融入STEM理念的高中化學(xué)實驗探究課的教學(xué)策略研究

練鳳玲

摘 要：高中化學(xué)實驗教學(xué)及探究的過程融入STEM課程理念，拓展多種學(xué)習(xí)方式，強化教學(xué)過程中的實踐性和學(xué)生的體驗性，提高教學(xué)效能。實踐這種模式下教學(xué)策略有助于學(xué)生高考化學(xué)知識點的掌握及應(yīng)用，提升學(xué)生實際問題的解決能力，著重培養(yǎng)學(xué)生的化學(xué)核心素養(yǎng)，并逐步形成具有地方特色的校本課程。

關(guān)鍵詞：STEM;高中化學(xué);實驗探究;教學(xué)策略

1. 問題的提出

STEM最初由美國發(fā)起并主導(dǎo)，主要針對基礎(chǔ)教育改革。早在上個世紀(jì)80年代，美國國家科學(xué)委員會發(fā)表的《本科的科學(xué)、數(shù)學(xué)和工程教育》報告，標(biāo)志著美國STEM教育的開端。[1]學(xué)術(shù)界普遍認(rèn)為，STEM是科學(xué)（Science）、技術(shù)（technology）、工程（Engineering）和數(shù)學(xué)（Mathematics）各學(xué)科首字母的縮寫，STEM課程則融合了這四門彼此獨立又相互關(guān)聯(lián)的學(xué)科，采取融會貫通的方式結(jié)合項目加以開展，以研究性學(xué)習(xí)為主，注重培養(yǎng)學(xué)生的探究能力，提升學(xué)生科學(xué)素養(yǎng)、技術(shù)素養(yǎng)、工程素養(yǎng)及數(shù)學(xué)素養(yǎng)等?；瘜W(xué)是一門實驗科學(xué)，以高中化學(xué)實驗為載體，融入STEM課程理念，探索高中化學(xué)實驗中的跨學(xué)科合作是很有必要的，然而我國對STEM教育和STEM課程的研究多處于理論階段，仍然存在很多的問題與不足。

2.相關(guān)概念的界定

2.1 STEM課程：STEM是由科學(xué)（Science）、技術(shù)（Technology）、工程（Engineering）和數(shù)學(xué)（Mathmatics）四門學(xué)科整合而成的，它以設(shè)計和探索為目的，并對技術(shù)問題進(jìn)行科學(xué)的探索。[2]STEM教育是一種新的教學(xué)理念，它不是簡單地將科學(xué)、技術(shù)、工程、數(shù)學(xué)這四大學(xué)科內(nèi)容進(jìn)行排列組合或重新疊加，而是突破這四大學(xué)科之間的壁壘，通過跨學(xué)科的方式來綜合運用這四大學(xué)科的相關(guān)知識，以使學(xué)習(xí)者通過實踐解決真實情境中存在的問題，從而達(dá)到培養(yǎng)創(chuàng)新能力與實踐能力的目的。

2.2小組合作：小組合作學(xué)習(xí)就是以合作學(xué)習(xí)小組為基本形式，系統(tǒng)利用教學(xué)中動態(tài)因素之間的互動，促進(jìn)學(xué)生的學(xué)習(xí)，以團體的成績?yōu)樵u價標(biāo)準(zhǔn)，共同達(dá)成教學(xué)目標(biāo)的教學(xué)活動。強調(diào)人際交往對于認(rèn)知發(fā)展的促進(jìn)功能，學(xué)生依其學(xué)業(yè)水平、能力傾向、個性特征、性別乃至社會家庭背景等方面的差異組成若干個異質(zhì)學(xué)習(xí)小組（每組3-6人）。

2.3實驗探究：在老師的指導(dǎo)下，將一個相對獨立的實驗交由學(xué)生自己處理，信息的收集、方案的設(shè)計、實施及最終評價，都由學(xué)生自己負(fù)責(zé)，學(xué)生通過該實驗探究的進(jìn)行，了解并把握整個過程及每一個環(huán)節(jié)中的基本要求?！皩嶒炋骄俊弊铒@著的特點是“以實驗?zāi)康臑橹骶€、教師為引導(dǎo)、學(xué)生為主體”，具體表現(xiàn)在：實驗的自主性和創(chuàng)新性;培訓(xùn)周期短，見效快;可控性好;注重理論與實踐相結(jié)合。

