以培養(yǎng)學(xué)生STEM素養(yǎng)為目標(biāo)的項(xiàng)目化學(xué)習(xí)設(shè)計(jì)

吳曉紅+田小蘭+蔣思雪

摘要：項(xiàng)目化學(xué)習(xí)設(shè)計(jì)以跨學(xué)科知識為載體，以學(xué)生活動(dòng)為中心，以問題情境為橋梁，在真實(shí)的實(shí)踐活動(dòng)中培養(yǎng)學(xué)生的STEM素養(yǎng)。以“愛護(hù)水資源”為主題，從現(xiàn)實(shí)生活問題入手進(jìn)行STEM項(xiàng)目學(xué)習(xí)設(shè)計(jì)。給出了項(xiàng)目設(shè)計(jì)思路及實(shí)施過程，包括“選定項(xiàng)目，激活舊知”、“活動(dòng)探究，展示新知”、“作品制作，應(yīng)用新知”、“融會(huì)貫通，成果交流”四個(gè)階段，涵蓋了“學(xué)習(xí)中心-水資源知識知多少”、“科學(xué)實(shí)驗(yàn)-水質(zhì)檢測”、“職業(yè)體驗(yàn)-自制簡易凈水器”、“工程體驗(yàn)-設(shè)計(jì)迷你水廠”四部分項(xiàng)目內(nèi)容。

關(guān)鍵詞：STEM素養(yǎng)；項(xiàng)目化學(xué)習(xí)；STEM項(xiàng)目學(xué)習(xí)；愛護(hù)水資源

文章編號：1005–6629（2017）12–0038–06 中圖分類號：G633.8 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：B

STEM是科學(xué)（Science）、技術(shù)（Technology）、工程（Engineering）和數(shù)學(xué)（Mathematics）四門學(xué)科的簡稱，強(qiáng)調(diào)多學(xué)科之間的交叉融合，目標(biāo)是培養(yǎng)學(xué)生的STEM綜合素養(yǎng)。STEM素養(yǎng)是在綜合把握科學(xué)、技術(shù)、工程和數(shù)學(xué)等理工科知識的基礎(chǔ)上具有的獨(dú)立提問、設(shè)計(jì)、分析、推斷和運(yùn)算的能力，是一種獨(dú)立分析問題、解決問題的綜合素養(yǎng)[1]。STEM素養(yǎng)的培養(yǎng)方式主要以基于項(xiàng)目或基于問題解決為主。本研究將把項(xiàng)目學(xué)習(xí)作為核心，利用項(xiàng)目學(xué)習(xí)案例開發(fā)，探討如何開展STEM項(xiàng)目學(xué)習(xí)設(shè)計(jì)，藉此探索開展STEM素養(yǎng)培養(yǎng)的途徑和方式。

1 STEM項(xiàng)目學(xué)習(xí)概述

1.1 STEM項(xiàng)目學(xué)習(xí)的內(nèi)涵

STEM項(xiàng)目學(xué)習(xí)是STEM和基于項(xiàng)目的學(xué)習(xí)模式相結(jié)合的產(chǎn)物。這種學(xué)習(xí)方式為學(xué)生提供了融入真實(shí)情境的體驗(yàn)，鼓勵(lì)學(xué)生運(yùn)用科學(xué)、技術(shù)、工程和數(shù)學(xué)等領(lǐng)域的知識與技能解決現(xiàn)實(shí)世界的問題[2]?；陧?xiàng)目的學(xué)習(xí)作為一種課堂活動(dòng)的模式，強(qiáng)調(diào)長期的、跨學(xué)科的、學(xué)生中心的，且與現(xiàn)實(shí)世界問題和實(shí)踐相融合的學(xué)習(xí)活動(dòng)。其核心組成部分就是將分散的學(xué)科領(lǐng)域融合于具有挑戰(zhàn)性問題的項(xiàng)目活動(dòng)，這些問題驅(qū)使學(xué)生去面對并力爭理解學(xué)科的核心概念和原則。STEM尤其適合于使用基于項(xiàng)目的學(xué)習(xí)模式，因?yàn)樵诳茖W(xué)、技術(shù)、工程和數(shù)學(xué)之間本來就有很自然的交接[3]。因此STEM項(xiàng)目學(xué)習(xí)可以理解為以基于項(xiàng)目的學(xué)習(xí)為框架整合STEM內(nèi)容的學(xué)習(xí)模式，是利用STEM領(lǐng)域的知識與技能解決現(xiàn)實(shí)問題的學(xué)習(xí)過程。

