基于STEM 教育理念的高中電化學(xué)知識(shí)教學(xué)設(shè)計(jì)

付峻鋒

（天水師范學(xué)院化學(xué)工程與技術(shù)學(xué)院，甘肅 天水 741000）

STEM 是基于科學(xué)（Science）、技術(shù)（Technology）、工程（Engineering）和數(shù)學(xué)（Mathematics）等多學(xué)科的一種新的教育模式，目的是提升學(xué)生學(xué)習(xí)及應(yīng)用的綜合能力，STEM 是全球發(fā)展在教育中的反映[1]。隨著互聯(lián)網(wǎng)、人工智能等現(xiàn)代技術(shù)的高速發(fā)展，我國(guó)需要更多科技、工程及數(shù)學(xué)等方面的綜合性、創(chuàng)新型人才。教育實(shí)踐證明，STEM 教育有助于培養(yǎng)學(xué)生未來(lái)所需的技能和思維能力。陳麗東[2]認(rèn)為，探究教學(xué)研究表明，完全探究活動(dòng)有利于培養(yǎng)學(xué)生的探究能力，部分探究活動(dòng)則適合于學(xué)習(xí)概念、原理和規(guī)律；探究性教學(xué)作為培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)素養(yǎng)的最有效的教學(xué)模式之一，不僅是時(shí)代發(fā)展的需求，科學(xué)教育的需求，更是學(xué)生發(fā)展的需求。傅騫[3]等認(rèn)為，STEM 教育作為一種教學(xué)策略，能夠通過基于設(shè)計(jì)的學(xué)習(xí)、基于項(xiàng)目的學(xué)習(xí)和探究性學(xué)習(xí)等方式，培養(yǎng)學(xué)習(xí)者解決實(shí)際問題的能力。為了更好地將STEM教育融入教學(xué)，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新思維能力，本文探究了將STEM 教育融入高中電化學(xué)教學(xué)。

1 STEM 教育理論

STEM 教育主要以建構(gòu)主義理論為基礎(chǔ)，其認(rèn)為學(xué)生所學(xué)的知識(shí)不是直接通過教師傳授而得，而是學(xué)生在一定的社會(huì)文化背景中通過教師及同伴給予的幫助，利用身邊必要的學(xué)習(xí)資料，通過進(jìn)行意義建構(gòu)的方式而獲得的[4]。在STEM 教育活動(dòng)中，教師要引導(dǎo)學(xué)生構(gòu)建起自己的思維模式，提升學(xué)生獨(dú)立解決問題的能力。STEM 教育還強(qiáng)調(diào)學(xué)生在已有知識(shí)基礎(chǔ)上的再次建構(gòu)，強(qiáng)調(diào)學(xué)生在學(xué)習(xí)時(shí)應(yīng)打好基礎(chǔ)，以便在新知識(shí)的學(xué)習(xí)中能更好地轉(zhuǎn)化知識(shí)。因此，STEM教育雖然涉及領(lǐng)域較多，但其關(guān)注的重點(diǎn)是學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中對(duì)知識(shí)的理解性建構(gòu)，這與建構(gòu)主義理論闡述的學(xué)習(xí)思想頗為相似。

2 高中電化學(xué)知識(shí)在高考中的重要性

電化學(xué)是2019 版普通高中教科書化學(xué)（選擇性必修1）化學(xué)反應(yīng)原理的教學(xué)內(nèi)容。根據(jù)新高考改革的趨勢(shì)，目前學(xué)生選擇最多的理科組合科目仍然為（物理+化學(xué)+生物）。（物理+化學(xué)+生物）組合更有利于學(xué)生對(duì)大學(xué)專業(yè)和就業(yè)方向的選擇。因此，此部分內(nèi)容盡管安排在選擇性必修課本中，但卻非常重要。普通高中化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017 年版2020 年修訂）選擇性必修模塊主題1 中也明確了對(duì)化學(xué)反應(yīng)與電能的教學(xué)要求及學(xué)業(yè)要求，由此可見，電化學(xué)及實(shí)驗(yàn)的重要性。

作者對(duì)近五年高考全國(guó)卷中的電化學(xué)知識(shí)試題進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)，結(jié)果見表1。

表1 2017～2021 年全國(guó)卷電化學(xué)知識(shí)試題統(tǒng)計(jì)

