培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新實驗設(shè)計能力的項目式學(xué)習(xí)的開展研究

楊淑賢

【內(nèi)容摘要】化學(xué)是一門以實驗為主的自然科學(xué)，而且與能源、工程、數(shù)學(xué)、經(jīng)濟、環(huán)保等多個學(xué)科存在密切關(guān)聯(lián)，因此，近年來，STEAM教育理念逐步滲透到高中化學(xué)實驗課堂，旨在通過課堂實驗環(huán)節(jié)，使學(xué)生熟練掌握化學(xué)反應(yīng)原理，并將化學(xué)知識與多學(xué)科知識點融合到一起，為解決現(xiàn)實生活當(dāng)中的化學(xué)問題做好鋪墊。本文將基于STEAM 教育理念，就如何在高中化學(xué)實驗課堂培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新實驗設(shè)計能力所開展的項目式學(xué)習(xí)策略予以全面闡述。

【關(guān)鍵詞】高中化學(xué)? STEAM教育理念? 實驗設(shè)計能力? 項目式學(xué)習(xí)

STEAM教育是集科學(xué)、技術(shù)、工程、藝術(shù)、數(shù)學(xué)多學(xué)科融合的綜合教育，在高中化學(xué)實驗課堂引入STEAM 教育理念，不僅能夠拓寬學(xué)生視野，培養(yǎng)學(xué)生的自主探究能力，而且也能夠提高學(xué)生的創(chuàng)新實驗設(shè)計能力。因此，如何在STEAM教育背景下，利用項目式學(xué)習(xí)方法，使學(xué)生對化學(xué)知識產(chǎn)生濃厚的學(xué)習(xí)興趣，已經(jīng)成為高中化學(xué)課堂的首要任務(wù)。

一、情境導(dǎo)入，興趣激發(fā)

過去，在高中化學(xué)教學(xué)課堂，教師往往采取“滿堂灌”式的教學(xué)方法，以理論知識傳授為主，實驗實踐環(huán)節(jié)為輔，導(dǎo)致部分學(xué)生對化學(xué)知識失去學(xué)習(xí)興趣，尤其在課堂實驗環(huán)節(jié)，教師的演示過程占用了大量的時間，無形當(dāng)中就限制了學(xué)生的想象力與創(chuàng)造力，課堂教學(xué)效果也大打折扣。為了避免這種情況的出現(xiàn)，化學(xué)教師應(yīng)當(dāng)及時轉(zhuǎn)變教學(xué)觀念，通過設(shè)置教學(xué)情境的方法將學(xué)生帶入到真實的化學(xué)實驗場景當(dāng)中，并充分發(fā)揮學(xué)生的創(chuàng)造力與創(chuàng)新力，進而構(gòu)建一個趣味性的化學(xué)教學(xué)課堂。

以《原電池》的單元知識為例，為了讓學(xué)生參與到制作原電池的實驗項目當(dāng)中，在教學(xué)活動開始之前，教師首先設(shè)置一個教學(xué)情境：為了紀念學(xué)校成立50周年，學(xué)校舉辦了大型的文藝匯演，在匯演現(xiàn)場需要用到大量的氫氣球，而制備氫氣的任務(wù)正好落到了高三五班的身上，學(xué)校的實驗當(dāng)中有含Cu等雜質(zhì)的粗鋅以及較純的鋅粒，請同學(xué)們通過自主實驗來驗證是選取粗鋅還是選取鋅粒來制備氫氣，并且如何加快反應(yīng)速度。根據(jù)這一真實的情境，學(xué)生能夠快速進入到自主實驗狀態(tài)。將Cu片插入稀H2SO4時，沒有出現(xiàn)任何化學(xué)反應(yīng)現(xiàn)象，將Zn片插入稀H2SO4時，Zn片上有氣泡產(chǎn)生，將Cu片與Zn片同時插入稀H2SO4時，Zn片上有氣泡產(chǎn)生，如果與電流計相連，發(fā)現(xiàn)Cu片上產(chǎn)生氣泡，并電流計的指針發(fā)生偏轉(zhuǎn)。學(xué)生通過自主設(shè)計實驗，能夠得出結(jié)論，在制備氫氣時，應(yīng)當(dāng)選取粗鋅，因為粗鋅當(dāng)中含有Cu等雜質(zhì)，當(dāng)與稀H2SO4以及導(dǎo)線構(gòu)成原電池后，粗鋅中的Cu就會與H2SO4發(fā)生化學(xué)反應(yīng)而生成氫氣。通過情境導(dǎo)入的方法，能夠幫助學(xué)生對化學(xué)知識產(chǎn)生濃厚的學(xué)習(xí)興趣，同時，對自主探究能力的提升也大有幫助。

