基于美國K—12階段STEM理念的教學(xué)設(shè)計(jì)

肖敏++吳曉紅

摘要：在美國興起的STEM課程明確要求在科學(xué)教育中整合技術(shù)、工程和數(shù)學(xué)教育，如今STEM教育已成為國際上頗具影響力的教育思想之一。以魯科版《化學(xué)與技術(shù)》教材中“‘設(shè)計(jì)一座硫酸廠”為例，從原料的選擇、廠址的選擇、資源的綜合利用、反應(yīng)條件的分析等幾個(gè)方面，探討了如何在中學(xué)化學(xué)教學(xué)中融合STEM教育思想并進(jìn)行了相應(yīng)的教學(xué)設(shè)計(jì)，促使學(xué)生打破學(xué)科界限，學(xué)會(huì)綜合運(yùn)用多種學(xué)科知識(shí)，提升其探究和解決實(shí)際問題的能力。

關(guān)鍵詞：STEM教育；中學(xué)化學(xué)教學(xué)；學(xué)科融合；教學(xué)設(shè)計(jì)

文章編號(hào)：1005-6629（2016）2-0044-05

中圖分類號(hào)：G633.8

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

1 中學(xué)化學(xué)教學(xué)中融合STEM理念的思考

STEM代表科學(xué)（Science），技術(shù)（Technology），工程（Engineering），數(shù)學(xué)（Mathematics）。STEM教育就是科學(xué)、技術(shù)、工程、數(shù)學(xué)的教育。在國家實(shí)力的比較中，獲得STEM學(xué)位的人數(shù)成為一個(gè)重要的指標(biāo)。它的本質(zhì)是在眾多孤立的學(xué)科中建立_個(gè)新的橋梁來為學(xué)生提供整體認(rèn)識(shí)世界的機(jī)會(huì)，通過使這四種學(xué)科整合到一種教學(xué)范例中，把學(xué)生學(xué)習(xí)的零碎知識(shí)變成一個(gè)互相聯(lián)系統(tǒng)一整體的過程，這樣就消除了這四門學(xué)科中傳統(tǒng)的學(xué)習(xí)障礙，是一種跨學(xué)科的的學(xué)習(xí)方法。

1986年美國首次在《尼爾日?qǐng)?bào)》提出大學(xué)要加強(qiáng)STEM教育，歷經(jīng)多年已日趨成熟。從2007年美國政府開始重視并探索基礎(chǔ)階段的STEM教育。在STEM教育提出之初，人們就意識(shí)到STEM教育不僅對(duì)國家未來的創(chuàng)新能力和競(jìng)爭(zhēng)力有決定性的影響，而且是社會(huì)進(jìn)步的必要基礎(chǔ)，公民的科學(xué)素養(yǎng)直接關(guān)系著21世紀(jì)的社會(huì)文化、價(jià)值取向和民主政治的實(shí)現(xiàn)。

《普通高中課程改革方案》的頒布，預(yù)示著我國普通高中教育課程體系的價(jià)值轉(zhuǎn)型。隨著國內(nèi)外新的教育理念的不斷興起，我國課改的繼續(xù)深化，教育工作者逐漸意識(shí)到在教學(xué)過程中將科學(xué)概念和探究技能融合在一個(gè)有意義的任務(wù)中，打破各學(xué)科界限，綜合運(yùn)用多學(xué)科知識(shí)，提升學(xué)生探究和解決實(shí)際問題能力的重要性?；瘜W(xué)學(xué)科作為一門科學(xué)課程，不只是單純地傳授給學(xué)生一些化學(xué)理論知識(shí)，培養(yǎng)未來的科學(xué)家工程師，而應(yīng)該是讓大多數(shù)將來很可能不從事化學(xué)研究的普通學(xué)生通過化學(xué)課程的學(xué)習(xí)，對(duì)化學(xué)產(chǎn)生興趣，提高科學(xué)素養(yǎng)，并對(duì)他們今后的生存發(fā)展有所幫助。

隨著新課程改革的不斷推進(jìn)，課程標(biāo)準(zhǔn)的修改以及選修模塊的開發(fā)，更加關(guān)注社會(huì)現(xiàn)實(shí)生活，結(jié)合學(xué)生熟悉的生活情景和已有的實(shí)際經(jīng)驗(yàn)提煉學(xué)習(xí)素材，從豐富生動(dòng)的現(xiàn)實(shí)生活中尋找學(xué)習(xí)主題，強(qiáng)調(diào)加強(qiáng)學(xué)科之間的融合，要求學(xué)生了解化學(xué)與生活和社會(huì)發(fā)展的重要關(guān)系。STEM教育理念的興起為我國教育工作者提供了一條嶄新的思路。

