基于STEM理念的高中化學(xué)項目化學(xué)習研究

【摘要】為順應(yīng)課程改革的需要，進一步提高高中化學(xué)教學(xué)效率，文章以STEM理念為核心，首先介紹了該教育理念的內(nèi)涵和特點，其次指出基于STEM理念的高中化學(xué)項目化教學(xué)流程，最后以“簡單燃料電池的制作與原理循證”為例，詳細闡述了項目化學(xué)習的實施方法。研究表明，將STEM理念融入高中化學(xué)項目化學(xué)習中，能深化學(xué)生對于化學(xué)知識的理解，有利于培養(yǎng)學(xué)生的綜合素養(yǎng)。

【關(guān)鍵詞】高中化學(xué)；項目化學(xué)習；STEM理念；特點；流程；方法

【中圖分類號】G633.8【文獻標志碼】A【文章編號】1004—0463（2024）15—0068—04

新課標指出，要注重培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識和能力，促進學(xué)生科學(xué)素養(yǎng)的發(fā)展。新課改要求教師合理組織教學(xué)內(nèi)容，尤其重視跨學(xué)科主題的選擇，加強化學(xué)與其他學(xué)科之間的聯(lián)系，以拓寬學(xué)生的視野和思路。新形勢下，STEM理念在我國教育領(lǐng)域得到推廣應(yīng)用，既符合新課程改革的相關(guān)要求，又利于培養(yǎng)學(xué)生的核心素養(yǎng)，促進學(xué)生全面發(fā)展[1]。以下結(jié)合筆者實踐，探討STEM理念在高中化學(xué)項目化學(xué)習活動中的應(yīng)用。

一、STEM教育理念的內(nèi)涵和特點

（一）STEM教育理念的內(nèi)涵

STEM指的是科學(xué)、技術(shù)、工程和數(shù)學(xué)這4門學(xué)科，STEM教育理念是一種重視實踐的跨學(xué)科教育理念。該教育理念認為單一技能的運用無法支撐起未來人才發(fā)展的需求，教學(xué)過程中打破學(xué)科界限才能培養(yǎng)出綜合型人才。筆者認為，STEM理念是一種基于問題和項目的教學(xué)策略，通過創(chuàng)設(shè)真實情境，采取體驗式、探究式、項目式教學(xué)方法，培養(yǎng)學(xué)生的解決問題能力和創(chuàng)新能力。

（二）STEM教育理念的特點

1.綜合性。我國教育工作在改革推進中，分科教學(xué)模式凸顯出諸多弊端，STEM教育理念剛好是有效的解決策略。該教育理念的綜合性，體現(xiàn)在教學(xué)過程中淡化甚至消除不同學(xué)科的界限，學(xué)生學(xué)習化學(xué)知識的同時，和科學(xué)、技術(shù)、工程、數(shù)學(xué)等學(xué)習知識聯(lián)系起來，進而更好地解決實際問題，培養(yǎng)學(xué)生的綜合能力。

2.情境性。基于STEM教育理念，教師的教學(xué)活動不僅為學(xué)生傳授知識，還要引導(dǎo)學(xué)生運用知識解決現(xiàn)實問題，達到知識內(nèi)化與遷移運用的效果。STEM教育理念的情境性，要求教師講授化學(xué)知識時創(chuàng)設(shè)真實情境，促使學(xué)生全身心投入其中，通過自主探究或小組合作解決預(yù)設(shè)的問題。

3.體驗性。STEM教育理念要求學(xué)生掌握知識的同時，能動手操作、動口交流、動腦思考，調(diào)動多個感官更好地參與到學(xué)習活動中[2]。化學(xué)知識與實際生活密切相關(guān)，基于STEM教育理念，教師應(yīng)設(shè)計豐富的項目活動，而不是局限于教材和課堂，讓學(xué)生放飛思維，在參與、體驗的過程中獲得化學(xué)知識，促進綜合能力的提升。

4.合作性。STEM教育理念還應(yīng)加強師生之間、生生之間的交流互動，鼓勵學(xué)生開展合作學(xué)習。尤其針對部分抽象性、復(fù)雜性的化學(xué)知識或?qū)嶒灒瑔渭円揽繉W(xué)生個人力量學(xué)習起來有困難，STEM教育理念突出教師的指導(dǎo)作用、同學(xué)的輔助作用，在合作學(xué)習中明確每個成員的責任和分工，在思想碰撞中構(gòu)建化學(xué)知識體系，提高學(xué)習效果。

