基于STEM理念的高中化學(xué)項(xiàng)目化學(xué)習(xí)研究

【摘要】為順應(yīng)課程改革的需要，進(jìn)一步提高高中化學(xué)教學(xué)效率，文章以STEM理念為核心，首先介紹了該教育理念的內(nèi)涵和特點(diǎn)，其次指出基于STEM理念的高中化學(xué)項(xiàng)目化教學(xué)流程，最后以“簡單燃料電池的制作與原理循證”為例，詳細(xì)闡述了項(xiàng)目化學(xué)習(xí)的實(shí)施方法。研究表明，將STEM理念融入高中化學(xué)項(xiàng)目化學(xué)習(xí)中，能深化學(xué)生對于化學(xué)知識(shí)的理解，有利于培養(yǎng)學(xué)生的綜合素養(yǎng)。

【關(guān)鍵詞】高中化學(xué)；項(xiàng)目化學(xué)習(xí)；STEM理念；特點(diǎn)；流程；方法

【中圖分類號】G633.8【文獻(xiàn)標(biāo)志碼】A【文章編號】1004—0463（2024）15—0068—04

新課標(biāo)指出，要注重培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)和能力，促進(jìn)學(xué)生科學(xué)素養(yǎng)的發(fā)展。新課改要求教師合理組織教學(xué)內(nèi)容，尤其重視跨學(xué)科主題的選擇，加強(qiáng)化學(xué)與其他學(xué)科之間的聯(lián)系，以拓寬學(xué)生的視野和思路。新形勢下，STEM理念在我國教育領(lǐng)域得到推廣應(yīng)用，既符合新課程改革的相關(guān)要求，又利于培養(yǎng)學(xué)生的核心素養(yǎng)，促進(jìn)學(xué)生全面發(fā)展[1]。以下結(jié)合筆者實(shí)踐，探討STEM理念在高中化學(xué)項(xiàng)目化學(xué)習(xí)活動(dòng)中的應(yīng)用。

一、STEM教育理念的內(nèi)涵和特點(diǎn)

（一）STEM教育理念的內(nèi)涵

STEM指的是科學(xué)、技術(shù)、工程和數(shù)學(xué)這4門學(xué)科，STEM教育理念是一種重視實(shí)踐的跨學(xué)科教育理念。該教育理念認(rèn)為單一技能的運(yùn)用無法支撐起未來人才發(fā)展的需求，教學(xué)過程中打破學(xué)科界限才能培養(yǎng)出綜合型人才。筆者認(rèn)為，STEM理念是一種基于問題和項(xiàng)目的教學(xué)策略，通過創(chuàng)設(shè)真實(shí)情境，采取體驗(yàn)式、探究式、項(xiàng)目式教學(xué)方法，培養(yǎng)學(xué)生的解決問題能力和創(chuàng)新能力。

（二）STEM教育理念的特點(diǎn)

1.綜合性。我國教育工作在改革推進(jìn)中，分科教學(xué)模式凸顯出諸多弊端，STEM教育理念剛好是有效的解決策略。該教育理念的綜合性，體現(xiàn)在教學(xué)過程中淡化甚至消除不同學(xué)科的界限，學(xué)生學(xué)習(xí)化學(xué)知識(shí)的同時(shí)，和科學(xué)、技術(shù)、工程、數(shù)學(xué)等學(xué)習(xí)知識(shí)聯(lián)系起來，進(jìn)而更好地解決實(shí)際問題，培養(yǎng)學(xué)生的綜合能力。

2.情境性?；赟TEM教育理念，教師的教學(xué)活動(dòng)不僅為學(xué)生傳授知識(shí)，還要引導(dǎo)學(xué)生運(yùn)用知識(shí)解決現(xiàn)實(shí)問題，達(dá)到知識(shí)內(nèi)化與遷移運(yùn)用的效果。STEM教育理念的情境性，要求教師講授化學(xué)知識(shí)時(shí)創(chuàng)設(shè)真實(shí)情境，促使學(xué)生全身心投入其中，通過自主探究或小組合作解決預(yù)設(shè)的問題。