STEM項(xiàng)目學(xué)習(xí)的核心要素包括以學(xué)生為中心、充足的時(shí)間、明確的結(jié)果以及跨學(xué)科[4]。其中“以學(xué)生為中心”指在整個(gè)項(xiàng)目活動(dòng)中，學(xué)生以小組的形式完成項(xiàng)目活動(dòng)中的各個(gè)任務(wù)，而教師發(fā)揮組織、指導(dǎo)、監(jiān)督、評價(jià)作用；“充足的時(shí)間”目的是使學(xué)生有充足的時(shí)間學(xué)習(xí)一系列的知識和技能；“明確的結(jié)果”包括對需要完成的任務(wù)有明確的期望和約束限制，保證所有學(xué)生都能學(xué)習(xí)并獲得成功，但達(dá)到目標(biāo)的時(shí)間、方式可以不同；“跨學(xué)科”指學(xué)生有意識地參與并整合多個(gè)學(xué)術(shù)領(lǐng)域和多種學(xué)習(xí)方法來研究某個(gè)核心問題或項(xiàng)目。

1.2 STEM項(xiàng)目學(xué)習(xí)操作流程

STEM教育中的教學(xué)活動(dòng)設(shè)計(jì)應(yīng)遵循梅瑞爾的首要教學(xué)原理，又稱五星教學(xué)原理，具體結(jié)構(gòu)概括為“一個(gè)中心+四個(gè)基本點(diǎn)”，即要求整個(gè)教學(xué)活動(dòng)應(yīng)該以問題為中心，進(jìn)行從激活舊知、展示新知、應(yīng)用新知、融會(huì)貫通四個(gè)階段循環(huán)往復(fù)的學(xué)習(xí)[5]。常見的基于項(xiàng)目的學(xué)習(xí)操作流程包括選定項(xiàng)目、制定計(jì)劃、活動(dòng)探究、作品制作、成果交流、活動(dòng)評價(jià)六個(gè)階段[6]。本項(xiàng)目的活動(dòng)實(shí)施過程兼顧了五星教學(xué)原理與基于項(xiàng)目的學(xué)習(xí)模式，由“選定項(xiàng)目，激活舊知”、“活動(dòng)探究，展示新知”、“作品制作，應(yīng)用新知”、“融會(huì)貫通，成果交流”四個(gè)階段構(gòu)成，如圖1所示：

（1）“選定項(xiàng)目，激活舊知”階段：STEM教育是以科學(xué)知識為核心，以跨學(xué)科知識為載體，依托技術(shù)、工程活動(dòng)的跨學(xué)科教育體系，首先要對跨學(xué)科知識進(jìn)行激活。教師通過創(chuàng)設(shè)情景（播放視頻、圖片等）的方式提出、確定項(xiàng)目，并以問題引導(dǎo)，啟發(fā)學(xué)生識別、回憶起有關(guān)舊知識，激發(fā)學(xué)習(xí)動(dòng)機(jī)。該階段重在對科學(xué)知識的回顧檢索，為后面的技術(shù)、工程活動(dòng)提供理論基礎(chǔ)。

（2）“活動(dòng)探究，展示新知”階段：此階段是教師通過操作示范，提供視頻、圖片等學(xué)習(xí)資料展示新知，呈現(xiàn)需完成的挑戰(zhàn)。學(xué)生小組交流合作，運(yùn)用所學(xué)科學(xué)、技術(shù)等知識開展測驗(yàn)與探索等活動(dòng)。該階段重在對技術(shù)方法的選擇以及技術(shù)工具的操作、技術(shù)數(shù)據(jù)的采集與解釋。

（3）“作品制作，應(yīng)用新知”階段：作品制作是STEM項(xiàng)目學(xué)習(xí)活動(dòng)的重要組成部分。在該階段教師引導(dǎo)學(xué)生探索真實(shí)的項(xiàng)目活動(dòng)，學(xué)生小組協(xié)作，利用跨學(xué)科知識和技能完成作品的制作，作品形式多樣，如實(shí)物模型、圖畫作品等，并根據(jù)一定的評估標(biāo)準(zhǔn)對作品進(jìn)行測驗(yàn)與評估。該階段重在對作品的方案設(shè)計(jì)、優(yōu)化以及動(dòng)手制作能力的提升，將知識轉(zhuǎn)化為技能，實(shí)現(xiàn)現(xiàn)實(shí)問題的解決。

