基于STEM教育視野的高中化學教學實踐

萬海濤 陳浞嵌

摘要：以“魚浮靈主要成分測定的實驗探究”為例，確定STEM四維教學目標，構建教學模型，將sTEM教育理念融入中學化學教學實踐，培養學生的綜合運用多種學科知識的能力、創新精神與實踐能力。

關鍵詞：STEM教育;高中化學教學;實踐

文章編號：1008-0546（2019）06-0074-04 中圖分類號：G633.8 文獻標識碼：B

doi：10.3969/j.issn.1008-0546.2019.06.021

以學科整合為背景的STEM教育在中學科學教育中發揮著越來越重要的作用，已成為很多國家的科學教育政策主導和研究熱點。STEM是科學（Seienee）、技術（Technology）、工程（Engineering）和數學（Mathe-matics）四門學科的簡稱，強調多學科的交叉融合，將四門學科內容組合形成有機整體，削弱了這四門學科中傳統的學習障礙，促使學生綜合運用多種學科知識，以更好地培養學生的創新精神與實踐能力。化學作為科學中的基礎課程，其包含的知識較為廣泛，比如物理、生物、地理等學科知識，成為教育者實施STEM教育的重點研究對象。

將STEM教育理念融人中學化學教學中，使學生不僅獲得與科學、技術、工程和數學等相關的知識;還能與真實世界建立聯系，將科學教育和當前的社會生產生活等緊密結合，充分理解科學、技術、工程與數學之間的交互關系，為學生提高綜合素養及全面發展打下良好基礎。

一、課題選擇依據

真正有意義的學習總是發生在那些真實的、具有挑戰性的問題情境中。本課題的選擇基于三個方面：

1.源于生活

魚，是逢年過節、宴請賓客必不可少的一道寓意吉祥的佳肴。對于在養殖或運輸過程中使用的魚浮靈，網上有人傳言會致癌，這再次觸動人們對于食品安全談之色變的神經，同學們也必然對它產生濃厚的興趣，想知道食用了使用魚浮靈養殖的魚是否安全，必然需要探究它的主要成分。

2.基于課標

化學新課標重視化學的情景化、生活化，即強調化學來源于生活，服務于生活。學生如果能夠利用自身已有化學知識解決生活中的實際問題，有利于培養他們的探究能力，形成科學的認識觀。

3.立于STEM

2018年5月8號頒布的《sTEM教師能力等級標準》，就STEM課程開發和整合明確提出，STEM教育課程要以學生為中心，聚焦解決真實情景的問題。本研究課題也為開展STEM教育提供良好素材，它融合了化學、物理等學科的科學知識，對魚浮靈主要成分的測定中手持技術的使用加強了學生的技術素養，對于測定方案的設計，加強了學生的工程素養，數據的計算、定量方案的設計，提升了學生解決特定情境下數學問題的能力，有利于加強學生的數學素養，完全符合STEM教育對學生素養培養的要求。

二、教學目標分析

高二學生通過前面化學、物理的學習除了已經掌握了常見元素化合物的基本性質，氣體的性質，也具備了一定的邏輯思維、分析和實驗能力，但是對于實驗探究的一般方法的認知還沒有形成體系，對定量實驗的方法了解還不夠全面。

基于此，我確定了本課題的教學目標：引導學生們通過實驗探究魚浮靈的成分，體驗并強化細致嚴謹的科學態度和聯系實際學習化學的學科習慣。在學會定性分析的基礎上進一步鞏固氣體體積的測量方法，學生通過運用所學知識進行實驗設計和探究，得到科學的結論，感受自主獲得知識和掌握學習方法的喜悅，并充分體驗化學等學科與生活密不可分的關系，發展自己的批判性思維、創造性思維、科學思維、工程思維、計算思維、設計思維、量化思維等。從STEM四個維度出發，制訂教學目標如下：

三、教學方法確定

采用PBL任務驅動、模型建構、多媒體、手持技術輔助教學，引導學生小組合作探究學習，其中PBL任務驅動，以問題為導向，是STEM教學的核心，有利于培養學生的STEM素養;模型建構、小組合作，有利于核心素養的思維培養。

四、STEM教育與化學教學結合的教學模型構建

依據STEM教育的相關理念及研究成果，筆者設計了以學生為中心，體現STEM教育的教學模型：

整個教學模型分五步：

1.創設情境

教師依據教學內容選擇一定的教學情境。教學情境的選擇力求真實，情境的創設要使學生易于發現問題，通常以生活為背景的問題情境作為切入點更易于調動學生學習的興趣。

2.提出問題

教師基于教學情境提出問題，明確研究內容。

3.合作學習

學生以小組為單位開展合作學習，建立起四大領域的知識網絡，為設計解決問題方案提供知識儲備。

4.設計方案

教師引導學生利用相關知識與技術，設計出解決問題的方案，展開小組共同交流和溝通，分享研究成果。

5.評價反饋

通過教師評價，學生之間的相互評價，針對不同方案比較，反饋出問題解決的最理想方案，達成教學目標。

五、教學過程

1引入課題

播放錄像：對浮頭的魚加入某種物質，魚起死回生。引出課題，激發學生的好奇心，自然而然提出問題，吸引學生注意力，使學生的思維集中到本節課的主題。

2.查閱資料

百度有關魚浮靈圖片資料，了解魚浮靈增氧的原理并把該原理用化學方程式表示，培養學生獲取信息并把信息轉化為化學用語的能力。

3.猜想和假設

學生根據資料猜想魚浮靈成分可能的三種情況，即過氧化鈣、過氧碳酸鈉或者兩者的混合物，有利于自身思維發散性的培養;而對三種可能情況的進一步分析，魚浮靈配成溶液時沒有渾濁產生，不可能是兩者的混合物，也有利于學生思維深刻性的挖掘。

