基于STEM的高中化學(xué)教學(xué)模型建構(gòu)與探究

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(東北師范大學(xué)附屬中學(xué))

STEM教育理念是科學(xué)、技術(shù)、工程以及數(shù)學(xué)等四個(gè)詞匯的英文首字母組合，體現(xiàn)了上述四大“元學(xué)科”對(duì)于人才培養(yǎng)的重要性與未來(lái)方向性。STEM理念最早由美國(guó)國(guó)家科學(xué)委員會(huì)于1986年提出，經(jīng)過(guò)幾十年的發(fā)展并在2013年公布的《新一代科學(xué)教育標(biāo)準(zhǔn)》(縮寫NGSS)中成為美國(guó)科學(xué)教育中的重要標(biāo)準(zhǔn)。我國(guó)學(xué)者于近些年才開始逐步學(xué)習(xí)并重視美國(guó)的STEM教育理念本地化。高中化學(xué)作為理科中交叉性非常強(qiáng)的一門科學(xué)，非常適合探索基于STEM理念的教學(xué)模型。探討高中化學(xué)STEM教學(xué)模型的構(gòu)建對(duì)于指導(dǎo)我國(guó)科學(xué)教育中實(shí)現(xiàn)STEM理念具有非常重要的實(shí)際參考價(jià)值。

一、STEM理念的概念

作為自然科學(xué)四門基礎(chǔ)學(xué)科英文首字母縮寫，STEM的理念與界定也是多維度的概念。主要可以從以下幾點(diǎn)對(duì)STEM概念進(jìn)行理解與界定。

首先，STEM教育從本質(zhì)屬性上可以理解為一類課程，即包含四大所謂“元學(xué)科”的一種課程。STEM教學(xué)實(shí)踐過(guò)程中，將上述四門“元學(xué)科”以完整的知識(shí)體系展示。STEM的課程門類方面也處于持續(xù)發(fā)展過(guò)程中，例如部分學(xué)者建議增加醫(yī)學(xué)、教育學(xué)以及農(nóng)業(yè)或者藝術(shù)等，提高該課程解決實(shí)際問(wèn)題的能力。

其次，STEM教育從教學(xué)形式上可以理解為一種教學(xué)策略，體現(xiàn)多學(xué)科思想的融合。通過(guò)基于現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)及學(xué)科基礎(chǔ)，增加后設(shè)學(xué)科并整合成新的教學(xué)策略。同時(shí)，將問(wèn)題的發(fā)現(xiàn)、設(shè)計(jì)、解決以及探索等多種研究策略融合的教學(xué)方式。

第三，STEM教育從內(nèi)容組成上可以理解為學(xué)生培養(yǎng)的素質(zhì)內(nèi)容，即所謂的科學(xué)、技術(shù)、工程以及數(shù)學(xué)等四方面素質(zhì)。從這個(gè)角度理解，STEM素養(yǎng)的經(jīng)驗(yàn)對(duì)于落實(shí)我國(guó)學(xué)生發(fā)展核心素養(yǎng)方面具有一定的經(jīng)驗(yàn)參考價(jià)值。

二、高中化學(xué)STEM教學(xué)模型的必要性

化學(xué)涉及的知識(shí)非常廣泛，與生物學(xué)及物理學(xué)等具有很大的交叉。而我國(guó)當(dāng)前高中階段教學(xué)實(shí)踐中，對(duì)上述學(xué)科間劃分過(guò)于明顯。同時(shí)，化學(xué)課堂教學(xué)實(shí)踐與工業(yè)生產(chǎn)及科技進(jìn)步剝離嚴(yán)重，這都將無(wú)法吸引學(xué)生足夠的學(xué)習(xí)興趣，教學(xué)效果不理想。

相比于傳統(tǒng)的化學(xué)教學(xué)，STEM理念重在如何將多學(xué)科合理結(jié)合，并在教學(xué)過(guò)程中培養(yǎng)學(xué)生多學(xué)科思維習(xí)慣，重視實(shí)際問(wèn)題解決效果，非常適合交叉學(xué)科創(chuàng)新人才的培養(yǎng)。在當(dāng)前全球一體化教學(xué)中，如何在高中化學(xué)教學(xué)實(shí)踐中合理借鑒國(guó)外優(yōu)秀的教學(xué)理念設(shè)計(jì)出適合我國(guó)國(guó)情的教學(xué)模型，對(duì)于提升我國(guó)人才競(jìng)爭(zhēng)力具有非常必要的戰(zhàn)略意義。

