基于STEM教育視野的高中化學(xué)教學(xué)實(shí)踐

萬海濤 陳浞嵌

摘要：以“魚浮靈主要成分測定的實(shí)驗(yàn)探究”為例，確定STEM四維教學(xué)目標(biāo)，構(gòu)建教學(xué)模型，將sTEM教育理念融入中學(xué)化學(xué)教學(xué)實(shí)踐，培養(yǎng)學(xué)生的綜合運(yùn)用多種學(xué)科知識的能力、創(chuàng)新精神與實(shí)踐能力。

關(guān)鍵詞：STEM教育;高中化學(xué)教學(xué);實(shí)踐

文章編號：1008-0546（2019）06-0074-04 中圖分類號：G633.8 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：B

doi：10.3969/j.issn.1008-0546.2019.06.021

以學(xué)科整合為背景的STEM教育在中學(xué)科學(xué)教育中發(fā)揮著越來越重要的作用，已成為很多國家的科學(xué)教育政策主導(dǎo)和研究熱點(diǎn)。STEM是科學(xué)（Seienee）、技術(shù)（Technology）、工程（Engineering）和數(shù)學(xué)（Mathe-matics）四門學(xué)科的簡稱，強(qiáng)調(diào)多學(xué)科的交叉融合，將四門學(xué)科內(nèi)容組合形成有機(jī)整體，削弱了這四門學(xué)科中傳統(tǒng)的學(xué)習(xí)障礙，促使學(xué)生綜合運(yùn)用多種學(xué)科知識，以更好地培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新精神與實(shí)踐能力?；瘜W(xué)作為科學(xué)中的基礎(chǔ)課程，其包含的知識較為廣泛，比如物理、生物、地理等學(xué)科知識，成為教育者實(shí)施STEM教育的重點(diǎn)研究對象。

將STEM教育理念融人中學(xué)化學(xué)教學(xué)中，使學(xué)生不僅獲得與科學(xué)、技術(shù)、工程和數(shù)學(xué)等相關(guān)的知識;還能與真實(shí)世界建立聯(lián)系，將科學(xué)教育和當(dāng)前的社會(huì)生產(chǎn)生活等緊密結(jié)合，充分理解科學(xué)、技術(shù)、工程與數(shù)學(xué)之間的交互關(guān)系，為學(xué)生提高綜合素養(yǎng)及全面發(fā)展打下良好基礎(chǔ)。

一、課題選擇依據(jù)

真正有意義的學(xué)習(xí)總是發(fā)生在那些真實(shí)的、具有挑戰(zhàn)性的問題情境中。本課題的選擇基于三個(gè)方面：

1.源于生活

魚，是逢年過節(jié)、宴請賓客必不可少的一道寓意吉祥的佳肴。對于在養(yǎng)殖或運(yùn)輸過程中使用的魚浮靈，網(wǎng)上有人傳言會(huì)致癌，這再次觸動(dòng)人們對于食品安全談之色變的神經(jīng)，同學(xué)們也必然對它產(chǎn)生濃厚的興趣，想知道食用了使用魚浮靈養(yǎng)殖的魚是否安全，必然需要探究它的主要成分。

2.基于課標(biāo)

化學(xué)新課標(biāo)重視化學(xué)的情景化、生活化，即強(qiáng)調(diào)化學(xué)來源于生活，服務(wù)于生活。學(xué)生如果能夠利用自身已有化學(xué)知識解決生活中的實(shí)際問題，有利于培養(yǎng)他們的探究能力，形成科學(xué)的認(rèn)識觀。