二、基于STEM教育理念的高中化學(xué)項目化教學(xué)流程

基于STEM教育理念形成了多種教學(xué)方法，例如5E教學(xué)法、項目教學(xué)法、情境教學(xué)法等[3]。其中，項目教學(xué)法與STEM教育理念最為接近，主張設(shè)置真實的項目任務(wù)，讓學(xué)生在做中學(xué)，教師給予必要的引導(dǎo)，最終學(xué)生掌握知識、收獲成果，并且培養(yǎng)學(xué)生的交流合作、批判思維、實踐探究等能力。STEM教育理念下，高中化學(xué)項目化教學(xué)流程是選擇項目→制訂計劃→活動探究→成果展示→評價總結(jié)，每個環(huán)節(jié)師生的活動內(nèi)容如下。

（一）選擇項目

教師根據(jù)教材內(nèi)容、教學(xué)目標、學(xué)生實際情況及發(fā)展需求，合理設(shè)計項目任務(wù)，向?qū)W生介紹項目情況，并指導(dǎo)學(xué)生選擇項目。學(xué)生根據(jù)自己的興趣和能力，自主選擇合適的項目，作為本次學(xué)習活動的主線。

（二）制訂計劃

教師根據(jù)項目情況提供指導(dǎo)材料、工具，明確研究方法，指導(dǎo)學(xué)生制訂項目活動計劃。學(xué)生則以小組為單位，確定組長和組員，明確各成員的職責和分工，協(xié)作制訂項目活動計劃，為后續(xù)活動開展打下基礎(chǔ)。

（三）活動探究

學(xué)生根據(jù)項目活動計劃進行自主探究和小組合作探究，大膽發(fā)言表達自己的想法和見解，在小組內(nèi)分析討論，找到解決問題的最佳方法，并最終完成作品。教師對整個探究活動進行組織和管理，控制好項目進度，引導(dǎo)學(xué)生正確思考，并為個別學(xué)生提供針對性幫助，以便學(xué)生生成高質(zhì)量的作品。

（四）成果展示

每個小組選擇代表匯報項目活動的實施情況，展示作品成果，如圖文展示、視頻展示、動畫演示等，并回答其他學(xué)生的提問，確保其他學(xué)生聽清弄懂。教師組織交流活動，確保各個小組有秩序地展示成果，并且總結(jié)學(xué)生提出的問題。

（五）評價總結(jié)

學(xué)生分享本次項目探究活動的體會和感悟，然后開展自我評價、小組成員評價和組間互評。教師組織評價活動，并總結(jié)本次活動，一方面指出成功經(jīng)驗和不足之處，為下一階段的教學(xué)改進提供支持；另一方面對表現(xiàn)優(yōu)良的小組、個人予以表揚，采取合適的獎勵措施。

三、“簡單燃料電池的制作與原理循證”項目化學(xué)習的實施方法

“簡單燃料電池的制作與原理循證”來源于“化學(xué)電源”章節(jié)，介紹了具有代表性的三大類電池的基本構(gòu)造、工作原理、性能和適用范圍，要求學(xué)生了解生活中常用的化學(xué)電源，正確區(qū)分一次電池、二次電池和燃料電池，會書寫化學(xué)電池的電極反應(yīng)式，培養(yǎng)學(xué)生觀察、分析、整理、歸納總結(jié)和探究能力，增強學(xué)生的環(huán)保意識。在STEM教育理念下，“簡單燃料電池的制作與原理循證”項目化學(xué)習的實施方法介紹如下。

（一）明確核心化學(xué)知識

課程標準中要求學(xué)生了解化學(xué)電源的工作原理，認識化學(xué)能與電能轉(zhuǎn)化的意義，制作簡單燃料電池是學(xué)生必須開展的實驗。從這一角度看，化學(xué)電源是高中化學(xué)的核心知識，而且實驗探究在教學(xué)活動中具有重要地位[4]。本節(jié)課程之前，學(xué)生已經(jīng)學(xué)習了氧化還原反應(yīng)、離子反應(yīng)、原電池等相關(guān)知識，但部分學(xué)生對于電極材料與反應(yīng)、離子導(dǎo)體、電子導(dǎo)體等基本知識存在認知上的偏差，分析電化學(xué)問題時缺少合理的思路。對此，開展項目化學(xué)習活動，能幫助學(xué)生深入理解原電池的工作原理，構(gòu)建完善的電化學(xué)認知模型，并運用所學(xué)知識解決電化學(xué)問題。