由表1 可知：在2017～2021 年的高考化學(xué)試卷中都出現(xiàn)了考查電化學(xué)知識(shí)點(diǎn)的試題，且該試題在試卷中出現(xiàn)的位置較為固定，主要在試卷的選擇題部分，填空題中個(gè)別年份會(huì)出現(xiàn)一小問，2020 年全國(guó)Ⅰ卷和全國(guó)Ⅱ卷將考查的電化學(xué)知識(shí)設(shè)置成一個(gè)整題，試題的分值也較為固定。所有試題的情景設(shè)置都與生產(chǎn)生活緊密聯(lián)系，如，在疫情暴發(fā)期間使用的消毒劑就可以用簡(jiǎn)易的設(shè)備在家自己制備，體現(xiàn)了電化學(xué)知識(shí)在生活中的重要性。用STSE 教育理念命題。STSE教育理念，即“綜合地看待科學(xué)、技術(shù)、社會(huì)與環(huán)境發(fā)展相互影響的問題，正確認(rèn)識(shí)科學(xué)與技術(shù)的區(qū)別和聯(lián)系，認(rèn)識(shí)科學(xué)技術(shù)的社會(huì)化問題，合理協(xié)調(diào)科學(xué)、技術(shù)與社會(huì)、環(huán)境之間的關(guān)系，使科學(xué)、技術(shù)與社會(huì)、環(huán)境四者協(xié)調(diào)發(fā)展[5]。”電化學(xué)試題可以歸屬于STSE 中的T（Technology）即化學(xué)與技術(shù)。

由此可見，高考電化學(xué)試題設(shè)計(jì)的STSE 理念與STEM 教育理念有相同之處，為STEM 教育理念融入電化學(xué)教學(xué)打下了基礎(chǔ)。

3 “制作簡(jiǎn)單電池”的STEM 課程教學(xué)設(shè)計(jì)

3.1 教學(xué)分析

（1）學(xué)生能力分析。此次教學(xué)對(duì)象為高二年級(jí)學(xué)生，通過初三和高一年級(jí)化學(xué)知識(shí)的學(xué)習(xí)，學(xué)生已掌握化學(xué)基礎(chǔ)知識(shí)和基本計(jì)算的技能。在上本節(jié)課前，學(xué)生已學(xué)習(xí)了物質(zhì)的量的計(jì)算和氧化還原反應(yīng)，具備了一定的觀察能力及化學(xué)實(shí)驗(yàn)動(dòng)手能力，為本節(jié)乃至整章的教學(xué)打下了基礎(chǔ)。

（2）教學(xué)內(nèi)容分析。以“簡(jiǎn)單原電池的制作”為例對(duì)原電池進(jìn)行教學(xué)。原電池是選擇性必修1 第四章化學(xué)反應(yīng)與電能第一節(jié)的內(nèi)容。本節(jié)課基于STEM 教育理念設(shè)計(jì)了演示實(shí)驗(yàn)和小組實(shí)驗(yàn)，讓學(xué)生在教師的引導(dǎo)下整合科學(xué)、技術(shù)、工程及數(shù)學(xué)方面的知識(shí)，以小組為單位進(jìn)行實(shí)驗(yàn)操作。教學(xué)中教師帶領(lǐng)學(xué)生回顧與本節(jié)課相關(guān)的知識(shí)點(diǎn)及基本計(jì)算，使學(xué)生在學(xué)習(xí)中能有效關(guān)聯(lián)相關(guān)知識(shí)點(diǎn)。

3.2 教學(xué)設(shè)計(jì)

基于教學(xué)分析，將STEM教育理念融入“簡(jiǎn)單原電池的制作”教學(xué)。在演示實(shí)驗(yàn)中，教師積極引導(dǎo)學(xué)生，激發(fā)學(xué)生興趣，發(fā)揮學(xué)生主體性。在做演示實(shí)驗(yàn)時(shí)，教師適時(shí)提問，引導(dǎo)學(xué)生在已有知識(shí)的基礎(chǔ)上進(jìn)行知識(shí)的建構(gòu)及遷移。整節(jié)課以演示實(shí)驗(yàn)為輔，學(xué)生動(dòng)手為主。保留足夠時(shí)間讓學(xué)生通過小組實(shí)驗(yàn)親自動(dòng)手體驗(yàn)，更好地理解知識(shí)。學(xué)生通過實(shí)驗(yàn)，逆向回顧并總結(jié)本節(jié)課所學(xué)的知識(shí)點(diǎn)，教師根據(jù)學(xué)生的總結(jié)進(jìn)行更正和補(bǔ)充。

