基于STEM理念的化學項目式教學設計和實踐

摘要：項目學習是一種教與學的新模式，基于真實情境中問題的生成和解決，STEM理念的融合于教學能夠促進學生在真實世界中探究發(fā)現(xiàn)，通過課例研究分析項目式教學的設計和實踐，化學文化、化學史的融入其中能夠更好提升學生的科學素養(yǎng)。

關鍵詞：STEM；項目式教學；燃燒；問題解決

文章編號：1008-0546（2021）10-0060-03中圖分類號：G632.41文獻標識碼：B

doi：10.3969/j.issn.1008-0546.2021.10.014

*江蘇省中小學教學研究室基礎教育課程教學改革重大項目《化學文化觀照下的江蘇地方教材的開發(fā)研究》（編號：2015jssjys-20）成果之一）。

基于項目的學習（Project-based，PBL）又稱項目化學習，“PBL”可定義成一個使用各類探究性和挑戰(zhàn)性問題來刺激學生掌握和改善各類技能的擴展學習過程。學科項目化學習的提出，運用項目化學習的方式來達到強化學科學習和促進學生學會學習，培養(yǎng)學生創(chuàng)造性、批判性為目的。STEM教育是以Science（科學）、Technology（技術）、Enginering（工程）和Mathe？ matics（數(shù)學）為主的創(chuàng)新教育課程，它不是四類學科的簡單組合，而是通過跨學科方式綜合多學科的相關知識。

基于項目的學習是以學科的概念和原理為中心，STEM教育理念與學科教學融合，凸顯在真實世界中借助多種資源開展探究活動，并在一定時間內(nèi)解決系列相互關聯(lián)著的問題的一種新型的探究性學習模式，不僅培養(yǎng)學生創(chuàng)新實踐能力，還發(fā)展學生的批判性思維、創(chuàng)造力，協(xié)作能力及強有力的口頭和書面交流技能[1]。本文以上教版“常見的化學反應——燃燒”為例來剖析項目式化學教學的應用。

一、項目式教學課例分析和設計

1.課例的選擇

“常見的化學反應——燃燒”蘊含著科學史、探究實驗、等方面的教學內(nèi)容，涉及化學、物理學科內(nèi)容，是便于開展項目式教學，深化STEM教育理念的選題。通過項目化學習來聚焦概念性知識，學生正確理解燃燒，意味著他不僅知道定義還能理解燃燒的特點，運用概念來分析新的情境。概念性知識超越了事實層面，指向思維，促進各種事實性知識的整合。

通過本課例擬實現(xiàn)的目標：

（1）搜集有關燃燒理論的化學史料，培養(yǎng)學生分析、整合信息的能力；

（2）學會探究實驗的設計，掌握探究的方法，發(fā)展科學思維、方法論；

（3）認識到隨著技術進步，科學理論是不斷發(fā)展的，培養(yǎng)批判性思維。

2.本課例項目學習的主線：

①前置任務資料收集②關于“燃燒”的提問③探究實驗活動④燃燒的拓展認識⑤反思與評價

3.項目前置任務的設計

項目的前置任務通過文獻法收集資料：火藥的發(fā)現(xiàn)、燃素說的興衰、燃燒理論發(fā)展等。

（1）化學文化的滲透：火藥的是中國的煉丹士發(fā)明的，然后用于軍事再傳向西方，在《美國大百科全書》寫道：中國文明與其他的文明世界擴大了交流，歐洲從中國獲得了黑火藥、印刷術和指南針，如果沒有這些就沒有歐洲人后來在海上的擴張。這證明了火藥源起中國，但是近代中國科技發(fā)展的滯后，激發(fā)學生學科學、愛科學、用科學的熱情。

（2）回顧化學史培養(yǎng)批判思維

1703年德國施塔爾燃素說1771瑞典舍勒實驗制得“火氣”（氧氣）1774年英國普利斯特里制得“脫燃素空氣”（氧氣）1777年拉瓦錫提出燃燒的氧化說，近代燃燒理論發(fā)展涉及到數(shù)學、物理、化學、熱力學、傳熱學、流體力學等學科。

燃燒是一種急速、劇烈的發(fā)光發(fā)熱的化學反應過程。學生對燃燒的認識源于生活中的觀察其中有著認知誤區(qū)，閱讀化學史了解科學家認知燃燒的曲折過程，科學理論是進化發(fā)展的，懷疑和批判精神對于科學發(fā)展恰恰是不可或缺的，有利于學生樹立正確的科學觀、世界觀和方法論。

二、項目式教學實踐過程和反思

1.創(chuàng)設情境，激發(fā)學生問題

提問者不僅是教師，更多應是學生。如何教會學生提問，讓提問成為學生進行思考和交流的方式，將會促進學生高階思維能力的發(fā)展。創(chuàng)設學習情境，讓學生來提出真正的問題。思維固化是影響學生思維發(fā)展的主要原因，學生習慣于“被問”，通過一組提問的起始詞來幫助學生觀察事物、產(chǎn)生聯(lián)想，催生出更多問題（表1）[2]。

2.問題驅(qū)動下的探究活動

項目學習的主線是指向核心知識的，問題解決驅(qū)動著學習進展，由學生主動發(fā)現(xiàn)問題、篩選、歸納問題，教師要在教學中引導學生關注本質(zhì)問題，它是指向?qū)W科核心，體現(xiàn)化學概念、規(guī)律和原理的問題[3]。

（1）探究實驗：燃燒的條件

學習內(nèi)容一般以學科邏輯為順序，現(xiàn)在遵循學生的認知發(fā)現(xiàn)來探究問題，更好激發(fā)學生的學習。學習任務設計圍繞著本節(jié)的核心問題，學生在真實的情境中去解決復雜的、具有挑戰(zhàn)性的問題，他們需要探討解決方案，考慮實驗是否具有操作性。

