基于STEM 教育理念的高中電化學知識教學設計

付峻鋒

（天水師范學院化學工程與技術學院，甘肅 天水 741000）

STEM 是基于科學（Science）、技術（Technology）、工程（Engineering）和數學（Mathematics）等多學科的一種新的教育模式，目的是提升學生學習及應用的綜合能力，STEM 是全球發展在教育中的反映[1]。隨著互聯網、人工智能等現代技術的高速發展，我國需要更多科技、工程及數學等方面的綜合性、創新型人才。教育實踐證明，STEM 教育有助于培養學生未來所需的技能和思維能力。陳麗東[2]認為，探究教學研究表明，完全探究活動有利于培養學生的探究能力，部分探究活動則適合于學習概念、原理和規律；探究性教學作為培養學生科學素養的最有效的教學模式之一，不僅是時代發展的需求，科學教育的需求，更是學生發展的需求。傅騫[3]等認為，STEM 教育作為一種教學策略，能夠通過基于設計的學習、基于項目的學習和探究性學習等方式，培養學習者解決實際問題的能力。為了更好地將STEM教育融入教學，培養學生的創新思維能力，本文探究了將STEM 教育融入高中電化學教學。

1 STEM 教育理論

STEM 教育主要以建構主義理論為基礎，其認為學生所學的知識不是直接通過教師傳授而得，而是學生在一定的社會文化背景中通過教師及同伴給予的幫助，利用身邊必要的學習資料，通過進行意義建構的方式而獲得的[4]。在STEM 教育活動中，教師要引導學生構建起自己的思維模式，提升學生獨立解決問題的能力。STEM 教育還強調學生在已有知識基礎上的再次建構，強調學生在學習時應打好基礎，以便在新知識的學習中能更好地轉化知識。因此，STEM教育雖然涉及領域較多，但其關注的重點是學生在學習過程中對知識的理解性建構，這與建構主義理論闡述的學習思想頗為相似。

2 高中電化學知識在高考中的重要性

電化學是2019 版普通高中教科書化學（選擇性必修1）化學反應原理的教學內容。根據新高考改革的趨勢，目前學生選擇最多的理科組合科目仍然為（物理+化學+生物）。（物理+化學+生物）組合更有利于學生對大學專業和就業方向的選擇。因此，此部分內容盡管安排在選擇性必修課本中，但卻非常重要。普通高中化學課程標準（2017 年版2020 年修訂）選擇性必修模塊主題1 中也明確了對化學反應與電能的教學要求及學業要求，由此可見，電化學及實驗的重要性。

作者對近五年高考全國卷中的電化學知識試題進行了統計，結果見表1。

表1 2017～2021 年全國卷電化學知識試題統計

由表1 可知：在2017～2021 年的高考化學試卷中都出現了考查電化學知識點的試題，且該試題在試卷中出現的位置較為固定，主要在試卷的選擇題部分，填空題中個別年份會出現一小問，2020 年全國Ⅰ卷和全國Ⅱ卷將考查的電化學知識設置成一個整題，試題的分值也較為固定。所有試題的情景設置都與生產生活緊密聯系，如，在疫情暴發期間使用的消毒劑就可以用簡易的設備在家自己制備，體現了電化學知識在生活中的重要性。用STSE 教育理念命題。STSE教育理念，即“綜合地看待科學、技術、社會與環境發展相互影響的問題，正確認識科學與技術的區別和聯系，認識科學技術的社會化問題，合理協調科學、技術與社會、環境之間的關系，使科學、技術與社會、環境四者協調發展[5]。”電化學試題可以歸屬于STSE 中的T（Technology）即化學與技術。

由此可見，高考電化學試題設計的STSE 理念與STEM 教育理念有相同之處，為STEM 教育理念融入電化學教學打下了基礎。

3 “制作簡單電池”的STEM 課程教學設計

3.1 教學分析

（1）學生能力分析。此次教學對象為高二年級學生，通過初三和高一年級化學知識的學習，學生已掌握化學基礎知識和基本計算的技能。在上本節課前，學生已學習了物質的量的計算和氧化還原反應，具備了一定的觀察能力及化學實驗動手能力，為本節乃至整章的教學打下了基礎。

（2）教學內容分析。以“簡單原電池的制作”為例對原電池進行教學。原電池是選擇性必修1 第四章化學反應與電能第一節的內容。本節課基于STEM 教育理念設計了演示實驗和小組實驗，讓學生在教師的引導下整合科學、技術、工程及數學方面的知識，以小組為單位進行實驗操作。教學中教師帶領學生回顧與本節課相關的知識點及基本計算，使學生在學習中能有效關聯相關知識點。

3.2 教學設計

基于教學分析，將STEM教育理念融入“簡單原電池的制作”教學。在演示實驗中，教師積極引導學生，激發學生興趣，發揮學生主體性。在做演示實驗時，教師適時提問，引導學生在已有知識的基礎上進行知識的建構及遷移。整節課以演示實驗為輔，學生動手為主。保留足夠時間讓學生通過小組實驗親自動手體驗，更好地理解知識。學生通過實驗，逆向回顧并總結本節課所學的知識點，教師根據學生的總結進行更正和補充。

