基于STEM教育理念的“四線五階”課堂模式的教學(xué)設(shè)計(jì)

張子豪 胡俊平

摘 要：作為教育界廣泛關(guān)注的熱門話題，STEM教育被世界各國的教育行業(yè)和領(lǐng)域所廣泛認(rèn)可。本課題以培養(yǎng)學(xué)生核心素養(yǎng)為目標(biāo)，把“四線五階”的課堂模式融入到高中化學(xué)反應(yīng)速率的教學(xué)設(shè)計(jì)之中，以大象牙膏探究實(shí)驗(yàn)為例，幫助學(xué)生樹立宏觀辨識(shí)與微觀探析等核心素養(yǎng)激發(fā)起學(xué)生對(duì)化學(xué)的學(xué)習(xí)好感，讓化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)融入到課堂教學(xué)中。

關(guān)鍵詞：STEM教育;高中化學(xué);教學(xué)設(shè)計(jì)

一、STEM教育理念

國外關(guān)于STEM的教育理念的探索和研究比較早，STEM的教育最初起源于美國， 我國在STEM教育方面雖然起步較晚，但是我國從根本上認(rèn)識(shí)到STEM教育教學(xué)理念的重要性后，在高校、教育行政管理部門、社會(huì)組織等都廣泛地參與了進(jìn)來，開發(fā)整合STEM相關(guān)學(xué)科的課題項(xiàng)目和教學(xué)資源，深化了STEM課程綜合化的覆蓋范圍和水平，促進(jìn)了我國STEM相關(guān)學(xué)科課題教育的的發(fā)展[1]， 使我國在STEM教育方面取得突飛猛進(jìn)。

綜上所述，各個(gè)國家都認(rèn)為課堂不應(yīng)該單單的給學(xué)生傳授知識(shí)，而是讓學(xué)生把知識(shí)與生活相聯(lián)系，STEM這一教育理念就運(yùn)用各個(gè)學(xué)科的知識(shí)，讓學(xué)生學(xué)會(huì)運(yùn)用知識(shí)學(xué)會(huì)解決問題。

二、“四線五階”課堂模式

“呈現(xiàn)事實(shí)，感知模型”是基于真實(shí)情境，從學(xué)生日常生活經(jīng)驗(yàn)和已經(jīng)學(xué)過的知識(shí)出發(fā)，感知概念模型的事實(shí)基礎(chǔ)，“分析推理，假設(shè)模型”是從幾個(gè)事實(shí)出發(fā)，以分析和推理的思維方式提煉出幾個(gè)事實(shí)之間的共性特征，從而大致能假設(shè)科學(xué)概念模型，“實(shí)驗(yàn)論證，驗(yàn)證模型”是利用實(shí)驗(yàn)等活動(dòng)，以實(shí)證的技術(shù)手段進(jìn)行科學(xué)概念模型的驗(yàn)證，構(gòu)建概念內(nèi)涵中核心進(jìn)階變量關(guān)系，“分析評(píng)估，完善模型”是通過對(duì)概念的進(jìn)一步分析和評(píng)估，從本質(zhì)上揭示科學(xué)概念中各要素和變量之間的聯(lián)系，特別是變量之間的“自變”和“共變”關(guān)系，從而進(jìn)一步完善概念模型，“遷移預(yù)測(cè)，應(yīng)用模型”是以概念模型來解釋和預(yù)測(cè)新情境中的新問題，需要把新建構(gòu)的科學(xué)概念融入整個(gè)學(xué)科觀念之中[8]?？茖W(xué)概念建構(gòu)的“四線”是情境線、問題線、活動(dòng)線和目標(biāo)線[8]。

三、設(shè)計(jì)實(shí)踐

選于高中化學(xué)選修四“化學(xué)反應(yīng)原理” （人教版）第2單元“化學(xué)反應(yīng)速率和化學(xué)平衡”課題二“影響化學(xué)反應(yīng)速率的因素”?！盎瘜W(xué)反應(yīng)原理”中學(xué)生較難掌握的一個(gè)部分?！盎瘜W(xué)反應(yīng)速率和化學(xué)平衡”為我們后面學(xué)習(xí)電離平衡和溶解平衡打下基礎(chǔ)[2]?！盎瘜W(xué)反應(yīng)速率和化學(xué)平衡”在每年高考生命題的重要性熱點(diǎn)，一般在化學(xué)第十題分值大約在14分左右。可見化學(xué)反應(yīng)速率對(duì)高中生的高考復(fù)習(xí)是很重要的。本節(jié)課將面對(duì)的是高二的學(xué)生，他們已經(jīng)經(jīng)過了初中一年和高中一年的化學(xué)學(xué)習(xí)具備了一定的化學(xué)基礎(chǔ)知識(shí)，一定的實(shí)驗(yàn)操作能力，會(huì)觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象并分析歸納實(shí)驗(yàn)的能力，采用合適的實(shí)驗(yàn)可以調(diào)動(dòng)學(xué)生對(duì)化學(xué)學(xué)習(xí)的積極性，并且在必修2中學(xué)生已經(jīng)學(xué)習(xí)過基本的知識(shí)，本節(jié)課將在必修2的基礎(chǔ)上更加深入的學(xué)習(xí)。本節(jié)課要達(dá)到以下的教學(xué)目標(biāo)：1.通過學(xué)習(xí)了解化學(xué)反應(yīng)速率的概念以及影響化學(xué)反應(yīng)速率的因素。2.通過探究實(shí)驗(yàn)學(xué)會(huì)控制變量的實(shí)驗(yàn)方法，能基本分析化學(xué)實(shí)驗(yàn)。3.培養(yǎng)對(duì)實(shí)驗(yàn)的觀察、分析討論的能力。基于以上的教學(xué)目標(biāo)結(jié)合STEM教育理念和“四線五階”課堂模式完成了化學(xué)反應(yīng)速率的教學(xué)設(shè)計(jì)。

