融合STEM理念優(yōu)化基于學習共同體的初中化學課堂教學

趙國華

摘要： 用學生學習共同體活動的視角，對美國杰森課堂STEM教育“這是一個爆炸”項目進行解讀。探索融合STEM理念的初中化學課堂教學，以學生學習共同體活動為基礎(chǔ)，基于真實情境實施項目學習，基于自主合作開展探究活動，基于迭代學習優(yōu)化研究過程。實現(xiàn)為素養(yǎng)而教育，為創(chuàng)新而學習。

關(guān)鍵詞： STEM; 學生學習共同體; 初中化學; 課堂教學; 項目學習

文章編號： 10056629（2020）06004305? 中圖分類號： G633.8? 文獻標識碼： B

STEM是科學（Science）、技術(shù)（Technology）、工程（Engineering）、數(shù)學（Math）的字母縮略詞，有時還加上藝術(shù)（Art），合稱STEAM。 STEM教育可以從兩方面理解： 一方面，STEM是為解決真實世界的問題，有目的、有方法、有系統(tǒng)地將四門學科進行融合而形成的一門綜合性課程;另一方面，STEM是以科學或工程問題的課程為主線，為學生提供一系列關(guān)聯(lián)性學習經(jīng)歷的一種學習方式或教學策略。本文所采用的是后一種。

學生學習共同體是學生以完成共同的學習任務(wù)為載體，以促進成員全面成長為目的，以自主學習為基礎(chǔ)、探究學習為核心、合作學習為手段，互為學習伙伴，互求互助，互幫互暖，分享彼此的情感、體驗和觀念，有共同目標和明確責任分工的學習團體。主要是以小組學習共同體為基本載體與重要形式。

2017年教育部首次把STEM概念融入課程標準。STEM教育與核心素養(yǎng)在人才觀、創(chuàng)新觀與知識觀等方面有高度的契合性，和學生學習共同體活動的內(nèi)涵與形式有廣泛的相似性。本文嘗試通過對美國杰森課堂STEM教育的項目解讀，就實施融合STEM理念的初中化學課堂教學做初步探討。

1 杰森課堂簡介

“杰森課堂”STEM教育是由美國學區(qū)教育長協(xié)會、三立國際集團和杰森課堂三個機構(gòu)共同打造的項目。項目根據(jù)上述機構(gòu)多年在世界各地培訓STEM師資的理念、方法和實踐，結(jié)合中美兩國基礎(chǔ)教育的特點，通過演示、實驗、操作、互動等方式提升教師能力。“杰森課堂”STEM教育（初中綜合）每年暑期在中國各地實施培訓教師項目，每期5天。培訓主要內(nèi)容有： 如何激勵并促進學生對STEM的興趣，培養(yǎng)學生自主研究和課堂合作;基于問題的學習方法，創(chuàng)新培養(yǎng)與最優(yōu)設(shè)計;科學與工程實踐的關(guān)鍵所在——建模及建模的作用;多媒體、多形式的教學方法與翻轉(zhuǎn)課堂;學生作業(yè)布置，課程計劃與排序的技巧等。培訓過程中，參訓教師以學生身份分成小組學習，每天以不同的核心內(nèi)容為重點，接受STEM教育的核心內(nèi)容、實踐和技術(shù)。在多媒體教學環(huán)境中，親身體驗各種注重科學和工程實踐的探究式動手實驗和活動，探索并討論多課程整合和實施的最佳做法，促使參訓教師深入理解如何培養(yǎng)學生的創(chuàng)造力與創(chuàng)新精神、批判思維與動手能力、溝通能力與合作精神，加深對各自任教學科知識的理解，不斷提高授課技能，并將此引入自己的課堂運用于實際。

2 項目課例解讀

“這是一個爆炸”是“杰森課堂”STEM教育（初中綜合）中的一個項目，從基于學生學習共同體的初中化學課堂教學的視角可以展開以下解讀。

2.1 榜樣力量

播放視頻剪輯： 了解Kobie Boykins。2011年秋天，NASA噴射推進實驗室的機械工程師Kobie Boykins和他的團隊焦急地看著Atlas V 541向火星發(fā)射，這是因為他們參與設(shè)計的“好奇號”探測車是Atlas運載火箭和其他航天器的一部分。