以探究氫氧燃料電池的工作原理為例，學(xué)習小組如此設(shè)計實驗過程：向三頸燒瓶內(nèi)注入0.5 mol/L的Na2SO4溶液，電極選用兩根石墨棒。先接通直流電源電解一段時間，再斷開電源生成的H2和O2組成燃料電池，驅(qū)動小風扇運行。使用氧氣傳感器測定電源正極附近O2濃度，使用pH計測定電源負極附近溶液中的H+濃度，結(jié)果顯示前者減小、后者增大。小組通過分析，判斷電源負極附近的H2失去電子成為H+，H+經(jīng)導(dǎo)線從負極流向正極，正極附近的O2獲得電子成為H2O，此時氫氧燃料電池產(chǎn)生電流，帶動小風扇轉(zhuǎn)動。學(xué)生在實驗操作中，觀察實驗現(xiàn)象、測定相關(guān)數(shù)據(jù)，在此基礎(chǔ)上推理分析，利于理解電化學(xué)系統(tǒng)的基本要素，從而掌握原電池的工作原理，形成正確的分析思路。

（二）不同學(xué)科交叉融合

本次項目化學(xué)習中，不僅包含多個化學(xué)知識，也涉及跨學(xué)科知識。其中，化學(xué)知識包括化學(xué)能與電能的相互轉(zhuǎn)化、氧化還原反應(yīng)、原電池的電極反應(yīng)及離子移動方向、原電池的基本要素等。跨學(xué)科知識包括：①物理方面的左手定則，用于判斷運動電荷所受的洛倫茲力。②技術(shù)方面，主要是實驗操作能力、檢測設(shè)備儀器的使用能力等。③數(shù)學(xué)方面的數(shù)據(jù)分析、圖表繪制，用于實驗數(shù)據(jù)的統(tǒng)計分析。④藝術(shù)方面，主要是實驗裝置的設(shè)計與審美。實踐操作內(nèi)容包括：制作簡單的燃料電池、創(chuàng)新設(shè)計實驗裝置、探究離子的移動方向、繪制原電池的認知模型圖等。學(xué)生在實驗探究中，結(jié)合物理學(xué)規(guī)律，運用檢測儀器設(shè)備，合理設(shè)計實驗裝置，采集數(shù)據(jù)并利用數(shù)學(xué)方法分析，通過跨學(xué)科交叉融合最終完成項目任務(wù)。

以探究金屬燃料電池中離子的移動方向為例，實驗方案如下：第一步，選擇1根鎂電極、1根石墨電極作為電極材料，在培養(yǎng)皿中間固定石墨電極，沿著內(nèi)壁固定鎂電極。第二步，將培養(yǎng)皿放置在一塊N極向上的環(huán)形磁鐵上，下方墊上白紙以便于觀察。第三步，向培養(yǎng)皿中加入一定量的飽和食鹽水，再滴入幾滴酚酞溶液，將2個電極用導(dǎo)線連接起來。學(xué)生會觀察到，石墨電極附近的溶液顏色從無色變?yōu)榧t色，且顏色逐漸加深，向外呈逆時針旋轉(zhuǎn)。利用左手定則，可知鎂-空氣電池中，電解質(zhì)溶液里的陽離子Mg2+向正極運動，陰離子OH-向負極運動。該實驗過程中，學(xué)生借助于左手定則明確鎂-空氣電池中離子的移動方向，實驗設(shè)計非常巧妙，不僅充分利用了相關(guān)知識點，而且實驗現(xiàn)象更加直觀。

（三）開展項目探究活動

項目化學(xué)習的關(guān)鍵環(huán)節(jié)是探究活動，教師要結(jié)合學(xué)生的認知能力和學(xué)習目標，提供必要的指導(dǎo)和幫助，讓學(xué)生以小組為單位，逐步開展資料查詢、方案設(shè)計、實驗探究、數(shù)據(jù)分析、交流評價等活動，整個探究活動是化學(xué)知識遷移運用、多學(xué)科知識相互融合的過程，最終實現(xiàn)預(yù)期學(xué)習目標。學(xué)生在探究活動中，通過小組合作完成各自的任務(wù)，可建立正確的電化學(xué)問題分析思路，如此學(xué)生既能掌握知識，又能培養(yǎng)能力。本次項目探究活動因?qū)W習內(nèi)容較多，需要分兩個課時完成，為保證探究過程合理有序，教師應(yīng)分解為多個項目任務(wù)，讓學(xué)生開展持續(xù)性、豐富性的學(xué)習活動，具體如下。