3.體驗(yàn)性。STEM教育理念要求學(xué)生掌握知識(shí)的同時(shí)，能動(dòng)手操作、動(dòng)口交流、動(dòng)腦思考，調(diào)動(dòng)多個(gè)感官更好地參與到學(xué)習(xí)活動(dòng)中[2]。化學(xué)知識(shí)與實(shí)際生活密切相關(guān)，基于STEM教育理念，教師應(yīng)設(shè)計(jì)豐富的項(xiàng)目活動(dòng)，而不是局限于教材和課堂，讓學(xué)生放飛思維，在參與、體驗(yàn)的過程中獲得化學(xué)知識(shí)，促進(jìn)綜合能力的提升。

4.合作性。STEM教育理念還應(yīng)加強(qiáng)師生之間、生生之間的交流互動(dòng)，鼓勵(lì)學(xué)生開展合作學(xué)習(xí)。尤其針對部分抽象性、復(fù)雜性的化學(xué)知識(shí)或?qū)嶒?yàn)，單純依靠學(xué)生個(gè)人力量學(xué)習(xí)起來有困難，STEM教育理念突出教師的指導(dǎo)作用、同學(xué)的輔助作用，在合作學(xué)習(xí)中明確每個(gè)成員的責(zé)任和分工，在思想碰撞中構(gòu)建化學(xué)知識(shí)體系，提高學(xué)習(xí)效果。

二、基于STEM教育理念的高中化學(xué)項(xiàng)目化教學(xué)流程

基于STEM教育理念形成了多種教學(xué)方法，例如5E教學(xué)法、項(xiàng)目教學(xué)法、情境教學(xué)法等[3]。其中，項(xiàng)目教學(xué)法與STEM教育理念最為接近，主張?jiān)O(shè)置真實(shí)的項(xiàng)目任務(wù)，讓學(xué)生在做中學(xué)，教師給予必要的引導(dǎo)，最終學(xué)生掌握知識(shí)、收獲成果，并且培養(yǎng)學(xué)生的交流合作、批判思維、實(shí)踐探究等能力。STEM教育理念下，高中化學(xué)項(xiàng)目化教學(xué)流程是選擇項(xiàng)目→制訂計(jì)劃→活動(dòng)探究→成果展示→評價(jià)總結(jié)，每個(gè)環(huán)節(jié)師生的活動(dòng)內(nèi)容如下。

（一）選擇項(xiàng)目

教師根據(jù)教材內(nèi)容、教學(xué)目標(biāo)、學(xué)生實(shí)際情況及發(fā)展需求，合理設(shè)計(jì)項(xiàng)目任務(wù)，向?qū)W生介紹項(xiàng)目情況，并指導(dǎo)學(xué)生選擇項(xiàng)目。學(xué)生根據(jù)自己的興趣和能力，自主選擇合適的項(xiàng)目，作為本次學(xué)習(xí)活動(dòng)的主線。

（二）制訂計(jì)劃

教師根據(jù)項(xiàng)目情況提供指導(dǎo)材料、工具，明確研究方法，指導(dǎo)學(xué)生制訂項(xiàng)目活動(dòng)計(jì)劃。學(xué)生則以小組為單位，確定組長和組員，明確各成員的職責(zé)和分工，協(xié)作制訂項(xiàng)目活動(dòng)計(jì)劃，為后續(xù)活動(dòng)開展打下基礎(chǔ)。

（三）活動(dòng)探究

學(xué)生根據(jù)項(xiàng)目活動(dòng)計(jì)劃進(jìn)行自主探究和小組合作探究，大膽發(fā)言表達(dá)自己的想法和見解，在小組內(nèi)分析討論，找到解決問題的最佳方法，并最終完成作品。教師對整個(gè)探究活動(dòng)進(jìn)行組織和管理，控制好項(xiàng)目進(jìn)度，引導(dǎo)學(xué)生正確思考，并為個(gè)別學(xué)生提供針對性幫助，以便學(xué)生生成高質(zhì)量的作品。

（四）成果展示

每個(gè)小組選擇代表匯報(bào)項(xiàng)目活動(dòng)的實(shí)施情況，展示作品成果，如圖文展示、視頻展示、動(dòng)畫演示等，并回答其他學(xué)生的提問，確保其他學(xué)生聽清弄懂。教師組織交流活動(dòng)，確保各個(gè)小組有秩序地展示成果，并且總結(jié)學(xué)生提出的問題。

（五）評價(jià)總結(jié)

