基于美國K—12階段STEM理念的教學設計

肖敏++吳曉紅

摘要：在美國興起的STEM課程明確要求在科學教育中整合技術、工程和數學教育，如今STEM教育已成為國際上頗具影響力的教育思想之一。以魯科版《化學與技術》教材中“‘設計一座硫酸廠”為例，從原料的選擇、廠址的選擇、資源的綜合利用、反應條件的分析等幾個方面，探討了如何在中學化學教學中融合STEM教育思想并進行了相應的教學設計，促使學生打破學科界限，學會綜合運用多種學科知識，提升其探究和解決實際問題的能力。

關鍵詞：STEM教育；中學化學教學；學科融合；教學設計

文章編號：1005-6629（2016）2-0044-05

中圖分類號：G633.8

文獻標識碼：B

1 中學化學教學中融合STEM理念的思考

STEM代表科學（Science），技術（Technology），工程（Engineering），數學（Mathematics）。STEM教育就是科學、技術、工程、數學的教育。在國家實力的比較中，獲得STEM學位的人數成為一個重要的指標。它的本質是在眾多孤立的學科中建立_個新的橋梁來為學生提供整體認識世界的機會，通過使這四種學科整合到一種教學范例中，把學生學習的零碎知識變成一個互相聯系統一整體的過程，這樣就消除了這四門學科中傳統的學習障礙，是一種跨學科的的學習方法。

1986年美國首次在《尼爾日報》提出大學要加強STEM教育，歷經多年已日趨成熟。從2007年美國政府開始重視并探索基礎階段的STEM教育。在STEM教育提出之初，人們就意識到STEM教育不僅對國家未來的創新能力和競爭力有決定性的影響，而且是社會進步的必要基礎，公民的科學素養直接關系著21世紀的社會文化、價值取向和民主政治的實現。

《普通高中課程改革方案》的頒布，預示著我國普通高中教育課程體系的價值轉型。隨著國內外新的教育理念的不斷興起，我國課改的繼續深化，教育工作者逐漸意識到在教學過程中將科學概念和探究技能融合在一個有意義的任務中，打破各學科界限，綜合運用多學科知識，提升學生探究和解決實際問題能力的重要性。化學學科作為一門科學課程，不只是單純地傳授給學生一些化學理論知識，培養未來的科學家工程師，而應該是讓大多數將來很可能不從事化學研究的普通學生通過化學課程的學習，對化學產生興趣，提高科學素養，并對他們今后的生存發展有所幫助。

隨著新課程改革的不斷推進，課程標準的修改以及選修模塊的開發，更加關注社會現實生活，結合學生熟悉的生活情景和已有的實際經驗提煉學習素材，從豐富生動的現實生活中尋找學習主題，強調加強學科之間的融合，要求學生了解化學與生活和社會發展的重要關系。STEM教育理念的興起為我國教育工作者提供了一條嶄新的思路。

2 教學流程

魯科版普通高中課程標準實驗教科書化學選修《化學與技術》主題三中的課題1“‘設計一座硫酸廠”，該課題以“設計”硫酸廠的任務為主線，以制備硫酸的化學發展史料引出課題，引導學生從熟悉的實驗室出發，走進工廠的生產實際中。“設計”任務從類比實驗室制硫酸的儀器與藥品出發，觀看工業生產硫酸的資料與視頻，引導學生根據硫酸廠的特點和硫酸的生產實際情況，突出硫酸廠設計中的三個重要問題：一是生產原料的選擇，并確定生產方法和工藝流程，這是化工廠設計中的核心問題；二是選擇廠址；三是綜合利用資源。通過這三個各具特點又相互關聯的問題，利用化學變化對原料進行加工的必要性、可能性和合理性，認識基本化工生產中的一些問題，力求反映出硫酸生產中重要的化學知識和技術問題以及從社會效益、經濟效益和創新空間等多種角度認識化學、技術與社會三個方面相互作用的特點。具體教學活動如圖1所示。

2.1 利用電子白板技術，調動學生學習積極『生

[引入]播放有關硫酸制備發展的化學歷史視頻。

[提問]看了這段視頻，再結合我們在必修1中學過的有關硫的轉化的知識，回想-下我們實驗室制備二氧化硫選擇的是哪些藥品？那實驗室制硫酸涉及的主要反應有哪些，并寫出相關的化學反應方程式。小組之間可以進行交流，看哪組想得又快又全面。

[學生]藥品有亞硫酸鈉和濃硫酸，可以制得二氧化硫。

[教師]寫得非常好，看來大家對硫的轉化這一部分知識掌握得很好。請大家以小組為單位，討論一下實驗室制備硫酸的實驗裝置，并在練習本上試著畫一下草圖，我們請一個小組上來利用電子白板裝配一下實驗裝置。