3.立于STEM

2018年5月8號頒布的《sTEM教師能力等級標(biāo)準(zhǔn)》，就STEM課程開發(fā)和整合明確提出，STEM教育課程要以學(xué)生為中心，聚焦解決真實(shí)情景的問題。本研究課題也為開展STEM教育提供良好素材，它融合了化學(xué)、物理等學(xué)科的科學(xué)知識，對魚浮靈主要成分的測定中手持技術(shù)的使用加強(qiáng)了學(xué)生的技術(shù)素養(yǎng)，對于測定方案的設(shè)計(jì)，加強(qiáng)了學(xué)生的工程素養(yǎng)，數(shù)據(jù)的計(jì)算、定量方案的設(shè)計(jì)，提升了學(xué)生解決特定情境下數(shù)學(xué)問題的能力，有利于加強(qiáng)學(xué)生的數(shù)學(xué)素養(yǎng)，完全符合STEM教育對學(xué)生素養(yǎng)培養(yǎng)的要求。

二、教學(xué)目標(biāo)分析

高二學(xué)生通過前面化學(xué)、物理的學(xué)習(xí)除了已經(jīng)掌握了常見元素化合物的基本性質(zhì)，氣體的性質(zhì)，也具備了一定的邏輯思維、分析和實(shí)驗(yàn)?zāi)芰Γ菍τ趯?shí)驗(yàn)探究的一般方法的認(rèn)知還沒有形成體系，對定量實(shí)驗(yàn)的方法了解還不夠全面。

基于此，我確定了本課題的教學(xué)目標(biāo)：引導(dǎo)學(xué)生們通過實(shí)驗(yàn)探究魚浮靈的成分，體驗(yàn)并強(qiáng)化細(xì)致嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)態(tài)度和聯(lián)系實(shí)際學(xué)習(xí)化學(xué)的學(xué)科習(xí)慣。在學(xué)會(huì)定性分析的基礎(chǔ)上進(jìn)一步鞏固氣體體積的測量方法，學(xué)生通過運(yùn)用所學(xué)知識進(jìn)行實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)和探究，得到科學(xué)的結(jié)論，感受自主獲得知識和掌握學(xué)習(xí)方法的喜悅，并充分體驗(yàn)化學(xué)等學(xué)科與生活密不可分的關(guān)系，發(fā)展自己的批判性思維、創(chuàng)造性思維、科學(xué)思維、工程思維、計(jì)算思維、設(shè)計(jì)思維、量化思維等。從STEM四個(gè)維度出發(fā)，制訂教學(xué)目標(biāo)如下：

三、教學(xué)方法確定

采用PBL任務(wù)驅(qū)動(dòng)、模型建構(gòu)、多媒體、手持技術(shù)輔助教學(xué)，引導(dǎo)學(xué)生小組合作探究學(xué)習(xí)，其中PBL任務(wù)驅(qū)動(dòng)，以問題為導(dǎo)向，是STEM教學(xué)的核心，有利于培養(yǎng)學(xué)生的STEM素養(yǎng);模型建構(gòu)、小組合作，有利于核心素養(yǎng)的思維培養(yǎng)。

四、STEM教育與化學(xué)教學(xué)結(jié)合的教學(xué)模型構(gòu)建

依據(jù)STEM教育的相關(guān)理念及研究成果，筆者設(shè)計(jì)了以學(xué)生為中心，體現(xiàn)STEM教育的教學(xué)模型：

整個(gè)教學(xué)模型分五步：

1.創(chuàng)設(shè)情境

教師依據(jù)教學(xué)內(nèi)容選擇一定的教學(xué)情境。教學(xué)情境的選擇力求真實(shí)，情境的創(chuàng)設(shè)要使學(xué)生易于發(fā)現(xiàn)問題，通常以生活為背景的問題情境作為切入點(diǎn)更易于調(diào)動(dòng)學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣。

2.提出問題

教師基于教學(xué)情境提出問題，明確研究內(nèi)容。

3.合作學(xué)習(xí)

學(xué)生以小組為單位開展合作學(xué)習(xí)，建立起四大領(lǐng)域的知識網(wǎng)絡(luò)，為設(shè)計(jì)解決問題方案提供知識儲備。