3. 融入STEM理念的高中化學(xué)實驗探究課的具體設(shè)計

3.1 現(xiàn)狀與問題

化學(xué)是一門實驗科學(xué)，以高中化學(xué)實驗為載體，融入STEM理念，探索高中化學(xué)實驗中的跨學(xué)科合作是很有必要的，然而我國對STEM教育和STEM課程的研究多處于理論階段，仍然存在很多的問題與不足：（1）在國內(nèi)的相關(guān)研究當(dāng)中，重點以美國等國外的STEM教育和課程的研究為主，個別教育案例也是以國外教育案例為藍(lán)本，照搬痕跡較重，沒有形成適用于本土的具有本國特色的STEM課程;（2）STEM理念在高中化學(xué)實驗探究課中的應(yīng)用的相關(guān)研究存在明顯的留白，沒有形成可供參考的教學(xué)模式和實踐操作，由于地域差異所造成的教育資源不平等的問題，大大阻礙了STEM理念在高中化學(xué)實驗探究的推廣與應(yīng)用;（3）當(dāng)前日益增長的教育需求與教師素質(zhì)之間存在矛盾，在高中化學(xué)實驗中融入STEM理念需要教師同時具備相關(guān)學(xué)科的綜合知識與教學(xué)技能，對教師的要求較高，向以往的傳統(tǒng)教學(xué)方式提出了挑戰(zhàn)，而相關(guān)的教師培訓(xùn)工作和教師隊伍的自我學(xué)習(xí)還存在很多不足。

3.2基本流程

融入STEM理念的高中化學(xué)實驗探究課具體流程為：提出與分析問題→應(yīng)用跨學(xué)科知識→團隊合作→選擇與應(yīng)用適當(dāng)?shù)募夹g(shù)→探究與設(shè)計作品→展示與評價成果。

3.3 教學(xué)活動設(shè)計--以《金屬的腐蝕與防護(hù)》為例[5]

STEM課程是以項目實踐載體，學(xué)生通過探究學(xué)習(xí)去掌握相關(guān)的概念和技能，并嘗試去解決真實世界中的問題。STEM理念下高中化學(xué)實驗探究學(xué)習(xí)主要分為四個階段：學(xué)生選擇所需工具與資源階段（準(zhǔn)備）、學(xué)生設(shè)計實驗探究方案（設(shè)計）、學(xué)生自主完成活動任務(wù)階段（實施）、學(xué)生在探索中培養(yǎng)創(chuàng)新能力階段（改進(jìn)）、和鞏固和完善學(xué)生的認(rèn)知結(jié)構(gòu)階段（反思）。

3.3.1.教學(xué)目標(biāo)分析

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，其強調(diào)學(xué)科間的交叉與融合，并形成有機整體，消除學(xué)科間存在的傳統(tǒng)學(xué)習(xí)障礙，鼓勵學(xué)生綜合運用多學(xué)科知識，更好地培養(yǎng)學(xué)生的實踐能力和創(chuàng)新精神。將STEM理念應(yīng)用于中學(xué)化學(xué)教學(xué)中，學(xué)生不僅可習(xí)得及掌握化學(xué)學(xué)科的知識與技能，還能感受到化學(xué)學(xué)科與真實世界建立的聯(lián)系，將化學(xué)教育與當(dāng)前的社會生產(chǎn)生活等緊密結(jié)合，充分理解化學(xué)與科學(xué)、技術(shù)、工程與數(shù)學(xué)之間的交互關(guān)系，為提升學(xué)生核心素養(yǎng)及全面發(fā)展打下堅實基礎(chǔ)。

3.3.2.教學(xué)內(nèi)容及學(xué)情分析

《金屬的腐蝕與防護(hù)》是人教版《化學(xué)反應(yīng)原理》第四章第4節(jié)的內(nèi)容，在學(xué)習(xí)了電解池和原電池的知識之后，結(jié)合實際問題對所學(xué)化學(xué)知識的應(yīng)用。教材主要介紹了金屬電化學(xué)腐蝕的本質(zhì)，影響金屬腐蝕的因素，簡單介紹了金屬防腐的方法.學(xué)好本節(jié)將， 是對所學(xué)電知識的綜合靈活的運用，對前面所學(xué)的電解和原電池的知識起到鞏固和提高的作用，。

由于本節(jié)內(nèi)容緊密聯(lián)系生活實際，學(xué)生有強烈的好奇心和求知欲，加上高二的學(xué)生已經(jīng)具備一定的實驗設(shè)計觀察能力，以及比較歸納能力，所以學(xué)生具備主動探究的原動力。但學(xué)生對知識的學(xué)習(xí)只注重表面現(xiàn)象，缺乏生活經(jīng)驗，缺乏一定的深入理解和綜合思維的能力，在高考復(fù)習(xí)和高考中仍然得分不高.

