融入STEM 理念的初中化學(xué)復(fù)習(xí)課教學(xué)實踐研究
——以“再探帶火星木條復(fù)燃與氧氣體積分數(shù)的關(guān)系”復(fù)習(xí)課為例

陳曉雪

（南平劍津中學(xué)，福建 南平 353000）

一、研究背景

《義務(wù)教育化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2011 年版）》把科學(xué)探究設(shè)定為一級主題，在各個主題中創(chuàng)設(shè)了豐富的生產(chǎn)生活情境，提出了探究性活動的有效建議，指明了各主題科學(xué)探究的學(xué)習(xí)要求?？茖W(xué)探究是學(xué)生積極主動獲取化學(xué)知識、認識和解決化學(xué)問題的重要實踐性活動，是一種重要而有效的學(xué)習(xí)方式。［1］

STEM 教育強調(diào)的是跨學(xué)科內(nèi)容的有機融合，注重引導(dǎo)學(xué)生思維構(gòu)建，而非簡單模仿記憶，重在學(xué)生意識創(chuàng)新、質(zhì)疑精神的培養(yǎng)，發(fā)展學(xué)生科學(xué)探究及信息技術(shù)等未來社會必備的能力和素養(yǎng)。［2］文章以“再探帶火星木條復(fù)燃與氧氣體積分數(shù)的關(guān)系”實驗復(fù)習(xí)課為載體，融合STEM 理念，通過任務(wù)驅(qū)動完成相關(guān)內(nèi)容的復(fù)習(xí)，建構(gòu)網(wǎng)絡(luò)化知識的同時發(fā)展學(xué)生解決綜合問題的能力，增進學(xué)生對化學(xué)實驗的整體理解。［3］

二、教學(xué)思路

該課例是一節(jié)初三實驗復(fù)習(xí)課，以“探究使帶火星木條復(fù)燃氧氣體積分數(shù)最低值所在的范圍”為問題導(dǎo)向，利用數(shù)學(xué)、科學(xué)、技術(shù)和工程等相關(guān)聯(lián)的領(lǐng)域內(nèi)容進行探究（如圖1），激勵和培育學(xué)生的質(zhì)疑精神，培養(yǎng)學(xué)生的實踐合作、創(chuàng)新能力以及證據(jù)推理的綜合素養(yǎng)。融合STEM 教育理念，通過完成科學(xué)探究，搭建起定量收集不同體積分數(shù)的氧氣、實驗方案評析以及實驗誤差分析的探究體系，旨在增進對學(xué)科的整體理解，實現(xiàn)科學(xué)理論與科學(xué)探究的深度融合。

三、教學(xué)目標(biāo)

根據(jù)知識內(nèi)容的選取以及STEM 教育理念的理解，具體目標(biāo)為：

圖1 基于STEM 理念的探究式實驗復(fù)習(xí)課

一是通過開展使帶火星木條復(fù)燃的氧氣體積分數(shù)最低值所在范圍的實驗探究，初步學(xué)會開展分組和對比實驗的方法，了解科學(xué)探究的一般過程，增進對科學(xué)探究的理解和體驗。

二是從定性和定量兩個視角，探究收集不同體積分數(shù)氧氣的方法及氧氣體積分數(shù)對帶火星木條復(fù)燃的影響；結(jié)合數(shù)字化實驗數(shù)據(jù)的分析對比，培養(yǎng)證據(jù)推理和跨學(xué)科知識綜合運用的能力，診斷并訓(xùn)練定量分析的思維能力和邏輯推理能力。

三是通過對實驗誤差的反思，實驗裝置的優(yōu)化，體會科學(xué)質(zhì)疑精神和求證的態(tài)度，學(xué)會用發(fā)展性的眼光認識物質(zhì)的性質(zhì)，建構(gòu)科學(xué)探究的認知模型。

四、教學(xué)流程

教學(xué)流程如圖2 所示。

五、教學(xué)實錄

（一）創(chuàng)設(shè)情境，提出探究問題

［視頻播放］“神奇的泡泡”：用帶火星木條觸碰肥皂泡，發(fā)現(xiàn)木條復(fù)燃。

［課堂活動］展示便攜式氧氣瓶，閱讀標(biāo)簽：氧氣≥99.6%，并演示氧氣罐的使用方法，用排水法收集125mL 氧氣。帶火星木條放在瓶口，觀察到帶火星木條復(fù)燃。振蕩集氣瓶，再次將帶火星的木條放在瓶口，發(fā)現(xiàn)木條仍會復(fù)燃。