4.設(shè)計(jì)方案

教師引導(dǎo)學(xué)生利用相關(guān)知識與技術(shù)，設(shè)計(jì)出解決問題的方案，展開小組共同交流和溝通，分享研究成果。

5.評價(jià)反饋

通過教師評價(jià)，學(xué)生之間的相互評價(jià)，針對不同方案比較，反饋出問題解決的最理想方案，達(dá)成教學(xué)目標(biāo)。

五、教學(xué)過程

1引入課題

播放錄像：對浮頭的魚加入某種物質(zhì)，魚起死回生。引出課題，激發(fā)學(xué)生的好奇心，自然而然提出問題，吸引學(xué)生注意力，使學(xué)生的思維集中到本節(jié)課的主題。

2.查閱資料

百度有關(guān)魚浮靈圖片資料，了解魚浮靈增氧的原理并把該原理用化學(xué)方程式表示，培養(yǎng)學(xué)生獲取信息并把信息轉(zhuǎn)化為化學(xué)用語的能力。

3.猜想和假設(shè)

學(xué)生根據(jù)資料猜想魚浮靈成分可能的三種情況，即過氧化鈣、過氧碳酸鈉或者兩者的混合物，有利于自身思維發(fā)散性的培養(yǎng);而對三種可能情況的進(jìn)一步分析，魚浮靈配成溶液時(shí)沒有渾濁產(chǎn)生，不可能是兩者的混合物，也有利于學(xué)生思維深刻性的挖掘。

4.定性探究

具體流程如下：

學(xué)生課堂中設(shè)計(jì)方案如下：

方案1：取樣溶于水，配成溶液，向其中加入鹽酸，產(chǎn)生能使澄清石灰水渾濁的氣體，證明是過氧碳酸鈉。

方案2：取樣溶于水，配成溶液，向其中加入碳酸鹽，如果產(chǎn)生沉淀，證明是過氧化鈣。

方案3：取樣溶于水，配成溶液，靜置后加入二氧化錳，有氣體產(chǎn)生則證明是過氧碳酸鈉。

方案4：取樣溶于水，配成溶液，進(jìn)行焰色反應(yīng)，黃色證明是過氧碳酸鈉，磚紅色證明是過氧化鈣。

方案5：取樣溶于水，配成溶液，加酸堿指示劑，如酚酞，觀察顏色。

方案6：取樣溶于水，配成溶液，通入二氧化碳，根據(jù)是否出現(xiàn)渾濁來判斷。

方案7：取樣溶于水，配成溶液，加氯化鋇，根據(jù)是否出現(xiàn)渾濁來判斷。

5.定量探究

環(huán)節(jié)一：實(shí)驗(yàn)原理的設(shè)計(jì)

從數(shù)學(xué)角度分析達(dá)成實(shí)驗(yàn)?zāi)康男枰獪y的量，基于定量實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的基本原則和化學(xué)定量實(shí)驗(yàn)測定的基本方法確定實(shí)驗(yàn)原理。

課堂中學(xué)生討論結(jié)果：

（1）最容易測的量：樣品總質(zhì)量，但魚浮靈不是純凈物，雜質(zhì)的量是未知的，所以測量總質(zhì)量沒有意義。

（2）討論測定采用的方法：把直接測量改為間接測量，若分別間接測定碳酸鈉、過氧化氫的量，需要做兩次實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)次數(shù)越多，引入誤差的可能性越大，而且為了控制變量，需要取等質(zhì)量的兩份樣品。

（3）設(shè)計(jì)定量實(shí)驗(yàn)原理：學(xué)生在學(xué)習(xí)高中化學(xué)三大定量方法基礎(chǔ)上進(jìn)行本實(shí)驗(yàn)的探究，分別設(shè)計(jì)不同的測定方法，依據(jù)定量實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)“可行、簡約、精準(zhǔn)”的基本原則，經(jīng)小組合作討論得出以下意見：滴定法一有過氧化氫存在，可能會(huì)漂白指示劑，導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)失敗;重量法一需恒重操作，步驟比較繁瑣，不簡約、引入誤差較大。因此最終采用氣體法進(jìn)行間接測量，將碳酸鈉轉(zhuǎn)換為二氧化碳的體積、過氧化氫轉(zhuǎn)化為氧氣的體積，但氣體的體積受到溫度、壓強(qiáng)的影響。