2 教學(xué)流程

魯科版普通高中課程標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)教科書化學(xué)選修《化學(xué)與技術(shù)》主題三中的課題1“‘設(shè)計(jì)一座硫酸廠”，該課題以“設(shè)計(jì)”硫酸廠的任務(wù)為主線，以制備硫酸的化學(xué)發(fā)展史料引出課題，引導(dǎo)學(xué)生從熟悉的實(shí)驗(yàn)室出發(fā)，走進(jìn)工廠的生產(chǎn)實(shí)際中?！霸O(shè)計(jì)”任務(wù)從類比實(shí)驗(yàn)室制硫酸的儀器與藥品出發(fā)，觀看工業(yè)生產(chǎn)硫酸的資料與視頻，引導(dǎo)學(xué)生根據(jù)硫酸廠的特點(diǎn)和硫酸的生產(chǎn)實(shí)際情況，突出硫酸廠設(shè)計(jì)中的三個(gè)重要問題：一是生產(chǎn)原料的選擇，并確定生產(chǎn)方法和工藝流程，這是化工廠設(shè)計(jì)中的核心問題；二是選擇廠址；三是綜合利用資源。通過這三個(gè)各具特點(diǎn)又相互關(guān)聯(lián)的問題，利用化學(xué)變化對(duì)原料進(jìn)行加工的必要性、可能性和合理性，認(rèn)識(shí)基本化工生產(chǎn)中的一些問題，力求反映出硫酸生產(chǎn)中重要的化學(xué)知識(shí)和技術(shù)問題以及從社會(huì)效益、經(jīng)濟(jì)效益和創(chuàng)新空間等多種角度認(rèn)識(shí)化學(xué)、技術(shù)與社會(huì)三個(gè)方面相互作用的特點(diǎn)。具體教學(xué)活動(dòng)如圖1所示。

2.1 利用電子白板技術(shù)，調(diào)動(dòng)學(xué)生學(xué)習(xí)積極『生

[引入]播放有關(guān)硫酸制備發(fā)展的化學(xué)歷史視頻。

[提問]看了這段視頻，再結(jié)合我們?cè)诒匦?中學(xué)過的有關(guān)硫的轉(zhuǎn)化的知識(shí)，回想-下我們實(shí)驗(yàn)室制備二氧化硫選擇的是哪些藥品？那實(shí)驗(yàn)室制硫酸涉及的主要反應(yīng)有哪些，并寫出相關(guān)的化學(xué)反應(yīng)方程式。小組之間可以進(jìn)行交流，看哪組想得又快又全面。

[學(xué)生]藥品有亞硫酸鈉和濃硫酸，可以制得二氧化硫。

[教師]寫得非常好，看來大家對(duì)硫的轉(zhuǎn)化這一部分知識(shí)掌握得很好。請(qǐng)大家以小組為單位，討論一下實(shí)驗(yàn)室制備硫酸的實(shí)驗(yàn)裝置，并在練習(xí)本上試著畫一下草圖，我們請(qǐng)一個(gè)小組上來利用電子白板裝配一下實(shí)驗(yàn)裝置。

設(shè)計(jì)意圖：利用計(jì)算機(jī)播放硫酸制備發(fā)展的化學(xué)歷史，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，引出實(shí)際工程問題，明確學(xué)習(xí)任務(wù)。學(xué)生不僅要認(rèn)真觀看視頻，還要對(duì)必修1中涉及到的“硫的轉(zhuǎn)化”的相關(guān)知識(shí)非常熟悉，培養(yǎng)了學(xué)生從大量相關(guān)信息中搜集并提煉出對(duì)自己有用信息的能力和知識(shí)遷移的能力。引領(lǐng)學(xué)生關(guān)注課本并搜集課本中基本信息和拓展信息，讓學(xué)生知曉閱讀和查看文獻(xiàn)或文本以及視頻資料是獲取信息的主要途徑之一，對(duì)培養(yǎng)學(xué)生如何獲取信息、進(jìn)一步提升信息素養(yǎng)有著重要的開啟性作用。

[教師]我們每一個(gè)小組都派了代表展示了你們自己的作品，而且大家對(duì)每幅作品都做了分析與評(píng)價(jià)，明白了自己小組設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)裝置圖的優(yōu)缺點(diǎn)，非常好，希望大家在以后的學(xué)習(xí)過程中都能養(yǎng)成這種多交流多討論的好習(xí)慣。

