基于STEM教育理念的初中化學(xué)教學(xué)實(shí)踐
——以“自制滅火器”為例

趙 揚(yáng)

一、研究背景

STEM教育在實(shí)踐過程中，學(xué)生能夠積極主動(dòng)地通過觀察與操作獲得真實(shí)的學(xué)習(xí)與動(dòng)手體驗(yàn)，深層次建構(gòu)多學(xué)科知識(shí)，切實(shí)參與到活動(dòng)中，運(yùn)用多學(xué)科綜合知識(shí)解決問題，生成產(chǎn)品，培養(yǎng)綜合能力[1]。

初中化學(xué)教學(xué)中實(shí)驗(yàn)內(nèi)容豐富。STEM課程以產(chǎn)品為導(dǎo)向，制作過程體現(xiàn)實(shí)驗(yàn)探究屬性。因此，實(shí)驗(yàn)化學(xué)教學(xué)內(nèi)容與STEM課程有了融合的可能性[2]。融合后的教學(xué)不僅關(guān)注學(xué)生科學(xué)探究能力的培養(yǎng)，還關(guān)注工程設(shè)計(jì)意識(shí)的建立。

二、教學(xué)分析

1.融合方法

融合STEM教育理念的方法如下：以課程標(biāo)準(zhǔn)和教材為依據(jù)，改進(jìn)已有實(shí)驗(yàn)，融合跨學(xué)科知識(shí)，實(shí)施“以產(chǎn)品為導(dǎo)向”的新實(shí)驗(yàn)。圖1為“自制滅火器”案例中將實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容轉(zhuǎn)化為STEM教學(xué)內(nèi)容的流程。案例為落實(shí)人教版《化學(xué)(九年級(jí)上)》第七單元課題1《燃燒與滅火》的內(nèi)容而設(shè)計(jì)。教材中涉及的實(shí)驗(yàn)藥品(白磷、紅磷)與學(xué)生生活距離較遠(yuǎn)，不易被學(xué)生理解。因此需要更換藥品，體現(xiàn)在生活中學(xué)習(xí)的理念。融合STEM教育的第一步是融入真實(shí)情境，通過制作產(chǎn)品解決實(shí)際問題，幫助學(xué)生實(shí)現(xiàn)對(duì)核心知識(shí)的理解。以滅火器為學(xué)科作品，依次討論火的產(chǎn)生條件、滅火原理、自制滅火器三部分內(nèi)容。在第一部分內(nèi)容中，加入興趣實(shí)驗(yàn)，加深學(xué)生對(duì)燃燒條件的認(rèn)識(shí)，落實(shí)“控制變量法”的思想。在第三部分教學(xué)內(nèi)容中，學(xué)生通過設(shè)計(jì)并制作泡沫滅火器、運(yùn)用滅火器滅火兩個(gè)活動(dòng)，落實(shí)科學(xué)探究能力。同時(shí)，體現(xiàn)了STEM教育的獨(dú)特之處：幫助學(xué)生建立工程設(shè)計(jì)意識(shí)。

圖1 轉(zhuǎn)化流程

“自制滅火器”案例基于真實(shí)問題(生活中產(chǎn)生微型火災(zāi)，如何滅火？)而設(shè)計(jì)，以化學(xué)學(xué)科知識(shí)為主，兼顧其他學(xué)科知識(shí)，見表1。

表1 跨學(xué)科知識(shí)地圖分析

2.目標(biāo)設(shè)計(jì)

目標(biāo)設(shè)計(jì)體現(xiàn)學(xué)生主體、素養(yǎng)導(dǎo)向。在必備知識(shí)維度，學(xué)生需掌握燃燒的要素、滅火的原理等核心知識(shí)，同時(shí)鞏固物理、數(shù)學(xué)等跨學(xué)科知識(shí)。在關(guān)鍵能力維度，學(xué)生需通過實(shí)驗(yàn)探究總結(jié)“控制變量法”的思想。在實(shí)驗(yàn)過程中提高科學(xué)探究能力、工程設(shè)計(jì)能力。在必備品格維度層面，學(xué)生需表現(xiàn)出對(duì)化學(xué)的熱愛，呈現(xiàn)實(shí)際問題解決的主人翁意識(shí)，體現(xiàn)“科學(xué)精神與社會(huì)責(zé)任”核心素養(yǎng)。

表2 “自制滅火器”評(píng)價(jià)量規(guī)

3.評(píng)價(jià)設(shè)計(jì)

對(duì)知識(shí)維度的目標(biāo)，采用課堂觀察、課后作業(yè)等方式，檢測(cè)目標(biāo)達(dá)成程度。對(duì)能力維度的目標(biāo)，設(shè)計(jì)評(píng)價(jià)量規(guī)(見表2)的方式，以評(píng)促學(xué)，落實(shí)學(xué)習(xí)目標(biāo)。對(duì)品格維度的目標(biāo)，在課后對(duì)學(xué)生發(fā)放調(diào)查問卷，測(cè)查學(xué)生對(duì)STEM教學(xué)課堂的喜愛程度。