設計意圖：利用計算機播放硫酸制備發展的化學歷史，激發學生學習興趣，引出實際工程問題，明確學習任務。學生不僅要認真觀看視頻，還要對必修1中涉及到的“硫的轉化”的相關知識非常熟悉，培養了學生從大量相關信息中搜集并提煉出對自己有用信息的能力和知識遷移的能力。引領學生關注課本并搜集課本中基本信息和拓展信息，讓學生知曉閱讀和查看文獻或文本以及視頻資料是獲取信息的主要途徑之一，對培養學生如何獲取信息、進一步提升信息素養有著重要的開啟性作用。

[教師]我們每一個小組都派了代表展示了你們自己的作品，而且大家對每幅作品都做了分析與評價，明白了自己小組設計的實驗裝置圖的優缺點，非常好，希望大家在以后的學習過程中都能養成這種多交流多討論的好習慣。

設計意圖：利用電子白板調動學生的學習熱情，給學生上臺展示自己的機會，培養了學生運用現代科學信息技術動手操作的能力和自信心，強化了同學之間的合作意識。

2.2 分析表格數據，運用數學思維確定反應條件

[投影]我國主要硫資源及應用的資料，播放實驗室制硫酸的視頻。

[教師]看了剛才投影的資料以及視頻，并結合課本第42頁圖3-1-2，第44頁表3-1-1和表3-1-2，完成下面的填空作業。

設計意圖：學生要分析SO₂的催化氧化化學反應的適宜條件，需要利用數學思維綜合分析熱化學方程式、平衡轉化率圖表以及教師播放的視頻、展示的資料等，進行交流討論，完成該學案。這一過程學生不但復習鞏固了化學平衡的理論知識，而且體會到工業生產中是以理論為基礎再結合實際來選擇反應的適宜條件的，實際生產過程中需要控制溫度，結合反應放熱的實際情況，將熱能進行合理交換。學生在完成SO₃的吸收時，回憶視頻中吸收瓶內會形成大量酸霧的實驗現象，可見用水吸收SO₃雖然在理論上成立，但效果并不理想，學生會再次體會到實驗原理與實際生產過程之間的差距，明確理論聯系實際的必要性，但也不能生搬硬套，需要尋求可行的解決方法。培養了學生的數學思維能力、分析能力和知識遷移能力。endprint

[提問]選擇原料路線時，應考慮哪些因素？請以小組為單位進行討論。

[學生]要考慮原料資源的分布情況，以及利用原料的合理性，開采原料周圍的環境，因為原料的選擇會影響到生產硫酸的設備、技術方案、廠址的選擇、環境保護以及后續的儲存、運輸、經濟效益等問題。

[教師]這位同學回答得非常好，看來很認真地看了剛才投影的資料。

[投影]若從下列四個城市中選擇一處新建一座硫酸廠，你認為廠址適合選在哪里？

A.有較豐富的硫鐵礦資源，交通運輸便利，但文物古跡較多，土地價格較高

B.硫鐵礦資源貧乏，水源、能源充足，交通運輸便利

C.有大型煉銅廠，但周圍興建了較多的商業中心，人口較稠密

D.黃銅礦資源豐富，水源能源充足，交通運輸便利，遠離居民區的工業園區

[學生]選D。

設計意圖：學生綜合我國主要硫資源及應用的資料以及與同伴交流的結果，分析在選擇原料路線時涉及的眾多因素，并對選擇題做出正確的判斷，有助于學生正確認識技術與社會的關系，理解化學知識在改進技術，促進社會發展方面的重要作用。同時，將對科學技術的理解與整個人類、環境和文化系統的復雜性結合起來，并以此為根據對未來做出決策，有利于理念的滲透，有效促進學生科學素養的提高。

2.3 角色扮演，體驗別樣的化學課堂

[教師]很好，結合這道題的選項，和你對硫酸的物理性質、化學性質的了解，我們一起玩一個角色扮演的游戲，開一個擬建硫酸廠交流研討會。大家看—下PPT的角色分配，班長以及各班委迅速給大家分配一下角色。

[投影]新建項目負責人.名（主持人）；環保局局長一名；硫酸廠設計工程師一名，ABCD四地主管部門代表一名；地質工程師一名；原料科科長一名及科員若干名；規劃科科長一名及科員若干名；技術科科長一名及科員若干名；市場調查科科長一名及科員若干名；ABCD四地當地的居民代表若干名。

設計意圖：要選擇合理的廠址，學生不僅需要對制得的硫酸的物理性質、化學性質有充分了解，而且還要根據所學的地理知識、涉及到的環境問題以及經濟效益等因素，綜合分析廠址選擇的合理性。學以致用，將課堂知識與實際生產相聯系，培養了學生解決工程實際問題的能力。角色扮演能夠激發學生的學習熱情，培養學生語言表達能力，增強了學生的自信心。