（4）“融會(huì)貫通，成果交流”階段：STEM教育的核心是多學(xué)科融合。該階段進(jìn)一步強(qiáng)化所學(xué)知識，融會(huì)貫通。教師組織學(xué)生利用跨學(xué)科知識與技能綜合考慮問題，實(shí)現(xiàn)知識的遷移和進(jìn)一步內(nèi)化。該階段側(cè)重借助數(shù)學(xué)思維解決科學(xué)、技術(shù)、工程領(lǐng)域的某些問題，達(dá)到對各學(xué)科知識與技能進(jìn)行整合與應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)對現(xiàn)實(shí)問題的解決。

以上四個(gè)階段以跨學(xué)科知識與技能為載體，以學(xué)生活動(dòng)為中心，在充足的時(shí)間里學(xué)習(xí)一整套前后關(guān)系緊密的STEM知識與技能，最終實(shí)現(xiàn)對現(xiàn)實(shí)問題的解決。

2 案例設(shè)計(jì)思路及實(shí)施過程

本項(xiàng)目選取高中化學(xué)選修1《化學(xué)與生活》（人教版）中“愛護(hù)水資源”這一節(jié)內(nèi)容。水是一種寶貴的自然資源，與我們的生活息息相關(guān)。隨著工業(yè)文明的誕生，人口急劇增長，生態(tài)平衡遭到破壞，淡水資源日趨緊張。中學(xué)生作為未來世界的主人，“愛護(hù)水資源”正是大家關(guān)心的實(shí)際問題。此外，該項(xiàng)目不僅蘊(yùn)含著豐富的化學(xué)知識及其他學(xué)科相關(guān)知識，還為學(xué)生提供豐富而有趣的實(shí)踐活動(dòng)，動(dòng)腦學(xué)知識的同時(shí)也能動(dòng)手學(xué)技能，解決書本問題的同時(shí)也能解決現(xiàn)實(shí)問題。endprint

本項(xiàng)目的實(shí)施過程由本文提出的STEM項(xiàng)目學(xué)習(xí)模式的四個(gè)階段構(gòu)成，每個(gè)階段的項(xiàng)目內(nèi)容借鑒了上海STEM研究中心“共用一江水”活動(dòng)。具體設(shè)計(jì)思路如圖2所示。

2.1 選定項(xiàng)目，激活舊知：學(xué)習(xí)中心-水資源知識知多少

[問題情境]聯(lián)合國大會(huì)將每年的3月22日確定為“世界水日”，意在喚起人們加強(qiáng)水資源保護(hù)，緩解水資源短缺的問題。我們該為水資源的保護(hù)做些什么呢？今天我們以“愛護(hù)水資源”為主題進(jìn)行項(xiàng)目學(xué)習(xí)活動(dòng)。

[教師]播放視頻“愛護(hù)水資源-藍(lán)星上的生命之源”，視頻中涉及與水資源相關(guān)的一些化學(xué)、地理、社會(huì)、環(huán)境等知識，初步激起學(xué)生對舊知識的回憶，緊接著教師拋出一系列與水資源相關(guān)的問題（見表1）。

[學(xué)生]以小組為單位，通過查閱書本資料、網(wǎng)上檢索等，深入了解與水資源相關(guān)的一系列知識。

[設(shè)計(jì)意圖]由現(xiàn)實(shí)生活問題“愛護(hù)水資源”確定項(xiàng)目主題，播放視頻激發(fā)學(xué)生興趣，通過環(huán)環(huán)相扣的問題引導(dǎo)學(xué)生學(xué)習(xí)STEM項(xiàng)目中的科學(xué)知識，同時(shí)燃起學(xué)生愛護(hù)水資源的社會(huì)責(zé)任感，正確理解科學(xué)、技術(shù)與社會(huì)的關(guān)系。

2.2 活動(dòng)探究，展示新知：科學(xué)實(shí)驗(yàn)-水質(zhì)檢測

[教師]水資源面臨著嚴(yán)峻的考驗(yàn)，建立完善的水處理系統(tǒng)是非常有必要的。我們身邊的水體質(zhì)量如何呢？

[學(xué)生]用水質(zhì)檢測器對水質(zhì)進(jìn)行檢測。

[教師]布置任務(wù)：對學(xué)校周邊河流的水質(zhì)進(jìn)行檢測，并提醒學(xué)生在取水樣時(shí)應(yīng)注意安全。

[學(xué)生活動(dòng)]水質(zhì)檢測，實(shí)施過程見表2。

[設(shè)計(jì)意圖]以手持技術(shù)為支撐的實(shí)驗(yàn)探究，強(qiáng)調(diào)在實(shí)驗(yàn)探究過程中注重技術(shù)知識的學(xué)習(xí)以及技術(shù)工具的使用；啟發(fā)學(xué)生學(xué)會(huì)利用數(shù)據(jù)、圖像等分析并解釋科學(xué)問題；對身邊的水質(zhì)進(jìn)行檢測活動(dòng)，將學(xué)生置身于真實(shí)生活實(shí)踐，通過小組合作，體驗(yàn)科學(xué)、技術(shù)知識在現(xiàn)實(shí)生活的運(yùn)用。