4.定性探究

具體流程如下：

學生課堂中設計方案如下：

方案1：取樣溶于水，配成溶液，向其中加入鹽酸，產生能使澄清石灰水渾濁的氣體，證明是過氧碳酸鈉。

方案2：取樣溶于水，配成溶液，向其中加入碳酸鹽，如果產生沉淀，證明是過氧化鈣。

方案3：取樣溶于水，配成溶液，靜置后加入二氧化錳，有氣體產生則證明是過氧碳酸鈉。

方案4：取樣溶于水，配成溶液，進行焰色反應，黃色證明是過氧碳酸鈉，磚紅色證明是過氧化鈣。

方案5：取樣溶于水，配成溶液，加酸堿指示劑，如酚酞，觀察顏色。

方案6：取樣溶于水，配成溶液，通入二氧化碳，根據是否出現渾濁來判斷。

方案7：取樣溶于水，配成溶液，加氯化鋇，根據是否出現渾濁來判斷。

5.定量探究

環節一：實驗原理的設計

從數學角度分析達成實驗目的需要測的量，基于定量實驗設計的基本原則和化學定量實驗測定的基本方法確定實驗原理。

課堂中學生討論結果：

（1）最容易測的量：樣品總質量，但魚浮靈不是純凈物，雜質的量是未知的，所以測量總質量沒有意義。

（2）討論測定采用的方法：把直接測量改為間接測量，若分別間接測定碳酸鈉、過氧化氫的量，需要做兩次實驗，實驗次數越多，引入誤差的可能性越大，而且為了控制變量，需要取等質量的兩份樣品。

（3）設計定量實驗原理：學生在學習高中化學三大定量方法基礎上進行本實驗的探究，分別設計不同的測定方法，依據定量實驗設計“可行、簡約、精準”的基本原則，經小組合作討論得出以下意見：滴定法一有過氧化氫存在，可能會漂白指示劑，導致實驗失敗;重量法一需恒重操作，步驟比較繁瑣，不簡約、引入誤差較大。因此最終采用氣體法進行間接測量，將碳酸鈉轉換為二氧化碳的體積、過氧化氫轉化為氧氣的體積，但氣體的體積受到溫度、壓強的影響。

學生經過討論確定定量實驗方案如下：依據阿伏加德羅定律：同溫同壓下兩種氣體的體積比等于物質的量之比，魚浮靈與硫酸反應會同時產生二氧化碳和氧氣，測定在相同實驗條件下兩種氣體的產生量，避免了單獨測量氣體體積過程中溫度、壓強對體積測定的影響。

環節二：思考實驗關鍵

傳統定量測定二氧化碳含量由于二氧化碳的溶解會引入較大的實驗誤差，怎樣避免二氧化碳的溶解、保證二氧化碳測量的精準是本實驗需要考慮的。

提出問題：如何盡可能讓二氧化碳逸出？

學生討論確定要采取的措施：借鑒實驗室制取二氧化硫的試劑，選用6mol/L的硫酸，既能提供一定量的氫離子，保證反應的發生，又可以減少二氧化碳的溶解。同時采取磁力攪拌、加熱等方法促進二氧化碳的逸出。

環節三：設計實驗裝置

學生由中學常見的量氣裝置為切入點探討（圖4），在思辨中設計新的實驗裝置（圖5）。

提出問題：怎樣分別準確測量二氧化碳和氧氣的量？

環節四：設計實驗步驟和實驗操作

1.按圖6組裝好儀器，將傳感器通過數據采集器與電腦連接，檢查裝置的氣密性。

2.向三口燒瓶中添加一定量的魚浮靈，用注射器向其中添加6mol/L的硫酸。

3.打開磁力攪拌器，開啟加熱開關。

環節五：數據處理，得出結論

試管中裝魚浮靈固體，兩支注射器先后加入水、硫酸，用另一支注射器測定出產生氧氣和二氧化碳的體積。本裝置注射器活塞受的摩擦力較大，測量誤差較大。

三口燒瓶為反應器，磁力攪拌、升溫加熱，用二氧化碳、氧氣傳感器測定同溫同壓下兩種氣體的體積，結果更精準。

六、結語

本實驗以魚浮靈為內容載體，以“STEM”教育為核心，以高中化學定量實驗方法為依據，整合物理、化學等學科的相關知識，引導學生在選擇實驗方案，進行實驗裝置設計過程中鞏固基本學科知識、基本操作方法、發展自身的思辨性思維，形成“精準”的定量思維意識，發展自身的STEM素養。實驗教學設計與實施突出三大特色：“減、精、融”。減：指將兩組數據的測定改為一組，省略稱量、恒重等操作。精：指實驗設計采取酸過量、攪拌、加熱、數字傳感器的使用等方法減少二氧化碳的溶解，使測量結果更加準確，借助數字傳感器檢查裝置的氣密性突破傳統思維。融：指定量儀器的變化，高科技數字技術與傳統量氣裝置融合。