（1）STEM 教學(xué)目標(biāo)定位。STEM 教學(xué)不僅要發(fā)揮自身的特點(diǎn)，更要結(jié)合普通高中化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)培養(yǎng)學(xué)生的化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)，全方位提升學(xué)生能力（見表2）。

表2 “簡(jiǎn)單原電池的制作” STEM教學(xué)目標(biāo)及應(yīng)培養(yǎng)的核心素養(yǎng)

（2）實(shí)驗(yàn)活動(dòng)設(shè)計(jì)。以“簡(jiǎn)單原電池的制作”對(duì)原電池理論進(jìn)行教學(xué)，讓學(xué)生了解原電池的構(gòu)造，以設(shè)計(jì)、實(shí)踐、完善裝置、觀察總結(jié)和小組實(shí)驗(yàn)五部分開展教學(xué)。學(xué)生5～6 人一組，分工明確，具體活動(dòng)設(shè)計(jì)見表3。

表3 活動(dòng)設(shè)計(jì)表

3.3 學(xué)生學(xué)習(xí)評(píng)價(jià)

采用教師評(píng)價(jià)和學(xué)生互評(píng)相結(jié)合的方式進(jìn)行。通過綜合評(píng)價(jià)學(xué)習(xí)小組評(píng)出表現(xiàn)最優(yōu)的同學(xué)，班級(jí)評(píng)出最優(yōu)小組，并進(jìn)行獎(jiǎng)勵(lì)。評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)：（1）反應(yīng)快。能快速聯(lián)系已有知識(shí)，并根據(jù)已有知識(shí)作出相應(yīng)判斷。（2）動(dòng)手能力強(qiáng)。能搭建原電池裝置，能觀察到靈敏電流計(jì)指針偏轉(zhuǎn)，用時(shí)最短。（3）計(jì)算用時(shí)最短。能運(yùn)用電子轉(zhuǎn)移數(shù)計(jì)算相應(yīng)物質(zhì)的量。采用綜合評(píng)價(jià)提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，培養(yǎng)了學(xué)生合作學(xué)習(xí)的意識(shí)，構(gòu)建了良好的師生關(guān)系和課堂氛圍。

3.4 實(shí)踐過程

情景導(dǎo)入：同學(xué)們，在生活中我們常常會(huì)用到各式各樣的電池，但同學(xué)們了解電池工作的原理和構(gòu)造嗎？接下來(lái)讓老師帶領(lǐng)大家一起走進(jìn)電池的世界一探究竟。（T 表示教師，S 表示學(xué)生）

T：同學(xué)們，請(qǐng)注意觀察老師手中電池的內(nèi)部構(gòu)造，再結(jié)合物理知識(shí)思考，如何將電池聯(lián)結(jié)成一個(gè)完整的電路。

T：在本節(jié)課前，同學(xué)們已經(jīng)學(xué)習(xí)了氧化還原反應(yīng)，已經(jīng)能夠辨別氧化還原反應(yīng)及書寫氧化還原反應(yīng)方程式。在此基礎(chǔ)上，我們一起來(lái)做原電池的制作實(shí)驗(yàn)。

T：首先同學(xué)們觀察一下，桌上所準(zhǔn)備的實(shí)驗(yàn)儀器和藥品有哪些？

S：活動(dòng)性順序不同的金屬條；燒杯；稀H2SO4溶液；靈敏電流計(jì)；導(dǎo)線。

T：接下來(lái)老師帶領(lǐng)大家觀察原電池的構(gòu)成。在電路中怎樣才能產(chǎn)生電流？

S：電路中需要有電源并構(gòu)成閉合回路。

T：現(xiàn)在老師拿出兩根金屬條，插入裝有0.1 mol/L稀H2SO4的大燒杯中，并用導(dǎo)線將兩根金屬條與靈敏電流計(jì)連接，觀察靈敏電流計(jì)指針是否轉(zhuǎn)動(dòng)？

S：靈敏電流計(jì)沒有轉(zhuǎn)動(dòng)。老師這是為什么呢？

T：同學(xué)們觀察兩根金屬條有什么特征？

S：兩根金屬條是相同的金屬條。

T：接下來(lái)老師換一根金屬條，再觀察靈敏電流計(jì)指針是否偏轉(zhuǎn)。

S：靈敏電流計(jì)指針偏轉(zhuǎn)，老師這是為什么呢？

T：同學(xué)們觀察一下兩根金屬條有何不同？是的，兩根金屬不同，金屬的活動(dòng)性順序也不同。同學(xué)們能否將金屬活動(dòng)性順序排序呢？

S：Zn>H>Cu

T：靈敏電流計(jì)偏轉(zhuǎn)是有電子流動(dòng)，即有電流。同學(xué)們思考一下在體系中發(fā)生了什么反應(yīng)使得電子發(fā)生了流動(dòng)？請(qǐng)小組討論，并寫出相關(guān)反應(yīng)方程式。