1.呈現(xiàn)事實(shí)，感知模型

（1）師生活動(dòng)

展示“水溶洞、煙花綻放”兩幅圖片通過鮮明的圖片，引起學(xué)生的興趣;通過兩者的對(duì)比引出化學(xué)反應(yīng)有快有慢，那么化學(xué)反應(yīng)快慢又用什么表示？如何定義的？以及定義式是什么？請(qǐng)同學(xué)們閱讀課本找出答案，并推導(dǎo)出化學(xué)反應(yīng)速率的單位是如何得出的。

（2）設(shè)計(jì)意圖

直接講解化學(xué)反應(yīng)速率的定義以及表示方法太枯燥乏味，引用鮮明的圖片來吸引學(xué)生的注意力，引出化學(xué)反應(yīng)速率的相關(guān)知識(shí)，為下面影響化學(xué)反應(yīng)速率的因素做鋪墊。激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，有利于提高課堂效率。

2.分析推理，假設(shè)模型

（1）師生活動(dòng)

展示“鋼鐵生銹、廢氣處理、塑料分解”三幅圖片。引出人們有時(shí)希望化學(xué)反應(yīng)是快速的，有時(shí)卻想化學(xué)反應(yīng)是緩慢的，可是又該如何控制化學(xué)反應(yīng)速率呢？控制化學(xué)反應(yīng)的速率要知道有哪些因素可以影響化學(xué)反應(yīng)速率，這樣才能控制化學(xué)反應(yīng)速率。請(qǐng)學(xué)生通過討論說出實(shí)際生活中有哪些因素可以影響化學(xué)反應(yīng)速率，并列舉出例子。

（2）設(shè)計(jì)意圖

通過學(xué)生已有的生活經(jīng)驗(yàn)推出有哪些因素可以影響化學(xué)反應(yīng)速率，將學(xué)生已有的經(jīng)驗(yàn)與所學(xué)的知識(shí)相聯(lián)系，加深學(xué)生的印象。

3.實(shí)驗(yàn)論證，驗(yàn)證模型

（1）師生活動(dòng)

以上的幾個(gè)因素是否真的可以對(duì)化學(xué)反應(yīng)速率有影響，只有通過實(shí)驗(yàn)根據(jù)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象才能證實(shí)，實(shí)驗(yàn)具體方案如下。

①5%過氧化氫5mL + 碘化鉀 2mL + 洗潔精1mL（常溫）

②15%過氧化氫5mL + 碘化鉀 2mL + 洗潔精1mL（常溫）

③30%過氧化氫5mL + 碘化鉀 2mL + 洗潔精1mL（常溫）

④15%過氧化氫5mL+ 碘化鉀 2mL + 洗潔精1mL（55℃）

⑤15%過氧化氫5mL + 碘化鉀 2mL + 洗潔精1mL（95℃）

⑥15%過氧化氫5mL + 高錳酸鉀2mL + 洗潔精1mL（常溫）

請(qǐng)同學(xué)分析這六個(gè)實(shí)驗(yàn)怎么分組進(jìn)行探究實(shí)驗(yàn)，最終分成三組實(shí)驗(yàn)，觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，第一組實(shí)驗(yàn)是實(shí)驗(yàn)①②③，探究濃度的影響，實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象（見圖4.4探究溫度現(xiàn)象）;第二組實(shí)驗(yàn)是實(shí)驗(yàn)①④⑤，探究溫度的影響，實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象（見圖4.5探究溫度現(xiàn)象）;第三組實(shí)驗(yàn)是實(shí)驗(yàn)②⑥，探究催化劑的影響，實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象（見圖4.6探究催化劑現(xiàn)象），并分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果，得出可以影響化學(xué)反應(yīng)速率的因素。

