基于STEM理念的高中化學(xué)跨學(xué)科融合教學(xué)策略探究

摘 要：STEM教育強調(diào)科學(xué)、技術(shù)、工程和數(shù)學(xué)的融合，該跨學(xué)科的教學(xué)方法能夠培養(yǎng)學(xué)生的綜合能力，促使學(xué)生在多個領(lǐng)域內(nèi)思考和解決問題.鑒于此，本文探究了基于STEM理念的高中化學(xué)跨學(xué)科融合教學(xué)策略.通過確立問題導(dǎo)向的跨學(xué)科教學(xué)目標(biāo)，整合科學(xué)探究與技術(shù)應(yīng)用的實驗教學(xué)，融入信息技術(shù)手段提升教學(xué)互動性，以及應(yīng)用多學(xué)科知識完善項目實施過程.旨在激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情，促進學(xué)生深度學(xué)習(xí)，提高其實踐操作能力和創(chuàng)新思維能力.

關(guān)鍵詞：高中化學(xué)；跨學(xué)科融合；教學(xué)方法

中圖分類號：G632 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：1008-0333（2025）03-0115-03

收稿日期：2024-10-25

作者簡介：宋見平，本科，中學(xué)中級教師，從事高中化學(xué)教學(xué)研究.

將STEM理念融入高中化學(xué)教學(xué)中，不僅有助于激發(fā)學(xué)生對化學(xué)學(xué)習(xí)的興趣，還能促使學(xué)生學(xué)會將不同領(lǐng)域的知識相互聯(lián)系起來解決問題^[1]，從而為未來成為具有全球競爭力的綜合性人才打下堅實的基礎(chǔ).因此，探究基于STEM理念下的高中化學(xué)跨學(xué)科融合教學(xué)策略變得尤為重要且緊迫，該策略不僅是對傳統(tǒng)教學(xué)模式的一種革新嘗試，也是適應(yīng)新時代教育需求、培養(yǎng)全面發(fā)展人才的有效途徑之一.基于以上，本文探討了基于STEM理念的高中化學(xué)跨學(xué)科融合教學(xué)策略，以期為高中化學(xué)教學(xué)改革提供有益借鑒，助力培養(yǎng)學(xué)生全面發(fā)展.

1 目標(biāo)設(shè)定：確立問題為導(dǎo)向的跨學(xué)科教學(xué)目標(biāo)

在推進基于STEM理念的高中化學(xué)跨學(xué)科教學(xué)過程中，確立以問題為導(dǎo)向的教學(xué)目標(biāo)是最為關(guān)鍵的第一步^[2].設(shè)計目標(biāo)應(yīng)緊密結(jié)合學(xué)生的生活實際和認(rèn)知水平，以此激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情，同時驅(qū)動學(xué)生主動投入問題的探究與解決之中.

例如，在講授人教版高中化學(xué)必修第一冊第一章第三節(jié)《氧化還原反應(yīng)》時，教師可以設(shè)定一個具有挑戰(zhàn)性的問題導(dǎo)向教學(xué)目標(biāo)：探究電池工作原理中的氧化還原反應(yīng).這一問題不僅圍繞化學(xué)的核心知識點，還涉及物理學(xué)中的電學(xué)原理，同時也會觸及環(huán)境科學(xué)領(lǐng)域關(guān)于電池使用后的環(huán)境影響和回收處理問題.學(xué)生在探索這一問題的過程中，首先需要掌握氧化還原反應(yīng)的基本原理和規(guī)律，這是理解電池工作原理的基礎(chǔ).隨后，學(xué)生需要將這些理論知識與電池的化學(xué)結(jié)構(gòu)和功能原理相結(jié)合，深入分析電池在放電過程中所發(fā)生的復(fù)雜化學(xué)反應(yīng).在此過程中，學(xué)生將通過實驗和理論學(xué)習(xí)，探討電池內(nèi)部的電子流動轉(zhuǎn)化為電能的方法，了解其中所涵蓋的物理學(xué)電學(xué)知識.其間，學(xué)生將學(xué)習(xí)到正確識別電池正負(fù)極的方法，理解電極材料的作用，并認(rèn)識到電子在閉合電路中流動從而產(chǎn)生電流.最后，學(xué)生需要采用數(shù)據(jù)分析的方法，以驗證其理論假設(shè)和實驗設(shè)計是否合理.通過對比不同條件下電池的性能，學(xué)生能夠更加深入地理解氧化還原反應(yīng)在電池工作中的作用，并識別出影響電池效率的關(guān)鍵因素.

通過采用問題導(dǎo)向的教學(xué)方式，學(xué)生不僅能夠深化對氧化還原反應(yīng)的理解，還能夠提升自己的分析能力、批判性思維能力和創(chuàng)新能力.學(xué)生在解決實際問題的過程中，將不同學(xué)科的知識進行融合應(yīng)用，不僅能夠增強學(xué)習(xí)的趣味性和實用性，也能夠為未來在STEM領(lǐng)域的深入學(xué)習(xí)打下堅實的基礎(chǔ).