二、融入生活，創(chuàng)設(shè)項目

STEAM教育理念所提及的多種學(xué)科都與現(xiàn)實生活有著密切關(guān)系，因此，在實踐教學(xué)當(dāng)中，教師應(yīng)將教學(xué)過程與生活元素緊密聯(lián)系到一起，創(chuàng)設(shè)一個化學(xué)實驗項目，使學(xué)生在自主構(gòu)建實驗項目過程中，使學(xué)生的創(chuàng)新實驗設(shè)計能力得到充分鍛煉。

比如以“釀制米酒”的化學(xué)實驗項目為例，在學(xué)生實踐操作之前，教師應(yīng)當(dāng)對酒的成分與配制原理進行講授。米酒的主要成分是乙醇，乙醇的物理特征是常溫下為液態(tài)，而且無色透明，易燃，易揮發(fā)，沸點與汽化點是78.3℃，冰點為-114℃，因此，細菌在乙醇當(dāng)中無法存活。米酒的釀造過程主要分為發(fā)酵與蒸餾兩個部分。發(fā)酵時，需要用到糖與酶兩種物質(zhì)。其中糖分包括葡萄糖與麥芽糖，因為谷物當(dāng)中含有大量的淀粉，而淀粉經(jīng)過工藝處理生成麥芽糖，所以在配制米酒時可以選擇谷物作為發(fā)酵物①。

在教師的輔助指導(dǎo)下，學(xué)生的腦海當(dāng)中能夠快速浮現(xiàn)出釀制米酒的場景，并在生活當(dāng)中選取釀制米酒的原料。比如有的學(xué)生以糯米、酒曲、水作為釀制米酒的主要原料，選用的釀制器具包括容器、蒸鍋、搟面杖、屜布等，然后進入到釀制工序。首先將糯米用清水淘3至5遍，將淘好的糯米放置在容器當(dāng)中浸泡12小時以上，對泡好的糯米再一次進行清洗，清洗遍數(shù)以2次為宜，然后將糯米放入蒸鍋內(nèi)蒸至8分熟，取出后與酒曲混合。接下來進入到發(fā)酵工序，發(fā)酵溫度應(yīng)當(dāng)保持在30℃左右，發(fā)酵時間以2～3天為宜，即可聞到酒香。學(xué)生通過自主創(chuàng)設(shè)與完成實驗項目，能夠從中汲取到化學(xué)知識養(yǎng)分，而且也能夠掌握米酒的釀制方法。在日常生活當(dāng)中，學(xué)生可以在家人面前大顯身手，利用所學(xué)的化學(xué)知識為家人釀制香飄四溢的美酒，將進一步增強學(xué)生的自信心與成就感。

三、項目拓展，能力提升

借助于STEAM教育理念旨在幫助學(xué)生掌握多學(xué)科知識，進而培養(yǎng)全面型應(yīng)用人才，因此，在高中化學(xué)課堂，教師可以將化學(xué)實驗與其他學(xué)科之間建立起共性關(guān)系，使學(xué)生在熟練掌握化學(xué)實驗原理的同時，能夠?qū)W到更多書本上無法學(xué)到的知識點。為了突顯教學(xué)成果，教師可以采取項目式學(xué)習(xí)方法，為學(xué)生布置一個課后實踐項目，然后由學(xué)生本人將實踐項目成果與其他學(xué)生進行分享，通過這種方法能夠有效激發(fā)學(xué)生的個人潛質(zhì)，同時，與STEAM教育理念也不謀而合。