量規(guī)呈現(xiàn)明確的操作任務(wù)和表現(xiàn)水平，為學(xué)生互評(píng)提供依據(jù)。學(xué)生互評(píng)的方法如下：相鄰兩組的產(chǎn)品觀察師(例如A、B組)對(duì)調(diào)，A組產(chǎn)品觀察師對(duì)B組其他成員評(píng)價(jià)，B組產(chǎn)品觀察師對(duì)A組其他成員評(píng)價(jià)。量規(guī)中的各角色的職責(zé)見表3，學(xué)生自主選擇角色并參與課堂學(xué)習(xí)。

表3 角色分工

三、教學(xué)過程

教學(xué)過程采用項(xiàng)目式學(xué)習(xí)的方式。以真實(shí)情境為基礎(chǔ)，培養(yǎng)學(xué)生系統(tǒng)思維，具有產(chǎn)品導(dǎo)向[3]。將項(xiàng)目分解成3個(gè)子任務(wù)。任務(wù)1：火從哪里來？任務(wù)2：如何滅火？任務(wù)3：自制滅火器。3個(gè)任務(wù)之間為遞進(jìn)關(guān)系，任務(wù)1為任務(wù)2的基礎(chǔ)，任務(wù)2為任務(wù)3的基礎(chǔ)。任務(wù)1、任務(wù)2以實(shí)驗(yàn)探究為主要方式，任務(wù)3以工程設(shè)計(jì)為教學(xué)關(guān)鍵活動(dòng)。實(shí)施時(shí)，在任務(wù)1前創(chuàng)設(shè)情景，增強(qiáng)學(xué)習(xí)的真實(shí)性。任務(wù)3后加入總結(jié)提升環(huán)節(jié)，落實(shí)核心知識(shí)，提高關(guān)鍵能力，發(fā)展核心素養(yǎng)。

任務(wù)1：理解燃燒條件(火從哪里來？)

圖片展示：燃燒的三要素。表格展示：不同物質(zhì)的著火點(diǎn)。

演示實(shí)驗(yàn)1：乒乓球和玻璃片的燃燒播放視頻；白磷在水下燃燒；演示實(shí)驗(yàn)2：燒不壞的試卷。

設(shè)計(jì)意圖：學(xué)生通過觀察教師演示實(shí)驗(yàn)、播放的實(shí)驗(yàn)視頻，逐步理解燃燒的三個(gè)條件。在分析實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象、得出實(shí)驗(yàn)結(jié)論的過程中，逐步理解控制變量的科學(xué)思想。

任務(wù)2：遷移滅火原理(如何滅火？)

提出問題：根據(jù)燃燒的條件，滅火的途徑有哪些？文字解析：“滅”與“火”之間的關(guān)系。遷移評(píng)價(jià)：水滅火、二氧化碳滅火的原理是什么？泡沫滅火器滅火的原理是什么？

設(shè)計(jì)意圖：從燃燒條件出發(fā)，引導(dǎo)學(xué)生思考滅火的原理，對(duì)“燃燒時(shí)三個(gè)要素缺一不可”的科學(xué)事實(shí)加深理解。在理解滅火原理之后，根據(jù)學(xué)生回答問題的情況，做出學(xué)習(xí)理解的評(píng)價(jià)。

任務(wù)3：設(shè)計(jì)并制作滅火器(自制滅火器)

給出表3的分工說明，學(xué)生梳理操作步驟。以量規(guī)為依據(jù)，學(xué)生完成計(jì)算任務(wù)。任務(wù)如下：用廚房中的小蘇打[學(xué)名：碳酸氫鈉(NaHCO3)]和酸性物質(zhì)(如鹽酸，主要成分為HCl)產(chǎn)生二氧化碳?xì)怏w和泡沫，從而滅火。反應(yīng)方程式為：

NaHCO3+HCl=NaCl+H2O+CO2↑

請(qǐng)計(jì)算：若產(chǎn)生2.2 g二氧化碳?xì)怏w，消耗碳酸氫鈉的質(zhì)量是多少？

根據(jù)學(xué)生計(jì)算結(jié)果，演示了一種泡沫滅火器(材料如下：塑料瓶、帶導(dǎo)管的單孔塞、帶線試管)。產(chǎn)品調(diào)試師根據(jù)演示過程結(jié)合實(shí)驗(yàn)材料設(shè)計(jì)微型滅火器，材料如圖2所示。以量規(guī)為依據(jù)，產(chǎn)品經(jīng)理進(jìn)行產(chǎn)品介紹，產(chǎn)品觀察師進(jìn)行評(píng)價(jià)。