2 實驗整合：融合設(shè)計科學(xué)探究與技術(shù)應(yīng)用實驗

在基于STEM理念的高中化學(xué)跨學(xué)科融合教學(xué)策略中，實驗整合是至關(guān)重要的一環(huán).教師應(yīng)當(dāng)設(shè)計融合科學(xué)探究與技術(shù)應(yīng)用的實驗，以促進學(xué)生將理論知識與實踐操作相結(jié)合，增強學(xué)生的動手能力和創(chuàng)新能力.

例如，在講授“氧化還原反應(yīng)”這一化學(xué)概念時，教師可以精心設(shè)計一系列實驗活動，讓學(xué)生親自動手操作來深入探究電池的工作原理.教學(xué)實驗步驟如圖1所示.

首先，學(xué)生可以嘗試制作一個簡單的原電池.在實驗中，學(xué)生需要使用不同的金屬電極（如鋅和銅）和電解質(zhì)溶液（如硫酸銅溶液）來構(gòu)建一個基本的電池模型.學(xué)生通過觀察金屬電極在溶液中的變化，能夠直觀地看到氧化還原反應(yīng)的發(fā)生，并記錄下電極質(zhì)量的變化和溶液顏色的改變.接著，教師需要引導(dǎo)學(xué)生進行電池電動勢和電流的測量實驗.在此環(huán)節(jié)，學(xué)生需要使用電壓表和電流表來測量原電池的電動勢和電流強度，還需要學(xué)習(xí)正確連接電路，以及正確讀取和記錄儀表數(shù)據(jù)的方法.通過進行實驗測試，學(xué)生不僅要理解電動勢與電流的關(guān)系，還需要運用物理學(xué)的電學(xué)原理來解釋實驗結(jié)果.其間，教師可以引導(dǎo)學(xué)生進行不同電極材料對電池性能影響的觀察實驗.學(xué)生替換原電池中的金屬電極，使用不同材料的電極（如鉛、鎳、鋁等）進行實驗，比較它們的放電性能.通過實驗，學(xué)生可以了解到電極材料的選擇對電池效率和穩(wěn)定性的影響.在實驗過程中，教師還可以引入電化學(xué)工作站和數(shù)據(jù)采集器等現(xiàn)代技術(shù)工具，以此提升實驗的精確度和效率；學(xué)生則可以使用這些工具收集電池在放電過程中的電極電位、電流隨時間的變化等電化學(xué)數(shù)據(jù).學(xué)生應(yīng)用數(shù)據(jù)分析軟件，能夠逐步學(xué)會正確處理實驗數(shù)據(jù)的方法，并繪制電流—時間曲線，以此分析電極反應(yīng)的動力學(xué)特性.

3 技術(shù)融入：融入信息技術(shù)手段提高教學(xué)互動性

在基于STEM理念的高中化學(xué)跨學(xué)科融合教學(xué)中，融入信息技術(shù)是提升教學(xué)互動性和學(xué)生參與度的重要手段^[3].教師合理運用信息技術(shù)，不僅可以豐富教學(xué)內(nèi)容的表現(xiàn)形式，還能激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，促進深度學(xué)習(xí)的發(fā)展.

例如，在講解《氧化還原反應(yīng)》的內(nèi)容時，教師可以應(yīng)用3D MAX軟件創(chuàng)建一個三維的氧化還原反應(yīng)模型.3D模型能夠從不同的角度和層面展示反應(yīng)過程，使抽象的化學(xué)概念變得具體和直觀.學(xué)生觀察模型，可以清晰地看到電子在原子之間發(fā)生轉(zhuǎn)移的變化，理解這種轉(zhuǎn)移影響物質(zhì)的氧化態(tài)和還原態(tài)的方法.在課堂上，教師可以使用3D MAX軟件模擬氧化還原反應(yīng)的實際場景，比如鐵釘在硫酸銅溶液中的置換反應(yīng)，學(xué)生可以看到鐵原子失去電子被氧化的過程，以及銅離子獲得電子被還原的過程.這種動態(tài)的視覺展示不僅能夠幫助學(xué)生理解氧化還原反應(yīng)的基本原理，還能夠激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣.同時，教師還可以利用3D MAX軟件設(shè)計一系列的互動環(huán)節(jié)，讓學(xué)生通過操作軟件來改變反應(yīng)條件，觀察反應(yīng)結(jié)果的變化.比如，學(xué)生可以嘗試改變反應(yīng)物的濃度、溫度或添加不同的催化劑，從而探索上述因素對氧化還原反應(yīng)速率和平衡的影響.