STEM教育非常重視積極的榜樣力量。STEM教育中的“榜樣力量和基于現(xiàn)象”的教學可以理解成基于真實情境的教學。在初中化學教學中可通過學科榜樣的正能量和基于有價值的真實情境解決真實的問題，避免情感教育的虛無化，體現(xiàn)學科知識的實用性，激勵學生參與學習探究。

2.2 錨定現(xiàn)象

科學家是怎么解決如何將航天器送上火星的問題的？或者如何將火箭送上太空？如何模擬“登陸火星情景”創(chuàng)造和測試火箭運動的？

“杰森課堂”STEM教育認為：“當學生面對科學和工程實踐研究領(lǐng)域的令人信服的自然現(xiàn)象或工程領(lǐng)域從事有意義的設(shè)計問題時，教學順序便顯得更加連貫，這些現(xiàn)象和設(shè)計問題稱為錨”?！板^定現(xiàn)象”可以理解為設(shè)置驅(qū)動性問題，真實而有價值的驅(qū)動性問題的提出可以刺激探究的熱情和動力。核心問題的提出應(yīng)根據(jù)教學內(nèi)容和學科特點并建立在充分了解學情的基礎(chǔ)上，化學課堂教學中可以讓學生根據(jù)情境先提出感興趣的問題，然后教師引導學生將生活化或工程性的問題轉(zhuǎn)化提煉為關(guān)鍵的學科問題以便展開教學。

2.3 確定模型

教師演示膠卷筒火箭實驗： 將Alka Seltzer泡騰片和水放入塑料膠卷筒中，塞好塞子倒放，片刻后膠卷筒升空。

“杰森課堂”此環(huán)節(jié)中教師利用常見的泡騰片、膠卷筒等生活化實驗素材開展演示實驗，利用教師演示確立實驗?zāi)Ｐ汀；瘜W教學中也應(yīng)引導學生從生活走進化學，從化學走向社會，將化學知識“溶解”于生活實際再“結(jié)晶”出來，使學生在基于日常生活的“化學世界”中開始探究，啟迪學生學科思維，培養(yǎng)學生探究意識、創(chuàng)新意識和實踐能力，促進學生終身發(fā)展。

2.4 合作探究

學生四人一組，猜想影響膠卷筒火箭升空的因素（尋找自變量和應(yīng)變量），學生先獨立思考，初步假設(shè)并解釋原因，然后小組合作探討并進行實驗驗證。

引起思辨是實質(zhì)性探究的開始，此環(huán)節(jié)中教師創(chuàng)設(shè)情境確定項目后，使用了思考配對分享策略，即學生先獨立思考，再組內(nèi)交流探討。根據(jù)驅(qū)動性活動任務(wù)開展合作學習是小組學習共同體活動的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。由于認知方式和學習風格存在差異，不同層次的學生會從不同角度提出個性化的解決方案，在小組合作初步實驗探究后會得到多樣性的方案，對于學生個性化學習空間的釋放和多樣性研究成果的孵化均能取得良好的效果。

2.5 交流分享

每個小組發(fā)言，全班交流后確定4種主要影響因素： 水的質(zhì)量、泡騰片的質(zhì)量、泡騰片狀態(tài)、火箭形狀。

初步探究后各小組之間的交流既可以拓寬研究思路，也可以在實驗證偽或被質(zhì)疑后及時調(diào)整方向，更可以通過歸納分析得出探究的初步規(guī)律和結(jié)論，體現(xiàn)教師在情境性探究思路上的引導作用。值得注意的是，在真實的化學課堂教學中，真實問題情境中的實驗探究是復(fù)雜的，實驗證偽和試錯也是科學探究組成的一部分，學生可以在失敗中學習，從錯誤中吸取經(jīng)驗并提出新的思路，體會現(xiàn)實世界中的科學家們真正的研究狀況。