三、基于STEM的化學(xué)教學(xué)模型建構(gòu)

筆者結(jié)合多年高中化學(xué)教學(xué)經(jīng)驗(yàn)以及對(duì)STEM教育理念的理解，提出以學(xué)生為中心的STEM教學(xué)模型。在具體的教學(xué)過(guò)程中首先由教師提出問(wèn)題，學(xué)生基于STEM綜合知識(shí)對(duì)問(wèn)題進(jìn)行研究分析并思考解決方案，從而在實(shí)踐中獲取對(duì)應(yīng)的科學(xué)知識(shí)。在高中化學(xué)教學(xué)實(shí)踐中，教學(xué)設(shè)計(jì)應(yīng)更加注重知識(shí)的交叉性、開放性、實(shí)踐性以及動(dòng)態(tài)性等特征。具體步驟如下：

(1)教師基于教學(xué)內(nèi)容構(gòu)建便于學(xué)生接受的教學(xué)情境。

在新區(qū)的建設(shè)初期，經(jīng)濟(jì)初步發(fā)展，并且自身的經(jīng)濟(jì)實(shí)力薄弱，實(shí)體經(jīng)濟(jì)的薄弱導(dǎo)致對(duì)資金的吸納能力較差，但隨著政府的規(guī)劃方案的公布，雄安新區(qū)已經(jīng)陸續(xù)有企業(yè)注冊(cè)入駐，2017年9月政府已經(jīng)批準(zhǔn)48家企業(yè)首批進(jìn)入雄安，包括阿里巴巴、騰訊、百度、京東金融、360奇虎、深圳光啟、國(guó)開投、中國(guó)電信、中國(guó)人保等。

(2)教師基于教學(xué)內(nèi)容設(shè)計(jì)難度適中的具體問(wèn)題。

(3)引導(dǎo)學(xué)生以小組形式，綜合利用STEM知識(shí)研究問(wèn)題相關(guān)的技術(shù)問(wèn)題及數(shù)據(jù)。

(4)引導(dǎo)學(xué)生基于知識(shí)網(wǎng)絡(luò)，構(gòu)建完整的知識(shí)體系。

(5)學(xué)生基于知識(shí)體系分析數(shù)據(jù)并獲取解決方案。

(6)組內(nèi)學(xué)術(shù)交流探討研究成果。

四、基于STEM的化學(xué)教學(xué)模型案例設(shè)計(jì)

筆者基于本文探討的教學(xué)模型及相應(yīng)步驟，以高中化學(xué)“原電池”章節(jié)為主題，設(shè)計(jì)基于STEM的化學(xué)教學(xué)模型如下。

教師可以從生活相關(guān)的電子產(chǎn)品展示吸引學(xué)生關(guān)注課堂，強(qiáng)調(diào)“原電池”與實(shí)際生活的相關(guān)性，提高學(xué)生學(xué)習(xí)熱情。例如，教師可以設(shè)計(jì)一個(gè)情景，手機(jī)沒(méi)電了且周圍沒(méi)有電力設(shè)備供電，如何設(shè)計(jì)出穩(wěn)定的充電器供電。

2.教師基于教學(xué)內(nèi)容設(shè)計(jì)難度適中的具體問(wèn)題

教師應(yīng)基于“原電池”的教學(xué)內(nèi)容，從STEM課程內(nèi)容四方面向?qū)W生提出例如“如何選擇適合的電極”“如何完成閉合電路設(shè)計(jì)”“如何保持原電池電流穩(wěn)定持久”以及“如何完成化學(xué)轉(zhuǎn)換效率計(jì)算”等問(wèn)題。教師需激發(fā)學(xué)生積極性，引導(dǎo)學(xué)生利用提供的實(shí)驗(yàn)器材完成上述問(wèn)題。

3.引導(dǎo)學(xué)生以小組形式，綜合利用STEM知識(shí)研究問(wèn)題相關(guān)的技術(shù)問(wèn)題及數(shù)據(jù)