（2）設(shè)計(jì)意圖

通過實(shí)驗(yàn)探究得出實(shí)驗(yàn)結(jié)論，實(shí)驗(yàn)視頻可以吸引學(xué)生的注意力，直觀的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象不僅通過事實(shí)詮釋了實(shí)驗(yàn)結(jié)果也加深學(xué)生對(duì)知識(shí)的理解和印象。學(xué)生自己分析實(shí)驗(yàn)加上教師引導(dǎo)得出的結(jié)論，這樣可以培養(yǎng)學(xué)生分析實(shí)驗(yàn)?zāi)芰?，加深了學(xué)生對(duì)知識(shí)的印象，教師的及時(shí)引導(dǎo)可以發(fā)現(xiàn)學(xué)生的問題時(shí)可以及時(shí)指出。

4.分析評(píng)估，完善模型

（1）師生活動(dòng)

通過提出問題，引出化學(xué)反應(yīng)本質(zhì)，提出問題：是否發(fā)生碰撞就一定會(huì)發(fā)生反應(yīng)？接著通過類比投籃，解釋化學(xué)反應(yīng)的微觀現(xiàn)象，并解釋有效碰撞、活化能、活化分子、反應(yīng)熱的概念[9]。通過反應(yīng)過程-能量的圖像來解釋活化能、反應(yīng)熱以及活化分子與反應(yīng)速率之間的關(guān)系。

（2）設(shè)計(jì)意圖

提出問題，引起學(xué)生興趣，引發(fā)學(xué)生思考。通過類比，解釋微觀現(xiàn)象更通俗易懂，使學(xué)生更容易理解微觀解釋。通過圖像來解釋各個(gè)反應(yīng)的概念，更加直觀，學(xué)生更容易接受。

5.遷移預(yù)測(cè)，應(yīng)用模型

（1）師生活動(dòng)

首先回歸之前的問題，請(qǐng)學(xué)生思考如何解決鋼鐵生銹、廢氣處理、塑料分解的現(xiàn)象。其次為教師選擇一些有針對(duì)性的題目讓學(xué)生自主練習(xí)。

（2）設(shè)計(jì)意圖

讓學(xué)生嘗試解決實(shí)際問題，培養(yǎng)在實(shí)際生活中遇到可以聯(lián)系到所學(xué)知識(shí)。適量的習(xí)題可以鞏固學(xué)生所學(xué)知識(shí)，讓學(xué)生掌握的更加牢固，及時(shí)的復(fù)習(xí)可以減少知識(shí)的遺忘。

四、教學(xué)反思

本節(jié)課用圖片展示及關(guān)鍵問題提問來吸引學(xué)生的注意力，從而使學(xué)生有更高的積極性參與到課堂當(dāng)中。學(xué)生將已有的知識(shí)和將要學(xué)習(xí)的知識(shí)進(jìn)行聯(lián)系，并通過實(shí)驗(yàn)進(jìn)行探究，觀察到了直觀現(xiàn)象，進(jìn)一步證實(shí)了影響化學(xué)反應(yīng)速率的因素，又通過類比的方法從本質(zhì)上分析為什么會(huì)影響化學(xué)反應(yīng)，使宏觀與微觀相結(jié)合，通過圖像來解釋各個(gè)反應(yīng)的概念，更加直觀，學(xué)生更容易接受，并且進(jìn)一步使學(xué)生了解化學(xué)反應(yīng)速率，課后通過練習(xí)鞏固知識(shí)。

對(duì)于本論文的教學(xué)研究，首先從分析什么是STEM教育理念、基于STEM教育的教學(xué)目標(biāo)、本著“四線五階”課堂模式的教學(xué)思路以及具體實(shí)施流程等四個(gè)方面出發(fā)。選取的課例也是教育教學(xué)中的重點(diǎn)，較切近生活并且可操作性強(qiáng)，也符合當(dāng)?shù)亟逃膶?shí)際教學(xué)。本節(jié)課中學(xué)生也可自行設(shè)計(jì)探究實(shí)驗(yàn)方案，條件允許的情況下，可以讓每個(gè)學(xué)生證實(shí)自己的方案是否可行，由于暫時(shí)條件有限，本節(jié)課我采用了視頻演示實(shí)驗(yàn)。

“化學(xué)反應(yīng)速率”是化學(xué)原理這部分在高考中是非常重要的內(nèi)容， 該節(jié)課在傳統(tǒng)的課堂模式中內(nèi)容抽象而枯燥，知識(shí)點(diǎn)之間環(huán)環(huán)相扣，而每個(gè)知識(shí)點(diǎn)的邏輯性強(qiáng)。大多數(shù)學(xué)生在學(xué)習(xí)本節(jié)課時(shí)，枯燥乏味，不易理解知識(shí)，更不知道如何運(yùn)用知識(shí)。而基于STEM教育理念下“四線五階”課堂模式下的“化學(xué)反應(yīng)速率”這節(jié)課，首先通過聯(lián)系學(xué)生的實(shí)際生活，引入課堂環(huán)境當(dāng)中，接著通過創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)，最終得出影響化學(xué)反應(yīng)速率的結(jié)果，最后再回歸實(shí)際生活當(dāng)中。這樣不僅可以加深學(xué)生對(duì)知識(shí)的印象，還可以鍛煉學(xué)生的思維模式。

參考文獻(xiàn)

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