2.6 深入研究

每小組重新確定一種影響因素后單獨展開深入研究，同時確保班級內(nèi)每種影響因素至少有兩個小組進行研究。

這里采用了STEM教育中的循環(huán)（Round Robin）策略。深入研究環(huán)節(jié)中小組成員對方案設(shè)計不斷進行改進修正和優(yōu)化完善，學生在知識理解和動手操作兩方面循環(huán)并行或串行展開的過程中，實現(xiàn)了螺旋式上升的科學探究形態(tài)，體現(xiàn)了工程設(shè)計中迭代的特點。每種因素至少有兩組獨立展開新一輪探究，鼓勵學生從多個視角思考問題，設(shè)計出不同的方案，凸顯學生的個性化，產(chǎn)生多樣性的學習結(jié)果，體現(xiàn)了STEM教育培養(yǎng)的“發(fā)散性”。

2.7 團隊會議

根據(jù)測試的變量來組織大組團隊會議，即研究同種影響因素的幾組人員集合討論分享研究發(fā)現(xiàn)，并研討以下問題： （1）雖然各組的實驗可能不同，但是怎樣才能比較各組的數(shù)據(jù);（2）是否有數(shù)據(jù)支撐總體模式;（3）基于收集到的證據(jù)你能得出什么結(jié)論。然后根據(jù)教師提供的自變量和應(yīng)變量關(guān)系如何表示資料，各團隊根據(jù)研討結(jié)果，結(jié)合各組數(shù)據(jù)畫出應(yīng)變量與自變量的相關(guān)圖像。

活動過程至此環(huán)節(jié)，學生已歷經(jīng)“獨學組學群學”的學習過程，由淺入深，由點及面，形成了多層次的學習共同體，也體現(xiàn)了杰森課堂團隊合作策略中的合理分工、民主決策、群學攻關(guān)的特點?；顒又校ㄟ^討論和分析、類比和歸納，基于證據(jù)得出結(jié)論，合理表達形成圖表;借助數(shù)學思維對研究對象進行分析、描述、計算和推理，解決科學、技術(shù)、工程領(lǐng)域的某些問題;促使學生的認知思維從橫向、縱向不斷發(fā)展延伸，達到對各學科知識與技能的整合與應(yīng)用，實現(xiàn)對知識的構(gòu)建、加工、生成和遷移，體現(xiàn)了STEM教育培養(yǎng)的“綜合性”。

2.8 大組展示

每大組用3分鐘時間進行分享。分享應(yīng)包括以下內(nèi)容： （1）測量了哪個變量;（2）描述團隊對于變量有哪些假設(shè)，如何處理不同意見;（3）簡述不同的實驗和結(jié)果;（4）根據(jù)實驗探究，分析數(shù)據(jù)并總結(jié)規(guī)律得出結(jié)果;（5）解釋下一步打算做什么。每個大組分享完畢后必須回答其他組同學對此提出的2～3個問題。

展示與分享環(huán)節(jié)呈現(xiàn)出成果充分展示、團隊有效互動、教師高效點撥的情景。不僅幫助學生知識最大限度內(nèi)化，也培養(yǎng)了學生的表達與溝通技巧，內(nèi)容（5）更促使學生對實驗設(shè)計和探究過程的整體把控和反思，對知識更深入的理解與思考。根據(jù)此前學生和教師共同制定的小組活動規(guī)范和團隊合作評價標準，結(jié)合學生自評、團隊互評和教師點評，統(tǒng)籌個人評價與團隊評價，兼顧實驗評價、展示評價和創(chuàng)新評價等。主體多元、內(nèi)容多維、形式多樣的發(fā)展性評價在此環(huán)節(jié)得到集中體現(xiàn)。

2.9 最終挑戰(zhàn)