在化學(xué)課堂中采用技術(shù)融入的教學(xué)方式，讓學(xué)生能夠在一個虛擬的實驗室環(huán)境中進行探索性的學(xué)習(xí)，不僅加深了對化學(xué)概念的理解，還提高了空間想象能力和科學(xué)探究能力.此種教學(xué)方法有效地結(jié)合了化學(xué)知識與信息技術(shù)，能夠為高中化學(xué)教學(xué)開辟新的互動教學(xué)途徑.

4 項目實踐：應(yīng)用多學(xué)科知識完善項目實施過程

在基于STEM理念的高中化學(xué)跨學(xué)科融合教學(xué)中，實施項目實踐活動，是學(xué)生將所學(xué)知識應(yīng)用于解決實際問題的重要環(huán)節(jié)^[4].通過開展項目實踐活動，學(xué)生能夠綜合運用多學(xué)科知識，提高自身的解決問題的能力，加深個人對化學(xué)概念的理解.

例如，在《氧化還原反應(yīng)》的教學(xué)中，教師可以精心設(shè)計一個綜合性的項目，用于讓學(xué)生深入探究不同類型的電池及其工作原理.該項目要求學(xué)生運用所學(xué)的化學(xué)知識，深入分析電池內(nèi)部的氧化還原反應(yīng)，理解電子如何在電池的兩極之間流動，并認(rèn)識到相應(yīng)反應(yīng)產(chǎn)生電能的原因.在項目實施過程中，教師可以將學(xué)生分成多個小組，通過團隊合作的方式，提高解決問題的能力.首先，各小組需要開展文獻調(diào)研，收集關(guān)于電池技術(shù)的歷史發(fā)展、當(dāng)前研究現(xiàn)狀以及未來趨勢的信息.經(jīng)過這一過程，學(xué)生能夠?qū)﹄姵氐陌l(fā)展有一個宏觀的認(rèn)識，并為后續(xù)的設(shè)計工作提供理論支持.進入設(shè)計規(guī)劃階段后，每個小組需根據(jù)所學(xué)的化學(xué)和物理學(xué)原理，結(jié)合工程學(xué)思想，提出自己的電池設(shè)計理念.在這一階段，學(xué)生需要考慮電池的實用性，比如電池的便攜性、使用壽命、成本效益以及環(huán)境影響等.在電池的原型設(shè)計階段，小組成員則需要利用計算機輔助設(shè)計（CAD）軟件繪制電池的三維模型，并對其進行模擬測試.該步驟可以幫助學(xué)生直觀地看到設(shè)計的實際效果，并在不浪費實際材料的情況下進行優(yōu)化.完成上述任務(wù)后，各小組成員則進入原型制作環(huán)節(jié).在此過程中，學(xué)生需要選擇合適的材料和工具，動手制作電池原型.該步驟不僅考驗學(xué)生的動手能力，也能夠讓學(xué)生更加深刻地理解電池的工作原理和工程實踐的重要性.在電池原型制作完成后，各小組則需要對其進行性能測試，測試內(nèi)容可以是電池的充放電效率、能量密度、穩(wěn)定性等.學(xué)生需要在項目實施過程中，及時記錄測試數(shù)據(jù)，分析測試結(jié)果，找出設(shè)計的不足之處，并提出改進措施.最終，各小組整合學(xué)生研究成果，撰寫一份詳盡的項目報告.報告內(nèi)容不僅需要涵蓋項目的開展過程、結(jié)果和討論，還需要對電池的工作原理進行深入解釋，并盡可能地提出相應(yīng)的改進建議或創(chuàng)新思路.

5 結(jié)束語

在全球化與信息化迅速發(fā)展的今天，社會對人才的需求日益多元化，要求個體不僅要具備扎實的專業(yè)知識基礎(chǔ)，還應(yīng)擁有良好的創(chuàng)新意識、實踐能力和跨學(xué)科技能，因此，探究基于STEM理念的高中化學(xué)跨學(xué)科融合教學(xué)策略具有重要的現(xiàn)實意義.未來，教師應(yīng)繼續(xù)深化對STEM教育理念的理解，積極調(diào)整教學(xué)方式，將跨學(xué)科融合的理念貫穿于教學(xué)設(shè)計之中，鼓勵學(xué)生動手操作，為學(xué)生的全面發(fā)展奠定堅實基礎(chǔ).

參考文獻：

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[3] 王秀芳，李啟畢，劉春葉.高等教育中的無機化學(xué)教學(xué)改革探索：以“合成和表征銅氧化物納米顆?！睂嶒灋槔齕J].廣東化工，2024，51（12）：182-184.

[4] 石德志，趙明霞.新工科背景下大學(xué)化學(xué)實驗課設(shè)計：以氫氧化鈉標(biāo)準(zhǔn)溶液的配置與滴定為例[J].化纖與紡織技術(shù)，2024，53（06）：190-193.

［責(zé)任編輯：季春陽］