圖2 教學(xué)流程圖

［提出問題］將帶火星木條放在瓶口，檢驗氧氣是否收集滿，該方法是否可行？氧氣的體積分數(shù)為多少時，能使帶火星木條復(fù)燃？

［設(shè)計意圖］鼓勵學(xué)生對實驗中的異常現(xiàn)象進行實證探索和理性思考。

（二）環(huán)節(jié)一：在已有實驗基礎(chǔ)上，定量分析研討實驗方法，展開實驗并得到初步結(jié)論

［問題1］我們該如何在有效的氧氣體積分數(shù)范圍內(nèi)設(shè)置分組呢？

［設(shè)計意圖］組織學(xué)生研討實驗的分組方案，調(diào)動學(xué)生學(xué)習(xí)積極性的同時引導(dǎo)學(xué)生獨立分析問題，形成團隊合作意識。

［問題2］收集不同體積分數(shù)的氧氣用哪種方法更合適呢？

［問題3］展示多功能瓶。若瓶中裝50%的水，水排盡后，瓶內(nèi)氧氣的體積分數(shù)是多少呢？

［學(xué)生討論］

學(xué)生1：多功能瓶中50%的水排盡后，瓶中氧氣的體積分數(shù)應(yīng)該是50%。

學(xué)生2 補充：不對，不能忽略剩余50%空氣中氧氣的體積。所以瓶中氧氣的體積分數(shù)應(yīng)考慮兩部分，即50%+50%×21%=60.5%。

［設(shè)計意圖］引導(dǎo)學(xué)生利用STEM 教育中的數(shù)學(xué)建模的手段，找到定量收集不同體積分數(shù)氧氣的思路。

［小組任務(wù)發(fā)布］各小組收集的氧氣體積分數(shù)如表1 所示。

表1 各小組收集的氧氣體積分數(shù)

［課堂活動］展示實驗裝置并用熱脹冷縮法檢查裝置氣密性。

［學(xué)生實驗1］組裝裝置并檢查氣密性；關(guān)閉分液漏斗的活塞，往多功能瓶中裝水至浸沒長管下端，雙手緊握試管的外壁，觀察到多功能瓶中長管液面上升，松開手后，液面回落，說明裝置氣密性良好。

［設(shè)計意圖］利用物理學(xué)科與壓強相關(guān)的知識，運用裝置氣密性檢查的思維模型，完成組合裝置氣密性檢查，體現(xiàn)學(xué)科的關(guān)聯(lián)性，滲透STEM 跨學(xué)科融合的教育理念。

［學(xué)生實驗2］定量收集不同體積分數(shù)的氧氣

［問題4］為了能更準(zhǔn)確地找出使帶火星木條復(fù)燃的最低體積分數(shù)值所在范圍，我們在實驗過程中需要控制哪些條件呢？

［學(xué)生討論］木條的規(guī)格、木條的材質(zhì)以及伸入集氣瓶中的位置等。

［設(shè)計意圖］引導(dǎo)學(xué)生利用“控制變量”的思想分析問題，思考如何在實踐中提高對比的有效性。

［學(xué)生實驗3］將帶火星木條伸入已收集好氧氣的集氣瓶中，記錄實驗現(xiàn)象，分析使帶火星木條復(fù)燃的最低體積分數(shù)值所在的范圍。

［實驗記錄］如表2 所示。

表2 實驗記錄

［得出結(jié)論］使帶火星木條復(fù)燃的最低體積分數(shù)值應(yīng)該在39.96%～49.44%之間。

［設(shè)計意圖］該環(huán)節(jié)注重讓學(xué)生體驗解決問題的過程。以問題鏈為載體，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)動機，通過任務(wù)驅(qū)動，強化學(xué)生的互動參與。

（三）環(huán)節(jié)二：呈現(xiàn)數(shù)字化實驗結(jié)果以及論文資料，分析實驗誤差，優(yōu)化實驗裝置

［展示資料］

資料1：論文《使帶火星木條復(fù)燃的氧氣濃度極限的實驗研究》（宋時雨）中研究顯示：當(dāng)氧氣濃度達到50%左右時，帶火星的木條可再次燃燒。［4］該定量實驗結(jié)果較為粗略。