利用實驗中所學的知識以及其他團隊的經(jīng)驗，設(shè)計一枚能夠登陸火星的火箭，并測試火箭性能。即在墻上的適當高度貼上火星圖案，火箭從地面升空后最高高度位于火星圖案中部即為成功。共計10分鐘時間。

此為實踐應(yīng)用環(huán)節(jié)。利用新知識解決具有關(guān)聯(lián)性的新問題或解釋新現(xiàn)象，引導學生參與討論、協(xié)作交流和合作探究。作品制作過程中不斷試驗、反思、改進、創(chuàng)新，實現(xiàn)知識的融會貫通、遷移運用和進一步內(nèi)化，培養(yǎng)他們團隊協(xié)作、問題探究和科學創(chuàng)新的能力，不斷提升綜合素養(yǎng)。

3 課堂教學啟示

實施融合STEM理念的化學課堂教學，不是對傳統(tǒng)學科教學的徹底否定，而是基于國家課程根本地位的堅守。在依據(jù)當前學校日常教學制度安排、尊重課堂教學基本規(guī)范的基礎(chǔ)上進行有機鏈接和整合，基于學科，適度融通，指向?qū)W科核心素養(yǎng)。因此，融合STEM理念的基于學生學習共同體的初中化學課堂教學，應(yīng)以學生學習共同體活動為抓手、化學課程內(nèi)容為核心目標，利用真實問題情境來驅(qū)動學習;以科學探究為教學活動的中心并貫穿于整個教學過程，凸顯STEM教育實施的“探究性”，體現(xiàn)STEM教育過程的“迭代性”，落實STEM教育培養(yǎng)的“發(fā)散性”。

3.1 基于真實情境實施項目學習

STEM教育常?；谡鎸崋栴}的解決開展探究學習。各版課程標準中關(guān)于創(chuàng)設(shè)情境有過如下表述： 創(chuàng)設(shè)生動而有趣的情境（2001實驗版《義務(wù)教育化學課程標準》）;創(chuàng)設(shè)真實而有意義的情境（2011版《義務(wù)教育化學課程標準》）;創(chuàng)設(shè)真實、有價值的問題情境（2017版《普通高中化學課程標準》）。核心素養(yǎng)是學生在面對真實、不確定的問題任務(wù)時所需要的關(guān)鍵能力、必備品格和正確態(tài)度?；瘜W學科核心素養(yǎng)一方面需要在真實問題情境下才能表現(xiàn)出來，另一方面也只有在分析和解決真實問題任務(wù)的過程中才能得到培養(yǎng)和發(fā)展。由此可見，以發(fā)展學生核心素養(yǎng)為目標、真實問題情境為載體、解決實際問題為目的、利用學科知識為工具展開課堂教學是化學教師的應(yīng)然追求。

項目式教學被認為是最具有核心素養(yǎng)融合發(fā)展效力的教學方式?！吨泄仓醒雵鴦?wù)院關(guān)于深化教育教學改革全面提高義務(wù)教育質(zhì)量的意見》中提到： 探索基于學科的課程綜合化教學，開展研究型、項目化、合作式學習[1]。項目式學習是學生在一段時間內(nèi)通過研究并應(yīng)對一個真實、有吸引力和復(fù)雜的問題，以學習共同體的形式，歷經(jīng)提煉問題、設(shè)計方案、合作探究、成果形成、展示交流、評價改進等各個階段直至解決問題。學生在共同體活動中，經(jīng)過調(diào)查、實證、推理、思辨、遷移等問題解決過程，掌握重點知識和技能，形成學科觀念和思維方法，逐漸成長為創(chuàng)新型、復(fù)合型人才。