比如近年來，大氣環(huán)境污染現(xiàn)象日趨嚴重，尤其是汽車尾氣排放量，隨著汽車保有量的增加而不斷攀升，全國多個城市出現(xiàn)了霧霾天氣。因此，許多科研工作者也相繼投身到研制新型環(huán)保燃料的事業(yè)當(dāng)中，并取得了階段性成果。教師以此作為項目創(chuàng)設(shè)的背景，讓學(xué)生利用所學(xué)過的化學(xué)知識，自主設(shè)計一個“鹽水動力車”，并將設(shè)計成果展示給大家。

學(xué)生在接收到這一實驗設(shè)計項目后，首先對“鹽水動力車”的化學(xué)原理進行研究和探討，因為鹽水的主要成分是NaCl的電解液，電解液當(dāng)中含有大量的Na+和Cl-離子，正常情況下，這種離子能夠在溶液當(dāng)中自由移動，由于在動力車當(dāng)中，設(shè)置了一個過濾裝置，使其中的某一個離子透過過濾網(wǎng)而跑到另外一邊，或者在盛放鹽水的容器兩邊分別放置一塊金屬板，這樣，Na+就更容易聚集在一端，而Cl-離子則聚集在另一端。此時，由于正負離子不平衡而出電勢差，而電解液就相當(dāng)于一節(jié)電池，在電池的驅(qū)動下，鹽水動力車內(nèi)部的微型直流電機就會旋轉(zhuǎn)起來而帶動車輛向前行駛。通過對“鹽水動力車”化學(xué)原理的了解和掌握，學(xué)生可以自主設(shè)計一個能夠跑起來的動力車。這種布置課后實驗項目的方法，使學(xué)生對環(huán)保知識有了更加深刻的認知，同時，將化學(xué)知識與環(huán)保知識有機的融合到一起，不僅充實了學(xué)生的知識儲備，而且對提高學(xué)生的創(chuàng)新實驗設(shè)計能力也具有積極的促動作用。

四、結(jié)合教材，實驗創(chuàng)新

在高中化學(xué)教材當(dāng)中，設(shè)置的每一個實驗項目不僅涵蓋了化學(xué)知識點，而且與數(shù)學(xué)、工程、能源、環(huán)保等多個學(xué)科息息相關(guān)?；诖耍處煈?yīng)當(dāng)以化學(xué)教材為出發(fā)點，結(jié)合教材當(dāng)中的化學(xué)實驗項目，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新實驗設(shè)計能力。在學(xué)生設(shè)計實驗過程中，教師應(yīng)當(dāng)扮演輔助指導(dǎo)的角色，隨時對學(xué)生提出的質(zhì)疑予以解答，幫助學(xué)生順利完成實驗過程。

在學(xué)到“設(shè)計一座硫酸廠”的知識點時，教師可以根據(jù)化學(xué)反應(yīng)原理，為學(xué)生提出一些設(shè)計方案。比如SO2+O2、H2S+CuSO4、SO2+Cl2+H2O、S+O2、FeS2→SO2→SO3→H2SO4、CaSO4→SO2→SO3→H2SO4這六種方案，教師首先選擇學(xué)生代表找出無法實現(xiàn)的方案，然后予以排除。學(xué)生：“方案1中，在自然界當(dāng)中并不存在現(xiàn)成的材料，方案2和3當(dāng)中，很明顯存在H2S、Cl2兩種有毒氣體，如果用于制備硫酸，不僅對生態(tài)環(huán)境造成影響，而且也會引發(fā)中毒事故。因此，在設(shè)計硫酸廠時，可以選擇4、5、6方案?！痹诮處煹囊龑?dǎo)與提示下，學(xué)生能夠快速確定制備硫酸的方案。接下來，為了增強課堂互動性，活躍課堂氣氛，教師可以將學(xué)生劃分為四個合作小組，每一個小組分別扮演在四個不同地點建設(shè)硫酸廠，并制訂出一套完整的硫酸廠建設(shè)項目計劃書。

