“STSE綜合實(shí)驗(yàn)”的5E教學(xué)模式探析

胡佳敏

(山西師范大學(xué) 教師教育學(xué)院，山西 臨汾 041000)

化學(xué)與技術(shù)、社會、環(huán)境之間的關(guān)系越來越密切，選修模塊中增加了“STSE綜合實(shí)驗(yàn)”專題，通過科學(xué)—技術(shù)—社會—環(huán)境教育將STSE思想滲透于課堂教學(xué)之中，讓學(xué)生在掌握化學(xué)的基本術(shù)語與概念、科學(xué)過程與原理及化學(xué)與社會的聯(lián)系的基礎(chǔ)上，促進(jìn)學(xué)生科學(xué)素養(yǎng)的發(fā)展，使化學(xué)教學(xué)真正深人學(xué)生的骨髓?？梢姟癝TSE綜合實(shí)驗(yàn)”與課堂教學(xué)有效融合是現(xiàn)在及未來研究的重點(diǎn)。

1 “STSE綜合實(shí)驗(yàn)”的5E教學(xué)模式探析

“STSE綜合實(shí)驗(yàn)”中S科學(xué)、T是技術(shù)、S是社會、E是環(huán)境。5E教學(xué)模式描述了一種能用于總課程、具體學(xué)科課程或某一節(jié)具體課的教學(xué)程序[1]，包括5個教學(xué)環(huán)節(jié)，即參與、探究、解釋、精致和評價[2]。構(gòu)建面向“STSE綜合實(shí)驗(yàn)”的5E教學(xué)模式，如圖1所示。

圖1 “STSE綜合實(shí)驗(yàn)”的5E教學(xué)模式

2 “STSE綜合實(shí)驗(yàn)”的5E教學(xué)模式案例

本研究選擇“STSE綜合實(shí)驗(yàn)”——自制水果原電池，用生活中的材料設(shè)計(jì)簡易原電池為探究主題，制作簡易原電池的探究過程中涉及到原電池構(gòu)成要素的科學(xué)知識S，制作簡易原電池屬于技術(shù)T，原電池原理在生產(chǎn)生活中的應(yīng)用屬于社會S，而從能量轉(zhuǎn)化的角度實(shí)現(xiàn)“綠色化學(xué)”的思想屬于環(huán)境E，將5E教學(xué)模應(yīng)用于“STSE綜合實(shí)驗(yàn)”——自制水果原電池教學(xué)中。

2.1 參與環(huán)節(jié)：創(chuàng)設(shè)真實(shí)情境，引發(fā)認(rèn)知沖突

【情境創(chuàng)設(shè)】播放燃煤發(fā)電、風(fēng)力發(fā)電的小視頻

【師】視頻中發(fā)生了怎樣的能量轉(zhuǎn)化呢？

【生】火力發(fā)電通過燃燒使化學(xué)能轉(zhuǎn)化為熱能，熱能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能最終轉(zhuǎn)化為電能，風(fēng)力發(fā)電是化學(xué)能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能再轉(zhuǎn)化為電能。

【師】思考一下燃煤發(fā)電與風(fēng)力發(fā)電有什么不足呢？

【生】火力發(fā)電浪費(fèi)能源，污染環(huán)境；風(fēng)力發(fā)電需要的條件苛刻；能量損耗多，電能易浪費(fèi)

【師】大家想的很全面，如何提高能量轉(zhuǎn)化率呢？如何防止電能浪費(fèi)呢？

【生】電池可以將化學(xué)能直接轉(zhuǎn)化為電能，還可以儲存電能，防止浪費(fèi)。

教師播放有關(guān)風(fēng)力、火力發(fā)電的視頻，通過熟悉的場景向?qū)W生發(fā)問，讓學(xué)生不由自主的參與到課堂中來，教師進(jìn)一步發(fā)問:如何提高能量轉(zhuǎn)化率，防止電能浪費(fèi)？在學(xué)生的表述中，電池就是把化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能，并儲存電能，暴露了學(xué)生關(guān)于電池的能量轉(zhuǎn)化、電池儲能形式的認(rèn)知沖突。教師在參與這一環(huán)節(jié)重點(diǎn)在于讓學(xué)生在真實(shí)的情境中暴露前概念。

2.2 探究環(huán)節(jié)：科學(xué)探究，合作交流

【師】3～4人一組，根據(jù)老師補(bǔ)充的氧化還原和大家所學(xué)的電學(xué)知識，利用檸檬，銅片、鋅片、導(dǎo)線、發(fā)光二極管制作簡易化學(xué)電池。