[提問]聯系我們平時在實驗室做實驗的情況，尤其是在制取一些對環境有污染的有毒物質時，我們實驗裝置的最后一項，也是必不可少的一項是什么？

[學生]尾氣的回收與處理。

[教師]很好，看來大家在平時做實驗的過程中都非常認真，仔細觀察并分析了我們的實驗裝置。那根據上課時我們設計的制取二氧化硫的實驗裝置圖，完成填空作業的第三部分。

設計意圖：對于“三廢”的處理，學生并不陌生，教師應引導學生運用已有知識分析尾氣脫硫的主要方法，以及廢水的處理、廢渣的回收利用，學生不僅回顧了所學的知識，并且體會到化學方程式在我們的實際生產生活中有著極其重要的作用。同時培養了學生“變廢為寶”的思想，學生體會化學并不是“潘多拉”的盒子，只要我們合理設計生產過程，其所產生的物質對于我們來說都是有用的。在這一過程中，學生認識到化工生產并不是單純的化學問題，需要綜合各個學科的知識，在進行實際生產過程中不僅要考慮經濟效益，更要關注環境的保護，資源的合理利用，滲透了“綠色化學”的思想，符合新課標的要求。

2.4 總結歸納，培養理論聯系實際的好習慣

[教師]硫酸在工農業方面都有著重要的作用，可用于制造肥料、藥物、炸藥、顏料、洗滌劑、蓄電池、改良土壤等，也廣泛應用于冶金及石油工業、鞏固國防、原子能工業及火箭技術等方面。同時也是日常家居的好幫手。世界各地大多數酸性化學通渠用品均含有濃硫酸。這一類的通渠用品就和堿性的通渠用品一樣，可以溶解淤塞在渠道里的油污及食物殘渣等。不過，由于濃硫酸會與水發生高放熱反應，故建議在使用前盡量保持渠道干爽，并慢慢倒入有關化學用品，另需佩戴手套。

通過這節課的學習，我們知道了工業生產來源于實驗室，但又高于實驗室。在實際的工程問題中，因為是大批量生產，我們需要考慮的更多。所以需要同學們很好地掌握相關的技術、工程、數學等各個方面的問題，學會知識的遷移及靈活運用。

3 結語

該課題“設計”任務以科學為線索，以一個實際的工程問題引出課題，涉及“硫的轉化”以及相關熱力學、動力學等化學學科知識，同時在進行原料、廠址的選擇時，也包含了地理科學、經濟學等相關學科的知識。在類比實驗室制取硫酸的方法時，有效地將所學的理論知識遷移到工程技術問題中，并且需要根據教材所提供的二氧化硫平衡轉化率圖表數據以及教師播放的視頻、展示的資料等，思考分析反應的最佳條件。這一過程需要學生運用數學思維，綜合分析數據資料，才能確定工業制硫酸中化學反應的最佳條件。教師在整個教學活動中充分發揮了計算機技術和電子白板技術，激發了學生學習化學的興趣，調動了學生學習化學的熱情，讓學生有機會上臺展示自己的設計成果，學生樹立了學習化學的自信心，同時也培養了學生解決實際問題的能力，增強了學生的語言表達能力、組織能力，強化了學生之間的合作意識。

現代科學和技術有了相當發展之后，科學開始把技術作為研究對象，技術則注重從科學中尋找指導，它們之間互相滲透、互相促進、互相依賴、協同發展，關系更加密切，以至于科學技術化，技術科學化，科學技術一體化的趨勢日益突出。不難看出在整個教學活動中，科學、技術、工程、數學四個領域之間并不是孤立的，而是存在著一種相互支撐、相互促進、共同發展的關系。只有在交互中，在相互碰撞中，才能實現深層次的學習、理解性學習，也才能真正培養學生各個方面的技能和知識。

如今的化學教育應該以培養人為主旨，以培養創新精神和實踐能力為重點，發現問題并能應用知識和技術解決遇到的實際問題。在我們的日常生活中，當碰到實際生產生活問題時，我們首先必須考慮其所涉及的規律和科學原理，只有遵循這些規律和原理，才能真正找到問題的根源所在，才能運用技術設計出合理的解決方案，而數學作為解決實際工程問題的工具在其他三個領域中被廣泛使用。隨著科學技術的發展，科學、技術、工程和數學領域的聯系也越來越緊密，解決其中任何一個領域的問題都會涉及到其他三個領域。因此，在化學教學中融合STEM思想是未來化學教學的發展方向，值得每位化學教育工作者認真思考和研究。endprint