圖2 微型滅火器的制作材料及藥品

設(shè)計(jì)意圖：采取角色扮演模式，明確小組分工。賦予角色功能，讓學(xué)習(xí)與社會(huì)、職業(yè)接軌。使學(xué)習(xí)更高效、有價(jià)值。將自制滅火器的步驟拆解，降低難度，為學(xué)生的創(chuàng)新思維培養(yǎng)搭建臺(tái)階?；顒?dòng)過程體現(xiàn)學(xué)生的自主性，給予學(xué)生充分表達(dá)的時(shí)間和機(jī)會(huì)，培養(yǎng)學(xué)生的工程設(shè)計(jì)能力和創(chuàng)新意識(shí)。

四、教學(xué)反思

課后為所有學(xué)生發(fā)放了調(diào)查問卷(見表4)，調(diào)查問卷數(shù)據(jù)圖見圖3，并隨機(jī)抽查5名學(xué)生進(jìn)行訪談。訪談內(nèi)容如下：通過本節(jié)課的學(xué)習(xí)，與傳統(tǒng)的化學(xué)實(shí)驗(yàn)相比，你覺得動(dòng)手制作一個(gè)產(chǎn)品來學(xué)習(xí)知識(shí)的過程給你帶來最大的影響是什么？(預(yù)期學(xué)生會(huì)認(rèn)為本課程實(shí)施能夠提高學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)、工程設(shè)計(jì)能力)

表4 調(diào)查問卷

1.任務(wù)拆解 實(shí)現(xiàn)學(xué)習(xí)目標(biāo)

項(xiàng)目式學(xué)習(xí)，拆解核心任務(wù)，為學(xué)生實(shí)現(xiàn)學(xué)習(xí)目標(biāo)搭建臺(tái)階。隨著課堂教學(xué)的進(jìn)行，學(xué)習(xí)目標(biāo)有效落實(shí)。在知識(shí)維度，結(jié)合課堂觀察和作業(yè)情況，90.90%的學(xué)生逐步理解燃燒要素和滅火原理。在能力維度，表4中的問題1表明，89.5%的學(xué)生意識(shí)到課堂學(xué)習(xí)過程的重要思想是“控制變量法”。訪談時(shí)，2名學(xué)生認(rèn)為“設(shè)計(jì)并制作作品的過程很重要，加深了對(duì)化學(xué)實(shí)驗(yàn)的理解，能提高科學(xué)探究能力和工程設(shè)計(jì)能力”。在品格維度，問題3、問題4的結(jié)果表明，絕大部分學(xué)生喜歡STEM課堂，是因?yàn)镾TEM教育能提高實(shí)驗(yàn)探究能力、小組合作能力、工程設(shè)計(jì)能力。甚至有的學(xué)生表示喜歡STEM課堂不需要理由。教學(xué)過程激發(fā)學(xué)生對(duì)科學(xué)探索的欲望，培養(yǎng)了“科學(xué)精神”核心素養(yǎng)，教學(xué)過程指向真實(shí)問題解決，滲透“社會(huì)責(zé)任”的核心素養(yǎng)。

圖3 調(diào)查問卷數(shù)據(jù)圖

2.以評(píng)促學(xué) 落實(shí)核心素養(yǎng)

如圖4所示，在對(duì)所有能力的投票中，實(shí)驗(yàn)探究能力、小組合作能力、表達(dá)能力的票數(shù)比例位于前3名，這說明融合STEM教育的化學(xué)教學(xué)重視了學(xué)生動(dòng)手完成實(shí)驗(yàn)的過程；強(qiáng)調(diào)了合作學(xué)習(xí)的重要性，給予學(xué)生了充分的時(shí)間來表達(dá)交流。多種能力的綜合培養(yǎng)正是STEM教育的特點(diǎn)。值得關(guān)注的是，有14.15%的學(xué)生認(rèn)為“工程設(shè)計(jì)能力”得到了提高。這說明實(shí)施STEM教學(xué)案例正在逐步培養(yǎng)學(xué)生的“工程意識(shí)”。

圖4 能力維度統(tǒng)計(jì)結(jié)果

量規(guī)的使用對(duì)學(xué)生能力的提高起到了關(guān)鍵作用，引導(dǎo)學(xué)生以“優(yōu)秀級(jí)”為目標(biāo)，完成學(xué)習(xí)過程，要求學(xué)生以“合格級(jí)”為最低標(biāo)準(zhǔn)，監(jiān)控學(xué)習(xí)質(zhì)量，有效地提高了科學(xué)探究能力(完成實(shí)驗(yàn)?zāi)芰Α⒈磉_(dá)能力)和工程設(shè)計(jì)能力，落實(shí)了核心素養(yǎng)。