資料2：論文《測定帶火星木條復(fù)燃的氧氣濃度的實驗改進》（姜小爭）利用手持技術(shù)進行測定，研究顯示：當(dāng)氧氣濃度達到46.5%左右時，帶火星的木條可再次燃燒。［5］該實驗數(shù)據(jù)更精確。

［教師活動］模擬資料2 的實驗裝置（如圖3），利用手持技術(shù)精確測定帶火星木條復(fù)燃的體積分數(shù)。

［學(xué)生活動］分析氧氣濃度和溫度曲線圖，查找最低值，發(fā)現(xiàn)與資料2 的值基本一致。

圖3 數(shù)字化測定實驗裝置

［問題］比較文獻、數(shù)字化實驗以及課堂的實驗數(shù)據(jù)，分析實驗誤差的可能原因。

［學(xué)生討論］

學(xué)生1：實驗中發(fā)現(xiàn)，過氧化氫反應(yīng)比較劇烈，試管壁發(fā)燙，收集的氧氣中混有較多的水蒸氣。

學(xué)生2：論文中是用氯酸鉀制氧氣，可以減少水蒸氣對氧氣濃度的影響。

學(xué)生3：可以降低過氧化氫的濃度，減緩反應(yīng)速率，避免因溫度過高產(chǎn)生過多水蒸氣。

學(xué)生4：可以在發(fā)生和收集裝置間添加一個裝有濃硫酸的多功能瓶，除去氧氣中的水蒸氣。

［發(fā)展性學(xué)習(xí)］掃描學(xué)案上的二維碼可查看《如何正確使用便攜式氧氣罐》。

［設(shè)計意圖］環(huán)節(jié)三運用資料查詢、化學(xué)實驗、圖像分析等方法進一步實施探究，在半定量探究的基礎(chǔ)上，將傳統(tǒng)實驗與數(shù)字化實驗進行優(yōu)化整合，讓學(xué)生感受數(shù)字化實驗的直觀準(zhǔn)確和多樣性，為高中階段進一步了解和使用數(shù)字化實驗設(shè)備做好認知儲備。引導(dǎo)學(xué)生從濃度控制、氣體凈化和裝置改進等技術(shù)性層面嘗試實驗優(yōu)化，真正實現(xiàn)了STEM 教育理念的融合，使化學(xué)學(xué)習(xí)從課堂走向生活、從知識走向?qū)嵺`，旨在幫助學(xué)生掌握科學(xué)的學(xué)習(xí)方法，讓化學(xué)更好地服務(wù)于生活。

六、教學(xué)效果及反思

該課例引領(lǐng)學(xué)生沉浸式體驗了科學(xué)探究的一般過程，幫助學(xué)生構(gòu)建問題解決的基本思維模型。課堂觀察中發(fā)現(xiàn)，學(xué)生對基于真實問題的化學(xué)復(fù)習(xí)課的學(xué)習(xí)積極性和參與度都比較高。實驗探究過程中設(shè)置的問題情境很好地啟發(fā)了學(xué)生的思維，有效培育了學(xué)生的證據(jù)推理能力，促進了思維的進階。有同學(xué)表示：“平時對多功能瓶的使用總分不清該如何連接長短管，該實驗探究能很好地幫助理解相關(guān)知識?！薄捌綍r在氣體制取裝置的設(shè)計中只關(guān)注了發(fā)生裝置和收集裝置，現(xiàn)在會綜合考慮使用氣體凈化裝置。”“實驗研究除需關(guān)注定量方面的變化，讓結(jié)果更嚴謹?！钡鹊?。筆者通過對平行班的學(xué)習(xí)情況進行綜合測評，評價結(jié)果顯示：實施該探究性實驗復(fù)習(xí)模式的班級在實驗技能以及知識的遷移和應(yīng)用能力方面均優(yōu)于采取傳統(tǒng)實驗復(fù)習(xí)模式的班級。

該課例研究融合STEM 教育理念，通過創(chuàng)設(shè)與學(xué)生原有認知相沖突的問題情境，激勵和培育學(xué)生的質(zhì)疑精神，引領(lǐng)學(xué)生在真實情境下，通過對所學(xué)知識的深度加工，較大程度地調(diào)動學(xué)生的主觀能動性。同時獲得更完整的知識體系和思維模式，并能運用到實踐中去，最終全方面落實和發(fā)展化學(xué)學(xué)科素養(yǎng)，為學(xué)生今后的科學(xué)、工程之路奠定基礎(chǔ)，更有利于學(xué)生未來的發(fā)展。