學(xué)生分享本次項(xiàng)目探究活動(dòng)的體會(huì)和感悟，然后開展自我評價(jià)、小組成員評價(jià)和組間互評。教師組織評價(jià)活動(dòng)，并總結(jié)本次活動(dòng)，一方面指出成功經(jīng)驗(yàn)和不足之處，為下一階段的教學(xué)改進(jìn)提供支持；另一方面對表現(xiàn)優(yōu)良的小組、個(gè)人予以表揚(yáng)，采取合適的獎(jiǎng)勵(lì)措施。

三、“簡單燃料電池的制作與原理循證”項(xiàng)目化學(xué)習(xí)的實(shí)施方法

“簡單燃料電池的制作與原理循證”來源于“化學(xué)電源”章節(jié)，介紹了具有代表性的三大類電池的基本構(gòu)造、工作原理、性能和適用范圍，要求學(xué)生了解生活中常用的化學(xué)電源，正確區(qū)分一次電池、二次電池和燃料電池，會(huì)書寫化學(xué)電池的電極反應(yīng)式，培養(yǎng)學(xué)生觀察、分析、整理、歸納總結(jié)和探究能力，增強(qiáng)學(xué)生的環(huán)保意識(shí)。在STEM教育理念下，“簡單燃料電池的制作與原理循證”項(xiàng)目化學(xué)習(xí)的實(shí)施方法介紹如下。

（一）明確核心化學(xué)知識(shí)

課程標(biāo)準(zhǔn)中要求學(xué)生了解化學(xué)電源的工作原理，認(rèn)識(shí)化學(xué)能與電能轉(zhuǎn)化的意義，制作簡單燃料電池是學(xué)生必須開展的實(shí)驗(yàn)。從這一角度看，化學(xué)電源是高中化學(xué)的核心知識(shí)，而且實(shí)驗(yàn)探究在教學(xué)活動(dòng)中具有重要地位[4]。本節(jié)課程之前，學(xué)生已經(jīng)學(xué)習(xí)了氧化還原反應(yīng)、離子反應(yīng)、原電池等相關(guān)知識(shí)，但部分學(xué)生對于電極材料與反應(yīng)、離子導(dǎo)體、電子導(dǎo)體等基本知識(shí)存在認(rèn)知上的偏差，分析電化學(xué)問題時(shí)缺少合理的思路。對此，開展項(xiàng)目化學(xué)習(xí)活動(dòng)，能幫助學(xué)生深入理解原電池的工作原理，構(gòu)建完善的電化學(xué)認(rèn)知模型，并運(yùn)用所學(xué)知識(shí)解決電化學(xué)問題。

以探究氫氧燃料電池的工作原理為例，學(xué)習(xí)小組如此設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)過程：向三頸燒瓶內(nèi)注入0.5 mol/L的Na2SO4溶液，電極選用兩根石墨棒。先接通直流電源電解一段時(shí)間，再斷開電源生成的H2和O2組成燃料電池，驅(qū)動(dòng)小風(fēng)扇運(yùn)行。使用氧氣傳感器測定電源正極附近O2濃度，使用pH計(jì)測定電源負(fù)極附近溶液中的H+濃度，結(jié)果顯示前者減小、后者增大。小組通過分析，判斷電源負(fù)極附近的H2失去電子成為H+，H+經(jīng)導(dǎo)線從負(fù)極流向正極，正極附近的O2獲得電子成為H2O，此時(shí)氫氧燃料電池產(chǎn)生電流，帶動(dòng)小風(fēng)扇轉(zhuǎn)動(dòng)。學(xué)生在實(shí)驗(yàn)操作中，觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象、測定相關(guān)數(shù)據(jù)，在此基礎(chǔ)上推理分析，利于理解電化學(xué)系統(tǒng)的基本要素，從而掌握原電池的工作原理，形成正確的分析思路。