探究實驗：白磷和紅磷的對照組實驗（圖1）。

學生們討論交流各組方案，從操作和比較評估方案，

方案1操作簡單，但是污染空氣；方案2從安全性角度考慮，白磷燃燒放熱試管塞會沖出；。在分享交流中激發(fā)出更多創(chuàng)新方案，比如方案2可在試管上方套一個氣球，防止空氣污染；方案3中白磷放置在水中，試管倒扣在白磷上方，生成五氧化二磷白煙被水吸收，方案4同理。

實驗過程中學生們發(fā)現(xiàn)方案3實驗成功率不高，白磷在熱水中熔化容易散開，方案4用氣唧鼓氣，漏斗開口大效果較好。

反思：本實驗不僅探究燃燒的兩個條件，而且也回答了學生提問：燃燒都需要點燃嗎？顯然只有溫度達到可燃物的著火點即可。在親歷實驗中感知問題、修正方案，培養(yǎng)歸納和反思能力。

（2）探究實驗：長短蠟燭熄滅問題

探究實驗：點燃的長短蠟燭分別放置在燒杯中和鐘罩中（體積大于燒杯），如圖2、圖3。

學生提出猜想：

①短蠟燭先熄，生成二氧化碳密度大于空氣，聚集在底部；

②長蠟燭先熄，氧氣耗盡。

實驗結(jié)果：圖2長蠟燭先熄滅，圖3短蠟燭熄滅

解釋：由于燒杯杯內(nèi)上部空氣受熱膨脹，氣體密度變小，氧氣量不足。體積大的鐘罩則主要是生成二氧化碳集聚在底部。

反思：本實驗涉及到物理、化學知識的應用，條件改變實驗結(jié)果發(fā)生變化，引導學生思考在化學領域里量變引起質(zhì)變的例子，比如碳在氧氣充分條件下生成二氧化碳，不足的條件下生成一氧化碳等等，培養(yǎng)學生辯證思維能力。

3.跨越200年的“蠟燭之問”

科學進步改變著人類認識世界的角度和方式，從燃素論的誕生到推翻都說明技術進步推動著科學的發(fā)展。1860年科學家法拉第開設了著名講座“蠟燭的故事”，他以蠟燭燃燒為題提出系列問題，其中有：火焰的不同部位溫度相同嗎？蠟燭火焰形狀是什么樣的？為什么呈這個形狀？

學生的蠟燭之問：為什么要用外焰加熱？為什么酒精燈燃燒時，燈芯不會被燒掉？蠟燭火焰為什么是水滴狀？離開地球燃燒會是什么樣？

實驗：用數(shù)字探頭測定酒精燈的三層火焰溫度實驗結(jié)果如圖4。

解釋：查閱資料得到棉布的燃點：495℃，如圖所示酒精燈焰心溫度是低于500℃，因為燈芯處于焰心部分沒有達到燃點。

視頻資料：微重力條件下的燃燒（圖5，源自美國NASA官網(wǎng)發(fā)布）

解釋：法拉第對于火焰的形狀解釋是對流將火焰拉成長橢圓形，火焰的顏色與火焰的溫度以及火焰中的固體顆粒有關。視頻解說是這樣的，地球上淚滴形狀相似的火焰是由重力引起的。熱空氣升起并吸引新鮮、涼爽的空氣，這被稱為浮力。在微重力下，火焰燃燒的方式不同，它們組成小球體。當它們需要更多的燃料時，火焰球會大大膨脹，讓氧氣來到它們身邊。

學生們驚奇地發(fā)現(xiàn)自己的許多提問與兩百多年前的法拉第“不謀而合”，1860年的科技水平是相當?shù)偷?，對很多現(xiàn)象僅僅是停留在宏觀描述的層面，但是法拉第已經(jīng)能夠?qū)ο灎T燃燒做出這么多的闡述，還是證明了這位科學家非凡的洞察力。隨著技術的日新月異，我們對燃燒的認識逐漸深入，燃燒是一種復雜的物理化學現(xiàn)象：流動，傳熱，傳質(zhì)和反應的相互作用。燃燒學的進一步發(fā)展將與湍流理論、多相流體力學、輻射傳熱學和復雜反應的化學動力學等學科的發(fā)展相互滲透、相互促進。

項目學習的評價具有以始為終逆向設計的特點，項目評價是持續(xù)、過程性的。從提問開始，學生的提問單都屬于過程性評價。以小組為單位，每個項目組的計劃、資源包、調(diào)查記錄及作品都上傳至網(wǎng)絡平臺，學生能夠留言評論，各小組在互動互評中汲取經(jīng)驗不斷進步。

STEM教育提倡跨學科融合，化學項目式教學也需要不拘泥于學科本身，應當面對真實問題。學生不僅在探究實驗中去發(fā)現(xiàn)問題、解決問題，而且回眸化學史，重溫科學家探索過程同樣能夠得到啟發(fā)，科學的發(fā)展之路是曲折的、螺旋上升的。項目學習并非是偏向于拓展，同樣需要聚焦學科核心知識、本質(zhì)問題。項目學習強調(diào)生成與體驗，基于真實問題的提出、解決，學生將生活的體驗和所具備的知識進行加工和重組，在學習中不斷生成知識，豐富的體驗是促進學生積極主動學習的動力。

參考文獻

[1]夏雪梅.項目化學習設計[M].北京：教育科學出版社2019

[2]卡洛·凱什蘭，桑迪·茲萬.會問才會學習[M].戴華鵬，王婷婷，王唯真，譯.重慶：西南師范大學出版社，2017

[3]邱激揚.項目學習模式下初中化學校本課程的設計和應用[J].化學教與學，2017（2）：27-28