擬實驗裝置。

①該電池放電時正極的電極反應式為_____________ ? ? ? ；若該電池維持電流強度為1A，工作時間為10 min，理論上電池消耗Zn的質(zhì)量為_______g（已知F=96500 C／mol）。

②鹽橋里面是盛有飽和KC1溶液瓊脂，在該鹽橋中Cl-向_____________ ? ? ?移動（填“左”或“右”）；如果改用陽離子交換膜代替鹽橋進行實驗，則K+向_____________ ?移動（填“左”或“右”）。

【分析】：題目設(shè)置再次實現(xiàn)跨學科知識交叉考察。題干涉及電池科技，說明化學科技在社會發(fā)展中的重要作用，考察電化學內(nèi)容，其中包括電極反應式和離子在溶液中的移動方向，同時涉及物理電流計算，數(shù)學思維、物理思維關(guān)聯(lián)化學反應中電子轉(zhuǎn)移，再一次將STEM立意貫穿題目之中，綜合性相對較強，難度也增加了一些。

③圖2為高鐵電池和生活中常用的高能堿性電池的放電曲線，由此可得出高鐵電池的優(yōu)點有_______ 。

【分析】 ?用數(shù)學坐標軸對比呈現(xiàn)高鐵電池“放電時間長、放電電壓穩(wěn)定”的優(yōu)點，直觀明了，將科技帶來的生活便利進一步體現(xiàn)，STEM立意明顯。

Ⅱ 在工業(yè)生產(chǎn)中濕法制備K2FeO4的工藝流程見圖3：

④請完成“氧化”過程中反應的化學方程式：

_____________FeCl3 +________NaOH +________NaClO

=________Na2FeO4 + ________NaCl +________H2O，

其中氧化劑是__________________________ ?（填化學式）。

⑤該工藝流程中加入飽和KOH溶液的目的是_____________。

⑥已知25℃時Fe（OH）3的溶度積Ksp為4.0×10-38，此溫度下若在實驗室中配制5 mol/L l00 mL FeCl3溶液，為使配制過程中不出現(xiàn)渾濁現(xiàn)象，則至少需要加入________mL 2 mol/L的鹽酸（加入鹽酸的體積忽略）。

【分析】 ?化學的工藝流程圖其實在一定程度上運用的是工程的思想，除了解其中工藝步驟外，還滲透著技術(shù)問題和工業(yè)問題，每一道題目的設(shè)置都可以作為加深學生化學認可度的落腳點。通過流程圖示，考察氧化還原反應的配平，要求學生理解氧化還原反應的本質(zhì)，明確FeCl3為還原劑，F(xiàn)e從+3價變化為Na2FeO4中的+6價，NaClO為氧化劑，Cl從+1價變化為NaCl中的-1價，并運用數(shù)學思維使其變價元素升降價總數(shù)相等，則可輕松得到配平系數(shù)，分別為：2、10、3、2、9、5。還利用物質(zhì)溶解度、沉淀物溶度積以及配制溶液的實驗操作等進行知識遷移，得出后兩空的答案分別為：增大K+濃度，促進高鐵酸鉀晶體析出；2.5。縱觀整道題，其STME立意實現(xiàn)了跨學科、多思維考察學生的意圖，有一定的難度，卻也適合多層次學生完成。此類型題目也具有非常足的生活氣息，應該會成為STEM立意化學綜合題的出題趨勢。

基于對STEM理念命題的化學試題進行分析，不難發(fā)現(xiàn)，該類試題方便在一個考題中呈現(xiàn)多個知識點，且考點可以整合在一個真實客觀的情境中，可單一知識點出現(xiàn)，也可整體以非連續(xù)性的文本信息連貫地考查多個分散的內(nèi)容。考題靈活多樣，設(shè)問形式寬泛，呈現(xiàn)樣式多種（表格、坐標系、函數(shù)、圖像、古文表達等），且能夠多學科交叉，難度可高可低。在近年來STEM理念命題的化學試題呈現(xiàn)出了增長的趨勢，命題總體也明顯向高階思維、高層次“統(tǒng)整”發(fā)展，說明STEM理論在教育發(fā)展中會逐漸成熟，也符合STEM教育政策的推進和實施。

STEM立意的化學試題，通常涉及生活常識，例如古詩詞、酒文化等，有利于弘揚中華傳統(tǒng)文化，提高學生文化自信；呈現(xiàn)高新技術(shù)，例如以航空、新能源等為背景，增強學生學科認同感；巧用社會話題，設(shè)計多維度問題，促使學生聚焦基礎(chǔ)知識，進而分散思維，全面發(fā)展。在化學核心素養(yǎng)的導向下，命題在STEM的基礎(chǔ)上，可以說是實現(xiàn)了學科評價與教育功能的統(tǒng)一。