學(xué)生經(jīng)過討論確定定量實(shí)驗(yàn)方案如下：依據(jù)阿伏加德羅定律：同溫同壓下兩種氣體的體積比等于物質(zhì)的量之比，魚浮靈與硫酸反應(yīng)會(huì)同時(shí)產(chǎn)生二氧化碳和氧氣，測定在相同實(shí)驗(yàn)條件下兩種氣體的產(chǎn)生量，避免了單獨(dú)測量氣體體積過程中溫度、壓強(qiáng)對體積測定的影響。

環(huán)節(jié)二：思考實(shí)驗(yàn)關(guān)鍵

傳統(tǒng)定量測定二氧化碳含量由于二氧化碳的溶解會(huì)引入較大的實(shí)驗(yàn)誤差，怎樣避免二氧化碳的溶解、保證二氧化碳測量的精準(zhǔn)是本實(shí)驗(yàn)需要考慮的。

提出問題：如何盡可能讓二氧化碳逸出？

學(xué)生討論確定要采取的措施：借鑒實(shí)驗(yàn)室制取二氧化硫的試劑，選用6mol/L的硫酸，既能提供一定量的氫離子，保證反應(yīng)的發(fā)生，又可以減少二氧化碳的溶解。同時(shí)采取磁力攪拌、加熱等方法促進(jìn)二氧化碳的逸出。

環(huán)節(jié)三：設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)裝置

學(xué)生由中學(xué)常見的量氣裝置為切入點(diǎn)探討（圖4），在思辨中設(shè)計(jì)新的實(shí)驗(yàn)裝置（圖5）。

提出問題：怎樣分別準(zhǔn)確測量二氧化碳和氧氣的量？

環(huán)節(jié)四：設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)步驟和實(shí)驗(yàn)操作

1.按圖6組裝好儀器，將傳感器通過數(shù)據(jù)采集器與電腦連接，檢查裝置的氣密性。

2.向三口燒瓶中添加一定量的魚浮靈，用注射器向其中添加6mol/L的硫酸。

3.打開磁力攪拌器，開啟加熱開關(guān)。

環(huán)節(jié)五：數(shù)據(jù)處理，得出結(jié)論

試管中裝魚浮靈固體，兩支注射器先后加入水、硫酸，用另一支注射器測定出產(chǎn)生氧氣和二氧化碳的體積。本裝置注射器活塞受的摩擦力較大，測量誤差較大。

三口燒瓶為反應(yīng)器，磁力攪拌、升溫加熱，用二氧化碳、氧氣傳感器測定同溫同壓下兩種氣體的體積，結(jié)果更精準(zhǔn)。

六、結(jié)語

本實(shí)驗(yàn)以魚浮靈為內(nèi)容載體，以“STEM”教育為核心，以高中化學(xué)定量實(shí)驗(yàn)方法為依據(jù)，整合物理、化學(xué)等學(xué)科的相關(guān)知識，引導(dǎo)學(xué)生在選擇實(shí)驗(yàn)方案，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)裝置設(shè)計(jì)過程中鞏固基本學(xué)科知識、基本操作方法、發(fā)展自身的思辨性思維，形成“精準(zhǔn)”的定量思維意識，發(fā)展自身的STEM素養(yǎng)。實(shí)驗(yàn)教學(xué)設(shè)計(jì)與實(shí)施突出三大特色：“減、精、融”。減：指將兩組數(shù)據(jù)的測定改為一組，省略稱量、恒重等操作。精：指實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)采取酸過量、攪拌、加熱、數(shù)字傳感器的使用等方法減少二氧化碳的溶解，使測量結(jié)果更加準(zhǔn)確，借助數(shù)字傳感器檢查裝置的氣密性突破傳統(tǒng)思維。融：指定量儀器的變化，高科技數(shù)字技術(shù)與傳統(tǒng)量氣裝置融合。