設(shè)計(jì)意圖：利用電子白板調(diào)動(dòng)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情，給學(xué)生上臺(tái)展示自己的機(jī)會(huì)，培養(yǎng)了學(xué)生運(yùn)用現(xiàn)代科學(xué)信息技術(shù)動(dòng)手操作的能力和自信心，強(qiáng)化了同學(xué)之間的合作意識(shí)。

2.2 分析表格數(shù)據(jù)，運(yùn)用數(shù)學(xué)思維確定反應(yīng)條件

[投影]我國主要硫資源及應(yīng)用的資料，播放實(shí)驗(yàn)室制硫酸的視頻。

[教師]看了剛才投影的資料以及視頻，并結(jié)合課本第42頁圖3-1-2，第44頁表3-1-1和表3-1-2，完成下面的填空作業(yè)。

設(shè)計(jì)意圖：學(xué)生要分析SO₂的催化氧化化學(xué)反應(yīng)的適宜條件，需要利用數(shù)學(xué)思維綜合分析熱化學(xué)方程式、平衡轉(zhuǎn)化率圖表以及教師播放的視頻、展示的資料等，進(jìn)行交流討論，完成該學(xué)案。這一過程學(xué)生不但復(fù)習(xí)鞏固了化學(xué)平衡的理論知識(shí)，而且體會(huì)到工業(yè)生產(chǎn)中是以理論為基礎(chǔ)再結(jié)合實(shí)際來選擇反應(yīng)的適宜條件的，實(shí)際生產(chǎn)過程中需要控制溫度，結(jié)合反應(yīng)放熱的實(shí)際情況，將熱能進(jìn)行合理交換。學(xué)生在完成SO₃的吸收時(shí)，回憶視頻中吸收瓶?jī)?nèi)會(huì)形成大量酸霧的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，可見用水吸收SO₃雖然在理論上成立，但效果并不理想，學(xué)生會(huì)再次體會(huì)到實(shí)驗(yàn)原理與實(shí)際生產(chǎn)過程之間的差距，明確理論聯(lián)系實(shí)際的必要性，但也不能生搬硬套，需要尋求可行的解決方法。培養(yǎng)了學(xué)生的數(shù)學(xué)思維能力、分析能力和知識(shí)遷移能力。endprint

[提問]選擇原料路線時(shí)，應(yīng)考慮哪些因素？請(qǐng)以小組為單位進(jìn)行討論。

[學(xué)生]要考慮原料資源的分布情況，以及利用原料的合理性，開采原料周圍的環(huán)境，因?yàn)樵系倪x擇會(huì)影響到生產(chǎn)硫酸的設(shè)備、技術(shù)方案、廠址的選擇、環(huán)境保護(hù)以及后續(xù)的儲(chǔ)存、運(yùn)輸、經(jīng)濟(jì)效益等問題。

[教師]這位同學(xué)回答得非常好，看來很認(rèn)真地看了剛才投影的資料。

[投影]若從下列四個(gè)城市中選擇一處新建一座硫酸廠，你認(rèn)為廠址適合選在哪里？

A.有較豐富的硫鐵礦資源，交通運(yùn)輸便利，但文物古跡較多，土地價(jià)格較高

B.硫鐵礦資源貧乏，水源、能源充足，交通運(yùn)輸便利

C.有大型煉銅廠，但周圍興建了較多的商業(yè)中心，人口較稠密

D.黃銅礦資源豐富，水源能源充足，交通運(yùn)輸便利，遠(yuǎn)離居民區(qū)的工業(yè)園區(qū)

[學(xué)生]選D。

設(shè)計(jì)意圖：學(xué)生綜合我國主要硫資源及應(yīng)用的資料以及與同伴交流的結(jié)果，分析在選擇原料路線時(shí)涉及的眾多因素，并對(duì)選擇題做出正確的判斷，有助于學(xué)生正確認(rèn)識(shí)技術(shù)與社會(huì)的關(guān)系，理解化學(xué)知識(shí)在改進(jìn)技術(shù)，促進(jìn)社會(huì)發(fā)展方面的重要作用。同時(shí)，將對(duì)科學(xué)技術(shù)的理解與整個(gè)人類、環(huán)境和文化系統(tǒng)的復(fù)雜性結(jié)合起來，并以此為根據(jù)對(duì)未來做出決策，有利于理念的滲透，有效促進(jìn)學(xué)生科學(xué)素養(yǎng)的提高。

2.3 角色扮演，體驗(yàn)別樣的化學(xué)課堂

[教師]很好，結(jié)合這道題的選項(xiàng)，和你對(duì)硫酸的物理性質(zhì)、化學(xué)性質(zhì)的了解，我們一起玩一個(gè)角色扮演的游戲，開一個(gè)擬建硫酸廠交流研討會(huì)。大家看—下PPT的角色分配，班長(zhǎng)以及各班委迅速給大家分配一下角色。