2 ?基于STEM理念的高中化學教學改進

2.1 ?明晰題型，熟悉STME化學問題的來源背景

STME問題的設(shè)置，很多時候是將跨學科的事實、概念和原理用真實情境串聯(lián)起來，最終呈現(xiàn)不同的題型供學生聯(lián)系生活，思考解決。明晰題型，積累基礎(chǔ)知識點，統(tǒng)籌構(gòu)建多學科常識框架是順利解決此類問題的前提，而問題的解決也可以進一步促進學生對化學知識的深度理解和鞏固應用。

從STEM立意的化學綜合題也可以看出，化學教學需要探尋更適合當今教育發(fā)展的教學手段和方式。正在推進的項目式學習、教學評一體化、基于單元整體的教學設(shè)計等先進的教學方式與STME理念在教書育人方面有很多不謀而合的契合點。化學教育工作者可以從以上方向努力，同時也可以在學習探索教學模式的基礎(chǔ)上多挖掘STME立意的化學試題，并將試題在日常課程教學中加以運用，不失為教學相長、改進教學的新嘗試。

2.2 ?創(chuàng)設(shè)情境，體會STEM化學問題的解析過程

以真實情境作為背景進行教學設(shè)計，可有效揭示科學現(xiàn)象的矛盾，在遇到STEM立意的化學問題時引發(fā)學生內(nèi)心的認知沖突，打破學生已經(jīng)建立的知識結(jié)構(gòu)平衡，促使學生在遇到相應問題對腦海中的經(jīng)驗儲備和常識積累進行深度消化，激發(fā)學生學習內(nèi)驅(qū)力，完成核心素養(yǎng)的培養(yǎng)。

案例1 “碳酸鈉和碳酸氫鈉的性質(zhì)——從發(fā)酵粉說Na2CO3和NaHCO3”的教學設(shè)計。

任務(wù)：做饅頭需要加入發(fā)酵粉，而發(fā)酵粉的主要成分是什么，請查找資料并做記錄。

問題：

①發(fā)酵粉主要成分為NaHCO3，為何不選擇Na2CO3？

②可能NaHCO3和Na2CO3的堿性有差別，學生進行探究。

③發(fā)酵粉除了有碳酸氫鈉還有酒石酸→可能NaHCO3和Na2CO3分別與酸的反應結(jié)果不同，學生進行探究。

④蒸饅頭，饅頭會膨脹→可能NaHCO3與Na2CO3的熱穩(wěn)定性不同，學生進行探究。

⑤NaHCO3與Na2CO3如何相互轉(zhuǎn)化？如何鑒別？

⑥結(jié)合NaHCO3的性質(zhì)，設(shè)計“龍膽復方碳酸氫鈉片”的使用說明書。

【設(shè)計意圖】 ?學生在真實情境的STME問題探究中，先進行假設(shè)，再實驗驗證，若事實不符，則推翻前面的假設(shè)重新進行新的假設(shè)，再進一步驗證，最終得到結(jié)論。探究過程中，存在認知沖突，且關(guān)聯(lián)生活，對廚房中的化學、課堂中的知識、實驗中的技能、探究中的流程等強化交錯，綜合性的遷移應用解決實際問題，幫助學生輕松地將NaHCO3與Na2CO3兩者的性質(zhì)進行記憶和比較，完成教學目標。問題由生活到理論，由簡單到復雜，一步一步推翻假設(shè)，在矛盾升級中實現(xiàn)問題升級，引發(fā)學生對問題的深層次思考，最后由理論回歸生活，將復雜問題理論化簡單化。

2.3 ?項目學習，進階STEM化學問題的自主解決

在STEM立意的化學試題的啟發(fā)下，不難發(fā)現(xiàn)，推動學生進行項目式研究性學習，能夠巧妙地將“真實生活情境、關(guān)鍵實際問題、設(shè)計實施和改進方案、形成理論和產(chǎn)品”的多種要素與化學教學的課程性質(zhì)、實施過程、評價方法和教育功能相匹配。在學生層面，有利于學生在遇到STME化學問題時的自主解決；在教育工作者層面，則是完成核心素養(yǎng)教育的新嘗試和新手段，也許能得到意想不到的優(yōu)質(zhì)的教育效果。

案例2 “生活中常見的有機物——乙醇”教學設(shè)計。

主題：乙醇的性質(zhì)和用途。

任務(wù)：圍繞乙醇，查詢資料，提出問題，解決問題。

①乙醇有什么相關(guān)古詩詞和典故？

②乙醇有什么用途？

③人喝酒為什么會臉紅？酒駕如何檢驗？

④乙醇為什么能和水以任意比例互溶？

⑤乙醇有什么樣的結(jié)構(gòu)特點？

⑥工業(yè)上如何制造酒精？無水乙醇怎么獲取？

【設(shè)計意圖】 ?項目式圍繞乙醇，學生自主提出疑問，并展開學習，完成任務(wù)。任務(wù)過程中，涉及多學科思維，配以科學、技術(shù)、數(shù)學、工程等任務(wù)驅(qū)動知識，可順利引導學生掌握“乙醇的結(jié)構(gòu)、性質(zhì)、用途”等基礎(chǔ)知識點，構(gòu)建并關(guān)聯(lián)STEM模型，促使師生教學相長。