（二）不同學(xué)科交叉融合

本次項(xiàng)目化學(xué)習(xí)中，不僅包含多個(gè)化學(xué)知識(shí)，也涉及跨學(xué)科知識(shí)。其中，化學(xué)知識(shí)包括化學(xué)能與電能的相互轉(zhuǎn)化、氧化還原反應(yīng)、原電池的電極反應(yīng)及離子移動(dòng)方向、原電池的基本要素等。跨學(xué)科知識(shí)包括：①物理方面的左手定則，用于判斷運(yùn)動(dòng)電荷所受的洛倫茲力。②技術(shù)方面，主要是實(shí)驗(yàn)操作能力、檢測設(shè)備儀器的使用能力等。③數(shù)學(xué)方面的數(shù)據(jù)分析、圖表繪制，用于實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)分析。④藝術(shù)方面，主要是實(shí)驗(yàn)裝置的設(shè)計(jì)與審美。實(shí)踐操作內(nèi)容包括：制作簡單的燃料電池、創(chuàng)新設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)裝置、探究離子的移動(dòng)方向、繪制原電池的認(rèn)知模型圖等。學(xué)生在實(shí)驗(yàn)探究中，結(jié)合物理學(xué)規(guī)律，運(yùn)用檢測儀器設(shè)備，合理設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)裝置，采集數(shù)據(jù)并利用數(shù)學(xué)方法分析，通過跨學(xué)科交叉融合最終完成項(xiàng)目任務(wù)。

以探究金屬燃料電池中離子的移動(dòng)方向?yàn)槔瑢?shí)驗(yàn)方案如下：第一步，選擇1根鎂電極、1根石墨電極作為電極材料，在培養(yǎng)皿中間固定石墨電極，沿著內(nèi)壁固定鎂電極。第二步，將培養(yǎng)皿放置在一塊N極向上的環(huán)形磁鐵上，下方墊上白紙以便于觀察。第三步，向培養(yǎng)皿中加入一定量的飽和食鹽水，再滴入幾滴酚酞溶液，將2個(gè)電極用導(dǎo)線連接起來。學(xué)生會(huì)觀察到，石墨電極附近的溶液顏色從無色變?yōu)榧t色，且顏色逐漸加深，向外呈逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)。利用左手定則，可知鎂-空氣電池中，電解質(zhì)溶液里的陽離子Mg2+向正極運(yùn)動(dòng)，陰離子OH-向負(fù)極運(yùn)動(dòng)。該實(shí)驗(yàn)過程中，學(xué)生借助于左手定則明確鎂-空氣電池中離子的移動(dòng)方向，實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)非常巧妙，不僅充分利用了相關(guān)知識(shí)點(diǎn)，而且實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象更加直觀。

（三）開展項(xiàng)目探究活動(dòng)

項(xiàng)目化學(xué)習(xí)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)是探究活動(dòng)，教師要結(jié)合學(xué)生的認(rèn)知能力和學(xué)習(xí)目標(biāo)，提供必要的指導(dǎo)和幫助，讓學(xué)生以小組為單位，逐步開展資料查詢、方案設(shè)計(jì)、實(shí)驗(yàn)探究、數(shù)據(jù)分析、交流評價(jià)等活動(dòng)，整個(gè)探究活動(dòng)是化學(xué)知識(shí)遷移運(yùn)用、多學(xué)科知識(shí)相互融合的過程，最終實(shí)現(xiàn)預(yù)期學(xué)習(xí)目標(biāo)。學(xué)生在探究活動(dòng)中，通過小組合作完成各自的任務(wù)，可建立正確的電化學(xué)問題分析思路，如此學(xué)生既能掌握知識(shí)，又能培養(yǎng)能力。本次項(xiàng)目探究活動(dòng)因?qū)W習(xí)內(nèi)容較多，需要分兩個(gè)課時(shí)完成，為保證探究過程合理有序，教師應(yīng)分解為多個(gè)項(xiàng)目任務(wù)，讓學(xué)生開展持續(xù)性、豐富性的學(xué)習(xí)活動(dòng)，具體如下。

任務(wù)一：認(rèn)識(shí)燃料電池，屬于項(xiàng)目選定環(huán)節(jié)，學(xué)生活動(dòng)主要是列舉生活中常見的燃料電池和應(yīng)用場景，認(rèn)識(shí)燃料電池的重要性。

任務(wù)二：利用生活物品制作簡單的燃料電池，屬于初步探究環(huán)節(jié)，學(xué)生活動(dòng)包括兩個(gè)：一是結(jié)合已有知識(shí)體系和教材內(nèi)容，了解原電池的構(gòu)成要素和工作原理。二是設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案制作簡單的燃料電池，如氫氧燃料電池、鋁-空氣電池、鎂-空氣電池等。