（1）STEM 教學目標定位。STEM 教學不僅要發揮自身的特點，更要結合普通高中化學課程標準培養學生的化學學科核心素養，全方位提升學生能力（見表2）。

表2 “簡單原電池的制作” STEM教學目標及應培養的核心素養

（2）實驗活動設計。以“簡單原電池的制作”對原電池理論進行教學，讓學生了解原電池的構造，以設計、實踐、完善裝置、觀察總結和小組實驗五部分開展教學。學生5～6 人一組，分工明確，具體活動設計見表3。

表3 活動設計表

3.3 學生學習評價

采用教師評價和學生互評相結合的方式進行。通過綜合評價學習小組評出表現最優的同學，班級評出最優小組，并進行獎勵。評價標準：（1）反應快。能快速聯系已有知識，并根據已有知識作出相應判斷。（2）動手能力強。能搭建原電池裝置，能觀察到靈敏電流計指針偏轉，用時最短。（3）計算用時最短。能運用電子轉移數計算相應物質的量。采用綜合評價提高了學生的學習積極性，培養了學生合作學習的意識，構建了良好的師生關系和課堂氛圍。

3.4 實踐過程

情景導入：同學們，在生活中我們常常會用到各式各樣的電池，但同學們了解電池工作的原理和構造嗎？接下來讓老師帶領大家一起走進電池的世界一探究竟。（T 表示教師，S 表示學生）

T：同學們，請注意觀察老師手中電池的內部構造，再結合物理知識思考，如何將電池聯結成一個完整的電路。

T：在本節課前，同學們已經學習了氧化還原反應，已經能夠辨別氧化還原反應及書寫氧化還原反應方程式。在此基礎上，我們一起來做原電池的制作實驗。

T：首先同學們觀察一下，桌上所準備的實驗儀器和藥品有哪些？

S：活動性順序不同的金屬條；燒杯；稀H2SO4溶液；靈敏電流計；導線。

T：接下來老師帶領大家觀察原電池的構成。在電路中怎樣才能產生電流？

S：電路中需要有電源并構成閉合回路。

T：現在老師拿出兩根金屬條，插入裝有0.1 mol/L稀H2SO4的大燒杯中，并用導線將兩根金屬條與靈敏電流計連接，觀察靈敏電流計指針是否轉動？

S：靈敏電流計沒有轉動。老師這是為什么呢？

T：同學們觀察兩根金屬條有什么特征？

S：兩根金屬條是相同的金屬條。

T：接下來老師換一根金屬條，再觀察靈敏電流計指針是否偏轉。

S：靈敏電流計指針偏轉，老師這是為什么呢？

T：同學們觀察一下兩根金屬條有何不同？是的，兩根金屬不同，金屬的活動性順序也不同。同學們能否將金屬活動性順序排序呢？

S：Zn>H>Cu

T：靈敏電流計偏轉是有電子流動，即有電流。同學們思考一下在體系中發生了什么反應使得電子發生了流動？請小組討論，并寫出相關反應方程式。

S：2H++2e-=H2↑ Zn-2e-=Zn2+

T：通過電極反應方程式可以判斷原電池的正、負極。負極發生氧化反應，正極發生還原反應。將電極反應方程式組合可以得到此原電池的離子反應方程式Zn+2H+=Zn2++H2↑

T：通過以上實驗請同學們總結組成原電池的基本條件？小組討論并推選代表發言，小組其他成員可補充發言。

S：兩種金屬活動性不同的金屬或一種金屬和另一種非金屬導體；電解質溶液；氧化還原反應能自發進行；形成閉合回路。

T：整個過程消耗的Zn 的量是多少？產生了多少量的H2？如果通過了4 mol電子需消耗多少質量的Zn，產生多少體積的H2（標準狀態下）？

S：通過4 mol 電子，需消耗2 mol Zn，根據公式n=m/M，代入M，可以得出Zn 的質量。

通過4 mol 電子，產生2 mol H2，根據公式n=V/Vm，代入Vm，可以得出H2的體積。

T：接下來，請同學們運用實驗桌上的儀器和藥品搭建原電池裝置。看哪一組完成得最好、最快，且能使靈敏電流計指針轉動。

T：根據實驗情況師生共同評出表現最好的小組，各小組評選表現最好的同學，并給予獎勵。

T：復習鞏固本節課所學知識及實驗操作，布置作業。實驗結束后學生清洗、整理儀器，打掃實驗室。

3.5 教師及學生對STEM 教學的反饋

教師反饋：（1）需要教師具備一定的STEM教學技能；（2）在進行教學設計時教師需要考慮課程內容與STEM 教育理念的結合。深圳市、江蘇省已開始建設STEM特色課程，而西部地區建設較為緩慢，大部分高中教師對STEM 教育理念還處于認知中，部分青年教師開始從理論認知走向教學實踐，但在實踐中仍然缺乏經驗。

學生反饋：（1）STEM 教學課堂氛圍更加活躍，學生真正成為課堂的主體，參與度大大提高。（2）STEM教學通過實驗方式讓學生理解了書本中晦澀難懂的知識，減少了學生課后投入的時間，學生對STEM 課堂教學更為喜愛。

4 結語

作者將STEM 教育理念嵌入“電化學”知識教學，獲得了良好的教學效果。在開展STEM 教學時教師還應積極進行自我評價，黃家群提出，教師只有對自己的教學經常進行有意識的積累和反思，才能較快地提高自身的教學能力，促進教學水平的提高[6]。教師要積極將STEM 教育理念融入教學，促進學生知識體系的自主建構，促進學生學習能力的提高。