【師】大家在探究過程中思考并回答四個問題：①自制化學(xué)電池中能量如何轉(zhuǎn)化？②自制化學(xué)電池化學(xué)電池由哪幾部分構(gòu)成？③電流和電子的流動方向，④裝置的正負(fù)極的判定方法。

【生】把銅片與鋅片插入檸檬，用導(dǎo)線將銅片、鋅片、發(fā)光二極管連接起來形成閉合回路。

【師】同學(xué)們的實(shí)驗(yàn)完成的都很好，大家觀察到了什么？

【生】發(fā)光二極管有的亮了，有的沒有亮。

該環(huán)節(jié)教師提供必須的實(shí)驗(yàn)材料、背景知識，學(xué)生設(shè)計(jì)簡單的實(shí)驗(yàn)方案，合作完成實(shí)驗(yàn)操作，收集實(shí)驗(yàn)證據(jù)，實(shí)現(xiàn)真正的自主探究。教師對學(xué)生的探究過程進(jìn)行評價，診斷學(xué)生“科學(xué)探究與創(chuàng)新意識”的素養(yǎng)水平，學(xué)生具備基本的科學(xué)探究知識，可以自己設(shè)計(jì)、完成探究實(shí)驗(yàn)方案達(dá)到了水平2，教師引導(dǎo)學(xué)生明確探究需解決的問題，發(fā)展學(xué)生的科學(xué)探究能力，暴露更多的前概念和實(shí)驗(yàn)技能。

2.3 解釋環(huán)節(jié)：學(xué)生表達(dá)，教師補(bǔ)充

【師】自制化學(xué)電池中能量是如何轉(zhuǎn)化的？由哪幾部分構(gòu)成？

【生】自制化學(xué)電池中由化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能。自制化學(xué)電池構(gòu)成要素包括導(dǎo)線，正負(fù)極，(少部分同學(xué)能回答出電解質(zhì)溶液)。

【師】電解質(zhì)溶液也是自制化學(xué)電池的構(gòu)成要素，在大家自制的化學(xué)電池中，有了導(dǎo)線、正負(fù)極、電解質(zhì)溶液與發(fā)光二極管，還有什么必要條件呢？想一想大家拿到材料后，做了什么呢？

【生】相互連接，形成了閉合回路

【師】同學(xué)們普遍能說出自制化學(xué)電池中的能量變化，但對自制化學(xué)電池的構(gòu)成要素表述的不是很準(zhǔn)確。

【師】我們把化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能的這種裝置叫做原電池，原電池的構(gòu)成要素包括：①活潑性不同的兩個電極，至少一種是金屬；②電解質(zhì)溶液；③形成閉合回路；④能自發(fā)發(fā)生氧化還原反應(yīng)(本質(zhì))。

【師】同學(xué)們是如何判斷電流和電子的方向？

【生】銅片與發(fā)光二極管正極相連，二極管發(fā)光，表明銅片是正極，鋅片是負(fù)極，電流從正極流向負(fù)極，即銅片流向鋅片，而電子流動方向與電流方向相反，從負(fù)極流向正極，即電子從鋅片流向銅片。

【師】同學(xué)們分析的很好，化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能的關(guān)鍵是氧化還原反應(yīng)，依據(jù)電子的流動方向，分析一下氧化還原反應(yīng)。

【生】鋅片(負(fù))：Zn-2e-=Zn2+(氧化反應(yīng))；銅片(正)：Cu2++2e-=Cu(還原反應(yīng))

【師】同學(xué)們認(rèn)同這種說法嗎？

【生】正極銅片沒有Cu2+，所以不是Cu2+得電子，水果中的果汁存在酸性電解質(zhì)H+，依據(jù)金屬活動性順序表中氫在銅的前面，H+從銅片獲得電子以H2的形式逸出。

鋅片(負(fù))：Zn-2e-=Zn2+(氧化反應(yīng))

銅片(正)：2H++2e-=H2↑(還原反應(yīng))

【師】這位同學(xué)說的很好，現(xiàn)在，我們來思考一下：同學(xué)們是如何判斷原電池的正負(fù)極呢？

【生】根據(jù)氧化還原反應(yīng)；金屬活動性順序表；電流的方向

【師】原電池正負(fù)極的判定方法：①負(fù)極發(fā)生氧化反應(yīng)，正極發(fā)生還原反應(yīng)；③活潑性高的做負(fù)極，活潑性低的做正極；②電子由負(fù)極流向正極。