任務(wù)一：認識燃料電池，屬于項目選定環(huán)節(jié)，學(xué)生活動主要是列舉生活中常見的燃料電池和應(yīng)用場景，認識燃料電池的重要性。

任務(wù)二：利用生活物品制作簡單的燃料電池，屬于初步探究環(huán)節(jié)，學(xué)生活動包括兩個：一是結(jié)合已有知識體系和教材內(nèi)容，了解原電池的構(gòu)成要素和工作原理。二是設(shè)計實驗方案制作簡單的燃料電池，如氫氧燃料電池、鋁-空氣電池、鎂-空氣電池等。

任務(wù)三：探究氫氧燃料電池的工作原理，屬于深入探究環(huán)節(jié)，學(xué)生活動包括兩個：一是合理設(shè)計實驗方案，繪制實驗裝置圖，確定需要的材料和儀器。二是觀察實驗過程和現(xiàn)象，收集數(shù)據(jù)進行分析推理，掌握氫氧燃料電池的工作原理。

任務(wù)四：探究金屬燃料電池中離子的移動方向，屬于創(chuàng)新設(shè)計環(huán)節(jié)，學(xué)生活動包括三個：一是合理設(shè)計實驗方案，繪制實驗裝置圖，確定需要的材料和儀器。二是觀察實驗過程和現(xiàn)象，收集數(shù)據(jù)并分析推理，掌握金屬燃料電池中離子的移動方向。三是繪制原電池的認知模型圖，構(gòu)建新的知識體系。

以上探究活動的開展，相較于教師口頭講授知識點，能更好地激發(fā)學(xué)生的學(xué)習興趣，在掌握知識、發(fā)展能力的同時，還能培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)態(tài)度和創(chuàng)新意識。在數(shù)據(jù)分析環(huán)節(jié)，要求學(xué)生將宏觀現(xiàn)象和微觀變化相結(jié)合，利用已有證據(jù)來推理解決實際問題，最終揭示電化學(xué)的規(guī)律和本質(zhì)[5]。

（四）項目成果展示評價

所有探究活動完成后，要求學(xué)習小組整理相關(guān)資料，在班級內(nèi)展示各類項目成果，例如簡單燃料電池的成品、原電池認知模型、探究實驗的設(shè)計方案、實驗操作需要的材料和儀器等。以簡單燃料電池的制作為例，學(xué)生利用生活物品制作出氫氧燃料電池、鋁-空氣電池、鎂-空氣電池，利用電池驅(qū)動小燈泡、小風扇、音樂賀卡運行。小組成員將燃料電池的制作過程展示出來，實現(xiàn)了理論與實踐相結(jié)合的目標，培養(yǎng)了學(xué)生的綜合素養(yǎng)。

項目成果展示后，最后一個環(huán)節(jié)是教學(xué)評價。STEM教育理念下的項目化學(xué)習，其教學(xué)評價要注意三個方面：一是設(shè)置完善的評價指標，既有定量指標，也有定性指標，涵蓋態(tài)度、知識、能力、素養(yǎng)等各個方面，以保證評價結(jié)果的全面性[6]。二是增加評價主體的數(shù)量，在教師評價的基礎(chǔ)上增加自評、小組互評等方式，讓學(xué)生認識到本次探究活動的可取之處和不足，提高評價結(jié)果的客觀性。三是及時反饋評價結(jié)果，對于整體表現(xiàn)優(yōu)異的小組和個人，教師給予表揚和獎勵，增強學(xué)生的自豪感和自信心，感受學(xué)習帶來的快樂，鼓勵學(xué)生在今后的學(xué)習中繼續(xù)努力，取得更大的進步。

綜上所述，在STEM教育理念下實施高中化學(xué)項目化學(xué)習活動，要對跨學(xué)科知識進行整合，合理設(shè)置項目任務(wù)，鼓勵學(xué)生開展探究活動，并且對項目成果作出全面評價。如此，在實現(xiàn)教學(xué)目標的同時，能培養(yǎng)學(xué)生的綜合素養(yǎng)，促進學(xué)生未來更好地發(fā)展。

參考文獻

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編輯：張昀