3.3.3教學(xué)設(shè)計思路

本節(jié)教學(xué)設(shè)計以“任務(wù)為主線，教師為主導(dǎo)、學(xué)生為主體”的教學(xué)方式呈現(xiàn)，教師在某一種教學(xué)情境下提出問題，將STEM學(xué)科知識整合到某一化學(xué)核心任務(wù)中，學(xué)生以小組合作的方式運用STEM四方面的知識思考、討論與交流，從而解決化學(xué)問題，并最終獲得相應(yīng)的科學(xué)知識。學(xué)生在解決問題的過程中，教師發(fā)揮指導(dǎo)、檢查、監(jiān)督、和評價作用。

在本節(jié)教學(xué)中，教師以學(xué)生查找生活中的金屬腐蝕現(xiàn)象為任務(wù)一，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣，引導(dǎo)學(xué)生主動探究金屬腐蝕的本質(zhì)，同時根據(jù)調(diào)查全球金屬腐蝕的嚴(yán)峻事實及數(shù)據(jù)統(tǒng)計，認(rèn)識防止金屬腐蝕的重要意義。教師再以任務(wù)二：學(xué)生自主探究鋼鐵發(fā)生吸氧腐蝕和析氫腐蝕對比實驗，學(xué)會設(shè)計控制單一變量進(jìn)行對比實驗以及實驗設(shè)計進(jìn)行評價，得出金屬腐蝕的本質(zhì)、條件、原因和影響腐蝕速率的因素，從而知道利用原電池的原理--犧牲陽極的陰極保護(hù)法的金屬的防護(hù)方法，最后通過親自模擬海水中的船的保護(hù)實驗加深原理的認(rèn)識。教師再以任務(wù)三：學(xué)生自主查找展示金屬防腐的方法，并用原電池和電解池的原理解釋.最后，以任務(wù)四：課后延伸與拓展作業(yè)：將本小組設(shè)計的各種實驗方案整理并形成實驗小論文，形成研究性小論文并進(jìn)行答辯，從而學(xué)以致用，拓展知識，鞏固電化學(xué)的原理。

3.3.4.實施教學(xué)過程

【任務(wù)一】學(xué)生分組查找并展示生活中的金屬腐蝕現(xiàn)象，激發(fā)學(xué)習(xí)的興趣，引導(dǎo)主動探究金屬腐蝕的本質(zhì)，同時根據(jù)調(diào)查全球金屬腐蝕的嚴(yán)峻事實及數(shù)據(jù)統(tǒng)計，認(rèn)識防止金屬腐蝕的重要意義。

【任務(wù)二】學(xué)生分組實驗探究并展示實驗結(jié)論：鐵釘腐蝕的實驗探究

實驗用品：鐵釘、煮沸過的水（除O2）、干燥劑（CaCl2）、植物油、試管、橡膠塞，還有食鹽溶液和醋酸溶液?？梢栽O(shè)計出至少五種實驗方案來探究鐵釘在什么條件下會銹蝕，什么條件下銹蝕的速度會加快。

【動畫模擬】探討回憶原電池的原理，指出鐵釘其實是鐵碳合金，含2～4%的碳，這樣就組成了鐵碳原電池，動畫模擬討論鐵碳在酸性條件下和中性及弱酸性條件下的反應(yīng)。

實驗探究：鋼鐵的析氫腐蝕和吸氧腐蝕。

負(fù)極（Fe）：Fe - 2e- = Fe2+

正極 （C）：2H++2e-=H2↑（析氫腐蝕）

2H2O + O2 + 4e- = 4OH-（吸氧腐蝕）

鐵銹的生成：Fe2+ + 2OH- = Fe（OH）2↓

4Fe（OH）2 + 2H2O + O2 = 4Fe（OH）3

生成的Fe（OH）3，失水生成Fe2O3·xH2O就是鐵銹 。

【模擬試驗】模擬海水中的船的保護(hù)實驗設(shè)計，深入掌握原電池的原理--犧牲陽極的陰極保護(hù)法的金屬的防護(hù)方法在生活中的應(yīng)用。