化學課堂教學中開發(fā)和整合基于STEM理念的項目活動時，項目的確立應(yīng)基于《義務(wù)教育化學課程標準》、教學內(nèi)容和學生經(jīng)驗;來源于當前社會熱點、工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和身邊所要解決的問題;以貼近社會、貼近生活和具有可操作性為特征;承載化學學科核心知識、思想觀念和核心素養(yǎng)。教學中通過真實有意義的問題情境開展體驗性、開放性、綜合性、實踐性學習，符合初中學生解決真實世界中復(fù)雜問題的需要，實現(xiàn)知識從拼盤式結(jié)構(gòu)走向立體性融合。例如： 以“尋找地球以外的生命”探究水的組成、以“神奇的天氣預(yù)報員（天氣瓶）”學習溶解度、以“探秘魚浮靈”熟悉我們周圍的空氣、以“雙效復(fù)合泡打粉制作糕點”復(fù)習廚房中的化學等。教學中可根據(jù)實際學情適當降低項目或問題的大小與綜合性，更有利于靈活實施。

3.2 基于自主合作開展探究活動

《義務(wù)教育化學課程標準》倡導“自主、合作、探究”的學習方式，以小組團隊形式開展自主學習與合作探究是學生學習共同體與STEM教育開展活動的主要方式。其中，自主學習為共同體學習啟航，合作學習為共同體學習護航，教師的指導引領(lǐng)為共同體學習導航;學生個體學習與團隊合作兼顧，學習過程由被動學習轉(zhuǎn)變?yōu)橹鲃犹骄浚瑢W科知識由平面碎片到形成基于關(guān)鍵概念或能力的立體網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)共同體成員的共享共生共成長。

基于自主合作開展探究活動的教學設(shè)計要指向?qū)W生核心素養(yǎng)，圍繞學科核心知識，設(shè)計高質(zhì)量的驅(qū)動性問題，確保探究任務(wù)的真實性與開放性、探究內(nèi)容的復(fù)雜性與挑戰(zhàn)性?；顒舆^程中互動性與生成性共生、情境性與新穎性并存、探究性與創(chuàng)新性兼顧、思辨性與實證性統(tǒng)一，有效促進不同層次的學生從不同角度參與討論、探究和解答以解決實際問題。

自主學習時教師提供學習資源，學生與文本對話，獨立思考，構(gòu)建自己的內(nèi)化經(jīng)驗。學生在自主學習的基礎(chǔ)上，通過與他人的對話、開展同桌兩兩對學、互學互幫、互補互促，解決基本問題，初步了解知識。教師作為助學者，既是資源引導者，又是任務(wù)咨詢和監(jiān)督者。

經(jīng)過學生獨學和同桌對學未能解決的中等難度問題，教師可組織4～6人小組學習共同體展開組內(nèi)群學、優(yōu)生幫學、進階合作、互動共進。對于需動手操作解決的問題，教師可設(shè)計驅(qū)動性活動，激發(fā)學生積極參與，并采用組內(nèi)分工進行合作探究。例如，6人小組可以作如下分工： 組長（分配任務(wù)并協(xié)調(diào)關(guān)系，確保活動能按時高質(zhì)量完成）、實驗員（負責動手操作實驗等）、影像采集員（負責實驗時的影像采集、編輯小組交流匯報資料）、文字記錄員（負責記錄實驗現(xiàn)象、討論的主要結(jié)論、填寫學案等）、成果匯報員（整理采集的信息，小組匯報交流）、紀律監(jiān)督員（負責督促學習進度和學習檢測質(zhì)量）。學生合作探究時教師是旁聽者、記錄者、鼓勵者和引導者，通過多層次的合作學習產(chǎn)生深層次的對話，進行深度學習，促進學生核心素養(yǎng)的發(fā)展。

3.3 基于迭代學習優(yōu)化研究過程

在融合STEM理念的基于學生學習共同體的化學課堂中，師生圍繞一個真實有意義的情境，以驅(qū)動性問題貫穿項目始終，由教師提供支架[2]，開展深層次的對話、多樣化的活動，將真實問題轉(zhuǎn)化為化學學科問題。以自主與合作的學習方式作為學生探究的行為載體，促進學生參與到小組學習共同體中去開展深入的研究和創(chuàng)新，建構(gòu)模型解決化學學科問題，根據(jù)模型的抽象概括最終形成實際問題的解決方案或產(chǎn)品[3]。整個學習過程不是一蹴而就的，一個探究點結(jié)束可能觸發(fā)新一輪的探究過程，需要多次設(shè)計、修改和完善。證偽也是探究，要允許學生試錯。研究過程體現(xiàn)了循環(huán)學習、迭代優(yōu)化的特點，如圖1所示。