任務(wù)三：探究氫氧燃料電池的工作原理，屬于深入探究環(huán)節(jié)，學(xué)生活動(dòng)包括兩個(gè)：一是合理設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案，繪制實(shí)驗(yàn)裝置圖，確定需要的材料和儀器。二是觀察實(shí)驗(yàn)過程和現(xiàn)象，收集數(shù)據(jù)進(jìn)行分析推理，掌握氫氧燃料電池的工作原理。

任務(wù)四：探究金屬燃料電池中離子的移動(dòng)方向，屬于創(chuàng)新設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)，學(xué)生活動(dòng)包括三個(gè)：一是合理設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案，繪制實(shí)驗(yàn)裝置圖，確定需要的材料和儀器。二是觀察實(shí)驗(yàn)過程和現(xiàn)象，收集數(shù)據(jù)并分析推理，掌握金屬燃料電池中離子的移動(dòng)方向。三是繪制原電池的認(rèn)知模型圖，構(gòu)建新的知識(shí)體系。

以上探究活動(dòng)的開展，相較于教師口頭講授知識(shí)點(diǎn)，能更好地激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，在掌握知識(shí)、發(fā)展能力的同時(shí)，還能培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)態(tài)度和創(chuàng)新意識(shí)。在數(shù)據(jù)分析環(huán)節(jié)，要求學(xué)生將宏觀現(xiàn)象和微觀變化相結(jié)合，利用已有證據(jù)來推理解決實(shí)際問題，最終揭示電化學(xué)的規(guī)律和本質(zhì)[5]。

（四）項(xiàng)目成果展示評價(jià)

所有探究活動(dòng)完成后，要求學(xué)習(xí)小組整理相關(guān)資料，在班級內(nèi)展示各類項(xiàng)目成果，例如簡單燃料電池的成品、原電池認(rèn)知模型、探究實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)方案、實(shí)驗(yàn)操作需要的材料和儀器等。以簡單燃料電池的制作為例，學(xué)生利用生活物品制作出氫氧燃料電池、鋁-空氣電池、鎂-空氣電池，利用電池驅(qū)動(dòng)小燈泡、小風(fēng)扇、音樂賀卡運(yùn)行。小組成員將燃料電池的制作過程展示出來，實(shí)現(xiàn)了理論與實(shí)踐相結(jié)合的目標(biāo)，培養(yǎng)了學(xué)生的綜合素養(yǎng)。

項(xiàng)目成果展示后，最后一個(gè)環(huán)節(jié)是教學(xué)評價(jià)。STEM教育理念下的項(xiàng)目化學(xué)習(xí)，其教學(xué)評價(jià)要注意三個(gè)方面：一是設(shè)置完善的評價(jià)指標(biāo)，既有定量指標(biāo)，也有定性指標(biāo)，涵蓋態(tài)度、知識(shí)、能力、素養(yǎng)等各個(gè)方面，以保證評價(jià)結(jié)果的全面性[6]。二是增加評價(jià)主體的數(shù)量，在教師評價(jià)的基礎(chǔ)上增加自評、小組互評等方式，讓學(xué)生認(rèn)識(shí)到本次探究活動(dòng)的可取之處和不足，提高評價(jià)結(jié)果的客觀性。三是及時(shí)反饋評價(jià)結(jié)果，對于整體表現(xiàn)優(yōu)異的小組和個(gè)人，教師給予表揚(yáng)和獎(jiǎng)勵(lì)，增強(qiáng)學(xué)生的自豪感和自信心，感受學(xué)習(xí)帶來的快樂，鼓勵(lì)學(xué)生在今后的學(xué)習(xí)中繼續(xù)努力，取得更大的進(jìn)步。

綜上所述，在STEM教育理念下實(shí)施高中化學(xué)項(xiàng)目化學(xué)習(xí)活動(dòng)，要對跨學(xué)科知識(shí)進(jìn)行整合，合理設(shè)置項(xiàng)目任務(wù)，鼓勵(lì)學(xué)生開展探究活動(dòng)，并且對項(xiàng)目成果作出全面評價(jià)。如此，在實(shí)現(xiàn)教學(xué)目標(biāo)的同時(shí)，能培養(yǎng)學(xué)生的綜合素養(yǎng)，促進(jìn)學(xué)生未來更好地發(fā)展。

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編輯：張昀