2.3 作品制作，應(yīng)用新知：職業(yè)體驗(yàn)-自制簡易凈水器

[教師]展示水質(zhì)較差的河水，提出問題：如何將水質(zhì)較差的河水變得干凈呢？引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行猜想。

[學(xué)生]加明礬、過濾。

[教師]布置任務(wù)：假如你是一名水質(zhì)工程師，如何利用現(xiàn)有材料制作簡易凈水器？并提出要求：所制作的簡易凈水器要有明顯的過濾效果。

[學(xué)生活動(dòng)]自制簡易凈水器，實(shí)施過程見表3。

[設(shè)計(jì)意圖]賦予學(xué)生水質(zhì)工程師角色，將學(xué)生置身于未來職業(yè)選擇的視野之中，這也是STEM教育的目標(biāo)之一；學(xué)生以化學(xué)實(shí)驗(yàn)技能為基礎(chǔ)，親自制作簡易凈水器，增強(qiáng)學(xué)生動(dòng)手能力；將科學(xué)知識運(yùn)用實(shí)踐，訓(xùn)練學(xué)生解決實(shí)際問題的能力。

2.4 融會(huì)貫通，成果交流：工程體驗(yàn)-設(shè)計(jì)迷你水廠

[教師]同學(xué)們可以通過自制簡易凈水器獲取少量潔凈的水供自己使用，有沒有想過要為更多的人送去潔凈的水呢？中學(xué)生都有為社會(huì)作貢獻(xiàn)的愿望與雄心，回答都是肯定的。

[教師]布置任務(wù)：假如你是一名自來水廠的設(shè)計(jì)師，你準(zhǔn)備如何設(shè)計(jì)一個(gè)城市自來水處理廠及水處理工藝流程，為千家萬戶送去健康、潔凈的水呢？

[學(xué)生活動(dòng)]設(shè)計(jì)迷你水廠，實(shí)施過程見表5。

[教師]總結(jié)評估各小組方案的合理性，提出建議并指導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行優(yōu)化。

[設(shè)計(jì)意圖]強(qiáng)調(diào)STEM項(xiàng)目中的工程素養(yǎng)，引導(dǎo)學(xué)生站在全局觀念的角度，識別工程領(lǐng)域的問題與制約因素，綜合運(yùn)用科學(xué)、技術(shù)、數(shù)學(xué)等學(xué)科知識，體驗(yàn)以工程思想為指導(dǎo)解決實(shí)際問題的過程。

整個(gè)項(xiàng)目實(shí)施結(jié)束后，進(jìn)行成果展示與評估。教師組織學(xué)生以PPT的方式，結(jié)合數(shù)據(jù)、圖像、拍攝照片等對整個(gè)項(xiàng)目過程中所取得的成果進(jìn)行匯報(bào)。匯報(bào)的內(nèi)容包括“與水資源相關(guān)的跨學(xué)科知識掌握情況”、“三種不同水樣的水質(zhì)情況分析”、“自制簡易凈水器的凈水效果”、“迷你水廠設(shè)計(jì)的合理性分析”等。匯報(bào)結(jié)束后，教師要求學(xué)生以自評、互評的方式進(jìn)行評價(jià)，評價(jià)內(nèi)容可從“團(tuán)結(jié)協(xié)作”、“動(dòng)手實(shí)踐”、“問題解決”、“跨學(xué)科知識掌握情況”等方面考慮。最后教師總結(jié)各小組在項(xiàng)目活動(dòng)過程中的表現(xiàn)，肯定學(xué)生的項(xiàng)目成果，同時(shí)對出現(xiàn)的相關(guān)問題進(jìn)行修正和補(bǔ)充，回歸主題“愛護(hù)水資源”，鼓勵(lì)學(xué)生從身邊的小事做起，養(yǎng)成良好的用水習(xí)慣，為保護(hù)水資源獻(xiàn)出自己的一份力量，培養(yǎng)學(xué)生社會(huì)、人文情懷。