[投影]新建項(xiàng)目負(fù)責(zé)人.名（主持人）；環(huán)保局局長(zhǎng)一名；硫酸廠設(shè)計(jì)工程師一名，ABCD四地主管部門代表一名；地質(zhì)工程師一名；原料科科長(zhǎng)一名及科員若干名；規(guī)劃科科長(zhǎng)一名及科員若干名；技術(shù)科科長(zhǎng)一名及科員若干名；市場(chǎng)調(diào)查科科長(zhǎng)一名及科員若干名；ABCD四地當(dāng)?shù)氐木用翊砣舾擅?/p>

設(shè)計(jì)意圖：要選擇合理的廠址，學(xué)生不僅需要對(duì)制得的硫酸的物理性質(zhì)、化學(xué)性質(zhì)有充分了解，而且還要根據(jù)所學(xué)的地理知識(shí)、涉及到的環(huán)境問題以及經(jīng)濟(jì)效益等因素，綜合分析廠址選擇的合理性。學(xué)以致用，將課堂知識(shí)與實(shí)際生產(chǎn)相聯(lián)系，培養(yǎng)了學(xué)生解決工程實(shí)際問題的能力。角色扮演能夠激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情，培養(yǎng)學(xué)生語言表達(dá)能力，增強(qiáng)了學(xué)生的自信心。

[提問]聯(lián)系我們平時(shí)在實(shí)驗(yàn)室做實(shí)驗(yàn)的情況，尤其是在制取一些對(duì)環(huán)境有污染的有毒物質(zhì)時(shí)，我們實(shí)驗(yàn)裝置的最后一項(xiàng)，也是必不可少的一項(xiàng)是什么？

[學(xué)生]尾氣的回收與處理。

[教師]很好，看來大家在平時(shí)做實(shí)驗(yàn)的過程中都非常認(rèn)真，仔細(xì)觀察并分析了我們的實(shí)驗(yàn)裝置。那根據(jù)上課時(shí)我們?cè)O(shè)計(jì)的制取二氧化硫的實(shí)驗(yàn)裝置圖，完成填空作業(yè)的第三部分。

設(shè)計(jì)意圖：對(duì)于“三廢”的處理，學(xué)生并不陌生，教師應(yīng)引導(dǎo)學(xué)生運(yùn)用已有知識(shí)分析尾氣脫硫的主要方法，以及廢水的處理、廢渣的回收利用，學(xué)生不僅回顧了所學(xué)的知識(shí)，并且體會(huì)到化學(xué)方程式在我們的實(shí)際生產(chǎn)生活中有著極其重要的作用。同時(shí)培養(yǎng)了學(xué)生“變廢為寶”的思想，學(xué)生體會(huì)化學(xué)并不是“潘多拉”的盒子，只要我們合理設(shè)計(jì)生產(chǎn)過程，其所產(chǎn)生的物質(zhì)對(duì)于我們來說都是有用的。在這一過程中，學(xué)生認(rèn)識(shí)到化工生產(chǎn)并不是單純的化學(xué)問題，需要綜合各個(gè)學(xué)科的知識(shí)，在進(jìn)行實(shí)際生產(chǎn)過程中不僅要考慮經(jīng)濟(jì)效益，更要關(guān)注環(huán)境的保護(hù)，資源的合理利用，滲透了“綠色化學(xué)”的思想，符合新課標(biāo)的要求。

2.4 總結(jié)歸納，培養(yǎng)理論聯(lián)系實(shí)際的好習(xí)慣

[教師]硫酸在工農(nóng)業(yè)方面都有著重要的作用，可用于制造肥料、藥物、炸藥、顏料、洗滌劑、蓄電池、改良土壤等，也廣泛應(yīng)用于冶金及石油工業(yè)、鞏固國防、原子能工業(yè)及火箭技術(shù)等方面。同時(shí)也是日常家居的好幫手。世界各地大多數(shù)酸性化學(xué)通渠用品均含有濃硫酸。這一類的通渠用品就和堿性的通渠用品一樣，可以溶解淤塞在渠道里的油污及食物殘?jiān)?。不過，由于濃硫酸會(huì)與水發(fā)生高放熱反應(yīng)，故建議在使用前盡量保持渠道干爽，并慢慢倒入有關(guān)化學(xué)用品，另需佩戴手套。