基于課程前期內(nèi)容，學(xué)生具備基本的電化學(xué)知識(shí)并能設(shè)計(jì)出簡(jiǎn)單的Zn/Cu電池。教師可以安排學(xué)生以小組形式，對(duì)電池組裝及實(shí)現(xiàn)現(xiàn)象進(jìn)行仔細(xì)觀察。例如，要求學(xué)生觀察隨著時(shí)間進(jìn)程電流變化，觀察鋅片表面變化等。并依據(jù)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，詢問(wèn)學(xué)生該設(shè)備是否可以為老師手機(jī)提供穩(wěn)定且持久的供電，并解釋原因。學(xué)生小組討論后，認(rèn)為電流不穩(wěn)定，也不持久，主要因?yàn)閆n與CuSO4溶液接觸后，Zn片上有Gu金屬析出，無(wú)法維持持久電源供應(yīng)。循序漸進(jìn)的，教師提出難度稍大的問(wèn)題，如何保證電池供電更加穩(wěn)定長(zhǎng)久呢？教師可以要求學(xué)生借助網(wǎng)絡(luò)、書籍等多個(gè)渠道全面搜集相關(guān)的知識(shí)內(nèi)容及技術(shù)等。

4.引導(dǎo)學(xué)生基于知識(shí)網(wǎng)絡(luò)，構(gòu)建完整的知識(shí)體系

學(xué)生帶著問(wèn)題對(duì)教材進(jìn)行重新審視，并借助網(wǎng)絡(luò)來(lái)源的部分內(nèi)容，豐富了教學(xué)課程的理論及實(shí)踐內(nèi)容。學(xué)生通過(guò)組內(nèi)探討后，基于電化學(xué)相關(guān)知識(shí)提出利用不相互接觸的氧化劑與還原劑充當(dāng)兩個(gè)電極。教師則可以繼續(xù)對(duì)學(xué)生進(jìn)行引導(dǎo)，學(xué)生按照討論及指導(dǎo)結(jié)果重新設(shè)計(jì)原電池，從而順利成章地提出了所謂“鹽橋”的概念，豐富了自身的知識(shí)體系。

5.學(xué)生基于知識(shí)體系分析數(shù)據(jù)并獲取解決方案

教師應(yīng)指導(dǎo)學(xué)生基于STEM的高中化學(xué)教學(xué)模型現(xiàn)有知識(shí)，分析問(wèn)題并設(shè)計(jì)合理的解決方案。具體而言，教師引導(dǎo)學(xué)生對(duì)教材相關(guān)部分內(nèi)容進(jìn)行仔細(xì)閱讀，熟悉原電池工作原理，并讓學(xué)生通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證書本原理，并匯報(bào)相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。例如，學(xué)生小組可以按教材內(nèi)容安裝雙液原電池，觀察電流變化及電極變化等。

6.組內(nèi)學(xué)術(shù)交流探討研究成果

組織學(xué)生通過(guò)小組合作，總結(jié)各自小組的解決方案，并與其他小組探討完成學(xué)術(shù)交流，這也是STEM教育理念的基本要求。通過(guò)課堂的學(xué)習(xí)，學(xué)生將問(wèn)題與工程用途聯(lián)系，尋找提高實(shí)際轉(zhuǎn)化效率的方法。課堂上學(xué)生完整的思考過(guò)程、研究過(guò)程則可以讓學(xué)生加深對(duì)科學(xué)、技術(shù)、工程和數(shù)學(xué)等四大學(xué)科間內(nèi)在聯(lián)系的理解，從而更自如地綜合運(yùn)用知識(shí)。

五、結(jié)語(yǔ)

STEM教育理念已經(jīng)從美國(guó)逐漸推廣到其他國(guó)家，已然成為當(dāng)前科學(xué)教育方面非常重要的一種思想潮流。STEM教育理念關(guān)注建立完整并聯(lián)系性強(qiáng)的知識(shí)體系，同時(shí)也對(duì)學(xué)生個(gè)體在具體運(yùn)用知識(shí)的方式有較高要求。高中化學(xué)教育作為高中理科教育非常關(guān)鍵的一個(gè)環(huán)節(jié)，如何構(gòu)建科學(xué)的STEM的高中化學(xué)教學(xué)模型對(duì)于STEM教學(xué)理念在我國(guó)科學(xué)教學(xué)的成功有積極作用。高中化學(xué)教師也需要按照STEM理念全面提升自身知識(shí)，從而培養(yǎng)出更多優(yōu)秀的復(fù)合型人才。