S：2H++2e-=H2↑ Zn-2e-=Zn2+

T：通過電極反應(yīng)方程式可以判斷原電池的正、負(fù)極。負(fù)極發(fā)生氧化反應(yīng)，正極發(fā)生還原反應(yīng)。將電極反應(yīng)方程式組合可以得到此原電池的離子反應(yīng)方程式Zn+2H+=Zn2++H2↑

T：通過以上實(shí)驗(yàn)請(qǐng)同學(xué)們總結(jié)組成原電池的基本條件？小組討論并推選代表發(fā)言，小組其他成員可補(bǔ)充發(fā)言。

S：兩種金屬活動(dòng)性不同的金屬或一種金屬和另一種非金屬導(dǎo)體；電解質(zhì)溶液；氧化還原反應(yīng)能自發(fā)進(jìn)行；形成閉合回路。

T：整個(gè)過程消耗的Zn 的量是多少？產(chǎn)生了多少量的H2？如果通過了4 mol電子需消耗多少質(zhì)量的Zn，產(chǎn)生多少體積的H2（標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下）？

S：通過4 mol 電子，需消耗2 mol Zn，根據(jù)公式n=m/M，代入M，可以得出Zn 的質(zhì)量。

通過4 mol 電子，產(chǎn)生2 mol H2，根據(jù)公式n=V/Vm，代入Vm，可以得出H2的體積。

T：接下來(lái)，請(qǐng)同學(xué)們運(yùn)用實(shí)驗(yàn)桌上的儀器和藥品搭建原電池裝置?？茨囊唤M完成得最好、最快，且能使靈敏電流計(jì)指針轉(zhuǎn)動(dòng)。

T：根據(jù)實(shí)驗(yàn)情況師生共同評(píng)出表現(xiàn)最好的小組，各小組評(píng)選表現(xiàn)最好的同學(xué)，并給予獎(jiǎng)勵(lì)。

T：復(fù)習(xí)鞏固本節(jié)課所學(xué)知識(shí)及實(shí)驗(yàn)操作，布置作業(yè)。實(shí)驗(yàn)結(jié)束后學(xué)生清洗、整理儀器，打掃實(shí)驗(yàn)室。

3.5 教師及學(xué)生對(duì)STEM 教學(xué)的反饋

教師反饋：（1）需要教師具備一定的STEM教學(xué)技能；（2）在進(jìn)行教學(xué)設(shè)計(jì)時(shí)教師需要考慮課程內(nèi)容與STEM 教育理念的結(jié)合。深圳市、江蘇省已開始建設(shè)STEM特色課程，而西部地區(qū)建設(shè)較為緩慢，大部分高中教師對(duì)STEM 教育理念還處于認(rèn)知中，部分青年教師開始從理論認(rèn)知走向教學(xué)實(shí)踐，但在實(shí)踐中仍然缺乏經(jīng)驗(yàn)。

學(xué)生反饋：（1）STEM 教學(xué)課堂氛圍更加活躍，學(xué)生真正成為課堂的主體，參與度大大提高。（2）STEM教學(xué)通過實(shí)驗(yàn)方式讓學(xué)生理解了書本中晦澀難懂的知識(shí)，減少了學(xué)生課后投入的時(shí)間，學(xué)生對(duì)STEM 課堂教學(xué)更為喜愛。

4 結(jié)語(yǔ)

作者將STEM 教育理念嵌入“電化學(xué)”知識(shí)教學(xué)，獲得了良好的教學(xué)效果。在開展STEM 教學(xué)時(shí)教師還應(yīng)積極進(jìn)行自我評(píng)價(jià)，黃家群提出，教師只有對(duì)自己的教學(xué)經(jīng)常進(jìn)行有意識(shí)的積累和反思，才能較快地提高自身的教學(xué)能力，促進(jìn)教學(xué)水平的提高[6]。教師要積極將STEM 教育理念融入教學(xué)，促進(jìn)學(xué)生知識(shí)體系的自主建構(gòu)，促進(jìn)學(xué)生學(xué)習(xí)能力的提高。