展示分享結(jié)果是研究過程中迭代優(yōu)化的重要環(huán)節(jié)。學生可自主選擇展示分享方式，但一般應(yīng)包括四個內(nèi)容： 做了什么、怎么做的、分析和解釋得到了什么結(jié)果、下一步打算做什么;并且每個小組分享完畢后必須回答其他組同學對此提出的2～3個相關(guān)問題，增加觀點交鋒;教師適時進行評價與點撥，促進創(chuàng)造性思維的發(fā)展。在師生、生生之間進行的內(nèi)容多維、主體多元、形式多樣的發(fā)展性評價中，學生對研究中獲得的經(jīng)驗、觀點與成果等進行思考與辯駁，思維發(fā)生碰撞，由此發(fā)現(xiàn)新問題、著手解決后續(xù)問題，不斷迭代優(yōu)化，最終達成共識解決問題。

當原有的教學課時不能滿足學生不斷的迭代學習和探究過程時，教師應(yīng)努力提升自身化學課程的整合力，包括將單元教學中的目標整合、知識整合、情境整合、活動整合，以系統(tǒng)化思維實施單元主題式教學設(shè)計，推動課堂教學的深度轉(zhuǎn)型。因此，在項目化研究過程中，學生通過學會“問題解決”培養(yǎng)了學科關(guān)鍵能力[4]，通過學習共同體中“團隊合作”發(fā)展了必備品格與價值觀念。

4 結(jié)語

融合STEM理念，優(yōu)化基于學生學習共同體的初中化學課堂教學，應(yīng)從初中學生的學情出發(fā)，以學生學習共同體活動為基礎(chǔ)，以發(fā)展化學學科素養(yǎng)為核心，圍繞身邊的一些自然現(xiàn)象或者真實事件，采用項目式學習，基于設(shè)計、問題解決、發(fā)現(xiàn)和探索性等學習策略，以解決實際問題的邏輯順序為主線來組織教學內(nèi)容。融合STEM理念的教學，不僅為小組共同體合作學習、項目學習找到了落地的載體與平臺[5]，而且它更關(guān)注整體認知、更重視實踐體驗、更突出思維創(chuàng)新、更強調(diào)主體自覺，更注重問題驅(qū)動與素養(yǎng)遷移，實現(xiàn)了為素養(yǎng)而教育，為創(chuàng)新而學習。當然，需要注意的是，教學方式的選用應(yīng)與具體的學習內(nèi)容相適應(yīng)，并非所有的初中化學知識都適合融合STEM理念。

參考文獻：

[1] 中華人民共和國國務(wù)院. 中共中央、國務(wù)院關(guān)于深化教育教學改革全面提高義務(wù)教育質(zhì)量的意見[Z]. 中華人民共和國國務(wù)院公報， 2019.

[2] 趙呈領(lǐng)， 趙文君， 蔣志輝. 面向STEM教育的5E探究式教學模式設(shè)計[J]. 現(xiàn)代教育技術(shù)， 2018，（3）： 106～112.

[3] 吳曉紅， 田小蘭， 蔣思雪. 以培養(yǎng)學生STEM素養(yǎng)為目標的項目式學習設(shè)計——以“愛護水資源為例”[J]. 化學教學， 2017，（12）： 38～43.

[4] 申燕， 陳尚寶， 鄒志譜. 基于STEM理念下的項目式學習課例設(shè)計——以“探秘人體的呼吸”為例[J]. 化學教學， 2019，（9）： 50～55.

[5] 盧苗苗， 鄭雅君， 占小紅. STEM教育理念在高中有機化學教學中的滲透——以“檸檬精油的提取工藝”為例[J]. 化學教學， 2018，（7）： 45～50.