該環(huán)節(jié)是5E教學(xué)模式的“關(guān)鍵環(huán)節(jié)”，主要由學(xué)生進(jìn)行解釋、表達(dá)，教師只需再組織給學(xué)生一個明確的、科學(xué)的解釋，引入新概念，新知識，促進(jìn)學(xué)生正確理解。教師引入“原電池”概念，補(bǔ)充背景知識，引導(dǎo)學(xué)生解釋原電池的工作原理。學(xué)生基于實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象進(jìn)行分析，解釋并展示交流，達(dá)到了“科學(xué)探究與創(chuàng)新意識”的素養(yǎng)水平3。

2.4 精致環(huán)節(jié)：學(xué)生遷移，解決問題

【師】馬克太太最近牙疼，頭暈，看醫(yī)生也沒有找到病因，只知道馬克太太前段時間在上頜鑲了一顆金牙，這幾天在那顆牙的對頜位置鑲了一顆不銹鋼牙，大家?guī)婉R克太太找找病因。

【生】鐵(不銹鋼)與金活潑性不同，由于唾液中含有電解質(zhì)，構(gòu)成了原電池，產(chǎn)生了電流，導(dǎo)致牙痛，頭暈的癥狀

【師】謝謝大家解決了馬克太太的苦惱，現(xiàn)在老師有一個疑惑，誰能為老師解答一下呢？輪船在海水中航行易被海水腐蝕，有經(jīng)驗(yàn)的船長在輪船水下部分裝上鋅塊，發(fā)現(xiàn)腐蝕速度減緩了，這是什么原理呢？

【生】利用了原電池原理，鋅塊、鐵(船身)和海水構(gòu)成原電池，從而防止鐵被腐蝕。

【師】原電池原理的發(fā)現(xiàn)與應(yīng)用，節(jié)約了資源，實(shí)現(xiàn)了可持續(xù)發(fā)展，也為我們的生活帶了很多便利。我們要將學(xué)習(xí)到的理論知識聯(lián)系實(shí)際，解決了生活實(shí)際問題，形成將化學(xué)成果應(yīng)用于生產(chǎn)生活的意識。

“精致”就是進(jìn)行知識遷移，教師引導(dǎo)學(xué)生在新的情境或新的活動中應(yīng)用新知識，拓展對新概念、新知識的理解。該環(huán)節(jié)中教師創(chuàng)設(shè)“馬克太太患病”、“船體防腐”的新情境，引導(dǎo)學(xué)生鞏固原電池的構(gòu)成要素，教師通過學(xué)生對知識遷移情況，了解學(xué)生已具備“解釋說明”“推斷預(yù)測”的高階思維，達(dá)到了”科學(xué)態(tài)度與社會責(zé)任”的水平3。

2.5 評價環(huán)節(jié)：評價多樣化

【師】現(xiàn)在我們開始回憶我們最初要解決的問題：降低能量轉(zhuǎn)化率，防止電能浪費(fèi)。同學(xué)們提出利用電池將化學(xué)能直接轉(zhuǎn)化為電能，減少能量轉(zhuǎn)化率，還可以儲存電能，防止浪費(fèi)，現(xiàn)在

大家討論一下，我們這個解決方法的表述中有沒有錯誤。

【生】電池儲存的是化學(xué)能(少部分同學(xué))

【師】電池與我們生活密切相關(guān)，電池是將化學(xué)能直接轉(zhuǎn)化為電能，把可產(chǎn)生的電能以化學(xué)能的形式儲存起來，而不是儲存電能。

【師】現(xiàn)代社會電池在儲能和供能方面有很大的發(fā)展，新型電池研發(fā)集中于高效、環(huán)保，遵循“綠色化學(xué)”的思想。

教師通過觀察學(xué)生的實(shí)驗(yàn)操作，評價學(xué)生對該實(shí)驗(yàn)中問題的分析與解釋，了解學(xué)生對新知識、新概念的掌握情況及問題解決能力。在評價過程中讓學(xué)生對“綠色化學(xué)”有了深層次的感受，不再單純的認(rèn)為“綠色化學(xué)”就是減少尾氣排放、使用無污染原料這種“喊口號”式的化學(xué)思想，體會研制新型電池對能源、環(huán)境的重要性。

3 小結(jié)

針對“STSE綜合實(shí)驗(yàn)”來說，5E教學(xué)模式以“探究”為中心，處于不斷循環(huán)中，當(dāng)一個教學(xué)環(huán)節(jié)結(jié)束后，我們可以以這個教學(xué)環(huán)節(jié)為起點(diǎn)，引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行新一輪的科學(xué)探究，全方位、多角度的培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新思維及解決問題的能力。教師要利用5E教學(xué)模式引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行“STSE綜合實(shí)驗(yàn)”，發(fā)展學(xué)生的實(shí)驗(yàn)?zāi)芰?，培養(yǎng)學(xué)生“理論聯(lián)系實(shí)際”、“綠色化學(xué)”的化學(xué)思想。