3 案例所涉及的跨學(xué)科知識及STEM素養(yǎng)說明

本項(xiàng)目知識融合性強(qiáng)，實(shí)用性廣，切實(shí)培養(yǎng)了中學(xué)生的STEM綜合素養(yǎng)，涉及的跨學(xué)科知識及STEM素養(yǎng)體現(xiàn)如圖3。

通過該項(xiàng)目的實(shí)施，學(xué)生掌握了污水的主要成分、引起水體污染的原因以及鋁鹽的凈水原理等科學(xué)知識；正確理解科學(xué)與技術(shù)、社會(huì)的關(guān)系。其中化學(xué)知識涉及到鋁離子的水解反應(yīng)，次氯酸的性質(zhì)及用途等；地理知識涉及水的時(shí)間與空間分布、城市水處理廠建設(shè)規(guī)劃等；此外還涉及環(huán)境學(xué)、生態(tài)學(xué)等科學(xué)知識。

學(xué)生在項(xiàng)目體驗(yàn)過程中學(xué)習(xí)如何操作技術(shù)工具，了解技術(shù)工具的操作、保管、維護(hù)等；會(huì)使用特定的技術(shù)方法解決科學(xué)、工程等現(xiàn)實(shí)問題并適當(dāng)對技術(shù)進(jìn)行價(jià)值判斷，培養(yǎng)學(xué)生技術(shù)素養(yǎng)。技術(shù)手段多樣，如在自制凈水的過程中會(huì)用到過濾、沉淀等化學(xué)實(shí)驗(yàn)操作技術(shù)；在檢測水質(zhì)過程中用到數(shù)字化傳感器技術(shù)，以及檢索資料、整理資料、數(shù)字化等信息技術(shù)。endprint

通過工程項(xiàng)目的設(shè)計(jì)，學(xué)生體會(huì)工程領(lǐng)域中的全局意識、成本意識、質(zhì)量意識、環(huán)境意識、創(chuàng)新意識、團(tuán)隊(duì)合作意識等，初步培養(yǎng)學(xué)生工程素養(yǎng)。其中工程領(lǐng)域知識既包含了水質(zhì)檢測方案的設(shè)計(jì)、凈水系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、方案的優(yōu)化等以及自來水處理廠圖紙繪畫、選擇材料、成本估算等。

數(shù)學(xué)作為科學(xué)輔助手段，亦發(fā)揮著不可替代的作用。在STEM項(xiàng)目中，學(xué)生掌握一定的數(shù)學(xué)基本原理、計(jì)算方法，了解相關(guān)測量方法與測量工具，能夠?qū)ο嚓P(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行解釋，培養(yǎng)了學(xué)生的數(shù)學(xué)素養(yǎng)。數(shù)學(xué)知識包括常見的數(shù)學(xué)計(jì)算、測量知識，如在自來水廠設(shè)計(jì)過程中對水廠筑地面積的計(jì)算與規(guī)劃，設(shè)備材料運(yùn)行費(fèi)用等的計(jì)算；此外還用到數(shù)據(jù)、圖像的分析與解釋方面的知識，如在檢測水質(zhì)過程中，對傳感器檢測到的主要成分含量的對比分析與解釋。

4 結(jié)語

以“愛護(hù)水資源”為主題的STEM項(xiàng)目化學(xué)習(xí)，融合了化學(xué)、地理、生態(tài)學(xué)、環(huán)境學(xué)等學(xué)科知識，運(yùn)用多媒體技術(shù)、手持技術(shù)、實(shí)驗(yàn)操作技術(shù)等相關(guān)技術(shù)手段，輔以數(shù)學(xué)思想中的計(jì)算、圖像分析，綜合考慮工程領(lǐng)域的全局意識、成本意識等解決現(xiàn)實(shí)問題。在項(xiàng)目實(shí)施的四個(gè)階段，按照學(xué)生認(rèn)知水平層次由低到高布置任務(wù)，在層層遞進(jìn)的實(shí)踐活動(dòng)中培養(yǎng)學(xué)生的STEM綜合素養(yǎng)。STEM項(xiàng)目化學(xué)習(xí)注重知識與實(shí)踐相結(jié)合，教師應(yīng)合理選擇教學(xué)內(nèi)容，善于挖掘?qū)W科間交叉融合的部分，塑造真實(shí)的生活情景，開發(fā)與整合更多基于STEM的項(xiàng)目活動(dòng)，為學(xué)生創(chuàng)造解決現(xiàn)實(shí)問題的機(jī)會(huì)，培養(yǎng)學(xué)生未來職業(yè)和終身學(xué)習(xí)所需要的能力和素養(yǎng)。

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