當(dāng)賦予學(xué)生“設(shè)計師”的角色后，四個小組開始選定硫酸廠的建設(shè)位置，第一小組選擇離居民區(qū)較近的地方，第二小組選擇在風(fēng)景區(qū)附近，第三小組選擇在近海的地方，第四小組選擇在交通便利的城市郊區(qū)。在各小組確定硫酸廠的位置，并編制好項目計劃書后，教師應(yīng)當(dāng)及時對各小組的選廠位置進行點評。因為硫酸制備屬于高危生產(chǎn)行業(yè)，在制備硫酸過程中，將產(chǎn)生大量的有毒有害氣體以及工業(yè)廢水、廢渣，第一小組選擇的廠址，離居民區(qū)較近，這樣容易影響居民的正常生活。第二小組選擇的廠址，離風(fēng)景區(qū)比較近，生產(chǎn)過程中排放出的有毒有害廢水會給風(fēng)景區(qū)造成嚴重污染。第三小組選擇的位置靠海，一旦工業(yè)廢水排放到海水當(dāng)中，就會污染海里的生物。而第四小組選擇城市郊區(qū)，由于交通發(fā)達，人力資源成本低，因此，第四小組的選廠位置比較合理。通過教師的點評，各小組及時對設(shè)計方案進行修改，進而設(shè)計出一座符合城市發(fā)展需要的現(xiàn)代化硫酸加工廠。這種自主創(chuàng)設(shè)實驗項目的方法，使學(xué)生增強了社會責(zé)任感，樹立高度的責(zé)任意識與環(huán)保意識，同時，也將化學(xué)知識轉(zhuǎn)化為與工業(yè)生產(chǎn)相關(guān)聯(lián)的綜合性應(yīng)用知識，學(xué)生在自主探究過程中，創(chuàng)新實驗設(shè)計能力也得到大幅提升②。

五、借助工具，激發(fā)創(chuàng)意

目前，多媒體設(shè)備已成為化學(xué)教學(xué)課堂不可或缺的教學(xué)演示工具，這一工具的實際應(yīng)用不但提升了課堂教學(xué)效率，而且也使整個教學(xué)過程變得清晰直觀，學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中，也容易快速吸收相關(guān)的化學(xué)知識點。因此，在教學(xué)過程中，教師可以將化學(xué)實驗項目的演示過程呈現(xiàn)在學(xué)生面前，使學(xué)生通過觀看演示步驟，學(xué)會自主創(chuàng)設(shè)化學(xué)實驗項目，進而提高學(xué)生的自主創(chuàng)新能力。比如在學(xué)到“純堿制造技術(shù)”的知識點時，教師首先將純堿的主要用途利用視頻影像的方式播放出來，然后對純堿的制造過程進行演示。工業(yè)制造純堿一般采用聯(lián)合制堿法，其化學(xué)反應(yīng)原理是：

這種方法的優(yōu)點是食鹽的利用率能夠提高到96%以上，而且生成物中的NH4Cl可以用做氮肥。當(dāng)純堿制備過程演示完畢后，教師可以給學(xué)生布置一個學(xué)習(xí)任務(wù)，讓學(xué)生結(jié)合視頻演示過程，自主設(shè)計一個制造純堿的方案，然后比較哪一位學(xué)生的方案更具可行性。通過這種方法，能夠引發(fā)學(xué)生的情感共鳴，幫助學(xué)生快速吸收化學(xué)知識點，而且對化學(xué)實驗在工業(yè)生產(chǎn)方面的用途也產(chǎn)生了深刻認知，對培養(yǎng)學(xué)生的化學(xué)實踐應(yīng)用能力將大有裨益。

結(jié)束語

綜上，基于STEAM教育理念，教師將項目式學(xué)習(xí)方法引入到高中化學(xué)課堂，這種新型的教學(xué)模式不僅是培養(yǎng)應(yīng)用型人才、全面型人才的一條有效路徑，同時，也是提高課堂教學(xué)效率的一項重要舉措。因此，在實踐教學(xué)當(dāng)中，教師應(yīng)當(dāng)緊緊圍繞學(xué)生的主觀需求，以培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新實驗設(shè)計能力為主抓手，整合豐富的教學(xué)資源，為學(xué)生搭建一個施展個人才華、體現(xiàn)個人魅力的廣闊發(fā)展平臺。

【注釋】

① 林兆霞、陳霞. 基于“項目式教學(xué)”的普通高中化學(xué)實踐教學(xué)研究[J]. 考試周刊，2020（44）：139-140.

② 袁歡、姜建文. 魯科版新教材“微項目”模塊分析與教學(xué)建議——以高中化學(xué)必修教材為例[J]. 中學(xué)化學(xué)教學(xué)參考，2020（2）：10-13.

（作者單位：山東省平度師范學(xué)校）