通過這節(jié)課的學(xué)習(xí)，我們知道了工業(yè)生產(chǎn)來源于實(shí)驗(yàn)室，但又高于實(shí)驗(yàn)室。在實(shí)際的工程問題中，因?yàn)槭谴笈可a(chǎn)，我們需要考慮的更多。所以需要同學(xué)們很好地掌握相關(guān)的技術(shù)、工程、數(shù)學(xué)等各個(gè)方面的問題，學(xué)會(huì)知識(shí)的遷移及靈活運(yùn)用。

3 結(jié)語

該課題“設(shè)計(jì)”任務(wù)以科學(xué)為線索，以一個(gè)實(shí)際的工程問題引出課題，涉及“硫的轉(zhuǎn)化”以及相關(guān)熱力學(xué)、動(dòng)力學(xué)等化學(xué)學(xué)科知識(shí)，同時(shí)在進(jìn)行原料、廠址的選擇時(shí)，也包含了地理科學(xué)、經(jīng)濟(jì)學(xué)等相關(guān)學(xué)科的知識(shí)。在類比實(shí)驗(yàn)室制取硫酸的方法時(shí)，有效地將所學(xué)的理論知識(shí)遷移到工程技術(shù)問題中，并且需要根據(jù)教材所提供的二氧化硫平衡轉(zhuǎn)化率圖表數(shù)據(jù)以及教師播放的視頻、展示的資料等，思考分析反應(yīng)的最佳條件。這一過程需要學(xué)生運(yùn)用數(shù)學(xué)思維，綜合分析數(shù)據(jù)資料，才能確定工業(yè)制硫酸中化學(xué)反應(yīng)的最佳條件。教師在整個(gè)教學(xué)活動(dòng)中充分發(fā)揮了計(jì)算機(jī)技術(shù)和電子白板技術(shù)，激發(fā)了學(xué)生學(xué)習(xí)化學(xué)的興趣，調(diào)動(dòng)了學(xué)生學(xué)習(xí)化學(xué)的熱情，讓學(xué)生有機(jī)會(huì)上臺(tái)展示自己的設(shè)計(jì)成果，學(xué)生樹立了學(xué)習(xí)化學(xué)的自信心，同時(shí)也培養(yǎng)了學(xué)生解決實(shí)際問題的能力，增強(qiáng)了學(xué)生的語言表達(dá)能力、組織能力，強(qiáng)化了學(xué)生之間的合作意識(shí)。

現(xiàn)代科學(xué)和技術(shù)有了相當(dāng)發(fā)展之后，科學(xué)開始把技術(shù)作為研究對(duì)象，技術(shù)則注重從科學(xué)中尋找指導(dǎo)，它們之間互相滲透、互相促進(jìn)、互相依賴、協(xié)同發(fā)展，關(guān)系更加密切，以至于科學(xué)技術(shù)化，技術(shù)科學(xué)化，科學(xué)技術(shù)一體化的趨勢(shì)日益突出。不難看出在整個(gè)教學(xué)活動(dòng)中，科學(xué)、技術(shù)、工程、數(shù)學(xué)四個(gè)領(lǐng)域之間并不是孤立的，而是存在著一種相互支撐、相互促進(jìn)、共同發(fā)展的關(guān)系。只有在交互中，在相互碰撞中，才能實(shí)現(xiàn)深層次的學(xué)習(xí)、理解性學(xué)習(xí)，也才能真正培養(yǎng)學(xué)生各個(gè)方面的技能和知識(shí)。

如今的化學(xué)教育應(yīng)該以培養(yǎng)人為主旨，以培養(yǎng)創(chuàng)新精神和實(shí)踐能力為重點(diǎn)，發(fā)現(xiàn)問題并能應(yīng)用知識(shí)和技術(shù)解決遇到的實(shí)際問題。在我們的日常生活中，當(dāng)碰到實(shí)際生產(chǎn)生活問題時(shí)，我們首先必須考慮其所涉及的規(guī)律和科學(xué)原理，只有遵循這些規(guī)律和原理，才能真正找到問題的根源所在，才能運(yùn)用技術(shù)設(shè)計(jì)出合理的解決方案，而數(shù)學(xué)作為解決實(shí)際工程問題的工具在其他三個(gè)領(lǐng)域中被廣泛使用。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，科學(xué)、技術(shù)、工程和數(shù)學(xué)領(lǐng)域的聯(lián)系也越來越緊密，解決其中任何一個(gè)領(lǐng)域的問題都會(huì)涉及到其他三個(gè)領(lǐng)域。因此，在化學(xué)教學(xué)中融合STEM思想是未來化學(xué)教學(xué)的發(fā)展方向，值得每位化學(xué)教育工作者認(rèn)真思考和研究。endprint