【 任務(wù)三】學(xué)生自主查找并展示金屬防腐的方法，并用原電池和電解池的原理解釋，學(xué)以致用，拓展知識，鞏固電化學(xué)的原理。

【 任務(wù)四】課后延伸與拓展作業(yè)：將本小組設(shè)計的各種實驗方案整理并形成實驗小論文，形成研究性小論文并進(jìn)行答辯。

【課堂小結(jié)】這節(jié)課我們通過試驗探究了金屬腐蝕的本質(zhì)、條件、原因和影響腐蝕速率的因素，其中需要注意的是，金屬的腐蝕有化學(xué)腐蝕和電化學(xué)腐蝕兩種，但是以電化學(xué)腐蝕為主，電化學(xué)腐蝕又包括吸氫腐蝕和吸氧腐蝕兩種。同時又了解了基本的幾種金屬防護(hù)的方法，學(xué)會用書本知識去解決實際生活問題。

3.3.5.教學(xué)反思

本節(jié)課我打破常規(guī)，大膽融入STEM理念，以項目實踐為載體，以任務(wù)模式讓學(xué)生先自學(xué)，并通過探究學(xué)習(xí)去掌握相關(guān)的概念和技能，并嘗試去解決真實世界中的問題，再傳承傳統(tǒng)教學(xué)，進(jìn)行動畫模擬和模擬試驗，解決了金屬腐蝕的相關(guān)問題，獨立思考與討論相結(jié)合，培養(yǎng)學(xué)生的思維能力和實驗探究合作意識、創(chuàng)新能力。然后利用電化學(xué)知識對金屬進(jìn)行防護(hù)是電化學(xué)知識的綜合應(yīng)用，讓學(xué)生自主學(xué)習(xí)金屬腐蝕措施的選擇和設(shè)計，促進(jìn)學(xué)生對電化學(xué)知識的深入理解，同時也會使學(xué)生在情感態(tài)度和價值觀方面體會化學(xué)的實用性，增加學(xué)習(xí)的興趣。本節(jié)的重要知識點有兩個：一是金屬的析氫腐蝕和吸氧腐蝕，二是犧牲陽極保護(hù)法和陰極電保護(hù)法，教學(xué)中既融入了STEM理念，又傳承了傳統(tǒng)知識的教學(xué)，做到了“任務(wù)為主線，教師為主導(dǎo)、學(xué)生為主體”的教學(xué)方式呈現(xiàn)，教師在某一種教學(xué)情境下提出問題，將STEM學(xué)科知識整合到某一化學(xué)核心任務(wù)中，學(xué)生以小組合作的方式運用STEM四方面的知識思考、討論與交流，從而解決化學(xué)問題，更好地培養(yǎng)學(xué)生的實踐能力和創(chuàng)新精神，并最終獲得相應(yīng)的科學(xué)知識。學(xué)生在解決問題的過程中，教師發(fā)揮指導(dǎo)、檢查、監(jiān)督、和評價作用，收到較好的教學(xué)效果。同時通過后延伸與拓展作業(yè)，將本小組設(shè)計的各種實驗方案整理并形成實驗小論文，形成研究性小論文并進(jìn)行答辯，形成研究性學(xué)習(xí)的校本課程。

4. 實施策略

4.1組建實驗探究學(xué)習(xí)小組

學(xué)校高一、二在周五的第八節(jié)可以開設(shè)化學(xué)實驗探究，通過組織課題組成員學(xué)習(xí)與STEM課程相關(guān)的理論知識以及優(yōu)秀案例，制定研究計劃及方案，確定課題組日常工作的相關(guān)事宜。

4.2 基于問題或者教材難點開展研究

對有關(guān)高中化學(xué)STEM課程相關(guān)文獻(xiàn)資料進(jìn)行梳理、分析與研究，并通過研究歷年高考實驗題和流程題，結(jié)合高中化學(xué)實驗的教學(xué)情況，學(xué)生高考得分情況，結(jié)合我校化學(xué)課程教學(xué)中培養(yǎng)學(xué)生核心素養(yǎng)的實際情況以及現(xiàn)有條件，確定適合高中化學(xué)實驗探究的STEM課程理念的應(yīng)用案例;其次，確定STEM課程理念在高中化學(xué)實驗探究課中的應(yīng)用實施方案，讓師生都成為化學(xué)實驗課堂的主動參與者，拓展化學(xué)實驗的教學(xué)，運用建構(gòu)理論、積極心理學(xué)等理論，促進(jìn)核心素養(yǎng)提升。

4.3 綜合多種研究方法，形成便于應(yīng)用的研究成果

本研究采用行動研究法、文獻(xiàn)分析法、案例分析法、問卷調(diào)查法，以行動研究法為主，通過一系列的研究去檢驗STEM課程理念在高中化學(xué)實驗探究課中的應(yīng)用研究效果，并形成可參考的STEM課程理念在高中化學(xué)實驗探究課中的應(yīng)用實施方案，并匯編成可供參考的研究報告。

參考文獻(xiàn)

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