融入STEM理念的高中化學實驗探究課的教學策略研究

練鳳玲

摘 要：高中化學實驗教學及探究的過程融入STEM課程理念，拓展多種學習方式，強化教學過程中的實踐性和學生的體驗性，提高教學效能。實踐這種模式下教學策略有助于學生高考化學知識點的掌握及應用，提升學生實際問題的解決能力，著重培養學生的化學核心素養，并逐步形成具有地方特色的校本課程。

關鍵詞：STEM;高中化學;實驗探究;教學策略

1. 問題的提出

STEM最初由美國發起并主導，主要針對基礎教育改革。早在上個世紀80年代，美國國家科學委員會發表的《本科的科學、數學和工程教育》報告，標志著美國STEM教育的開端。[1]學術界普遍認為，STEM是科學（Science）、技術（technology）、工程（Engineering）和數學（Mathematics）各學科首字母的縮寫，STEM課程則融合了這四門彼此獨立又相互關聯的學科，采取融會貫通的方式結合項目加以開展，以研究性學習為主，注重培養學生的探究能力，提升學生科學素養、技術素養、工程素養及數學素養等。化學是一門實驗科學，以高中化學實驗為載體，融入STEM課程理念，探索高中化學實驗中的跨學科合作是很有必要的，然而我國對STEM教育和STEM課程的研究多處于理論階段，仍然存在很多的問題與不足。

2.相關概念的界定

2.1 STEM課程：STEM是由科學（Science）、技術（Technology）、工程（Engineering）和數學（Mathmatics）四門學科整合而成的，它以設計和探索為目的，并對技術問題進行科學的探索。[2]STEM教育是一種新的教學理念，它不是簡單地將科學、技術、工程、數學這四大學科內容進行排列組合或重新疊加，而是突破這四大學科之間的壁壘，通過跨學科的方式來綜合運用這四大學科的相關知識，以使學習者通過實踐解決真實情境中存在的問題，從而達到培養創新能力與實踐能力的目的。

2.2小組合作：小組合作學習就是以合作學習小組為基本形式，系統利用教學中動態因素之間的互動，促進學生的學習，以團體的成績為評價標準，共同達成教學目標的教學活動。強調人際交往對于認知發展的促進功能，學生依其學業水平、能力傾向、個性特征、性別乃至社會家庭背景等方面的差異組成若干個異質學習小組（每組3-6人）。

2.3實驗探究：在老師的指導下，將一個相對獨立的實驗交由學生自己處理，信息的收集、方案的設計、實施及最終評價，都由學生自己負責，學生通過該實驗探究的進行，了解并把握整個過程及每一個環節中的基本要求。“實驗探究”最顯著的特點是“以實驗目的為主線、教師為引導、學生為主體”，具體表現在：實驗的自主性和創新性;培訓周期短，見效快;可控性好;注重理論與實踐相結合。

3. 融入STEM理念的高中化學實驗探究課的具體設計

3.1 現狀與問題

化學是一門實驗科學，以高中化學實驗為載體，融入STEM理念，探索高中化學實驗中的跨學科合作是很有必要的，然而我國對STEM教育和STEM課程的研究多處于理論階段，仍然存在很多的問題與不足：（1）在國內的相關研究當中，重點以美國等國外的STEM教育和課程的研究為主，個別教育案例也是以國外教育案例為藍本，照搬痕跡較重，沒有形成適用于本土的具有本國特色的STEM課程;（2）STEM理念在高中化學實驗探究課中的應用的相關研究存在明顯的留白，沒有形成可供參考的教學模式和實踐操作，由于地域差異所造成的教育資源不平等的問題，大大阻礙了STEM理念在高中化學實驗探究的推廣與應用;（3）當前日益增長的教育需求與教師素質之間存在矛盾，在高中化學實驗中融入STEM理念需要教師同時具備相關學科的綜合知識與教學技能，對教師的要求較高，向以往的傳統教學方式提出了挑戰，而相關的教師培訓工作和教師隊伍的自我學習還存在很多不足。

3.2基本流程

融入STEM理念的高中化學實驗探究課具體流程為：提出與分析問題→應用跨學科知識→團隊合作→選擇與應用適當的技術→探究與設計作品→展示與評價成果。

3.3 教學活動設計--以《金屬的腐蝕與防護》為例[5]

STEM課程是以項目實踐載體，學生通過探究學習去掌握相關的概念和技能，并嘗試去解決真實世界中的問題。STEM理念下高中化學實驗探究學習主要分為四個階段：學生選擇所需工具與資源階段（準備）、學生設計實驗探究方案（設計）、學生自主完成活動任務階段（實施）、學生在探索中培養創新能力階段（改進）、和鞏固和完善學生的認知結構階段（反思）。

3.3.1.教學目標分析

STEM是科學（Science）、技術（Technology ）、工程（Engineering）和數學（Mathematics）四門學科的簡稱，其強調學科間的交叉與融合，并形成有機整體，消除學科間存在的傳統學習障礙，鼓勵學生綜合運用多學科知識，更好地培養學生的實踐能力和創新精神。將STEM理念應用于中學化學教學中，學生不僅可習得及掌握化學學科的知識與技能，還能感受到化學學科與真實世界建立的聯系，將化學教育與當前的社會生產生活等緊密結合，充分理解化學與科學、技術、工程與數學之間的交互關系，為提升學生核心素養及全面發展打下堅實基礎。

3.3.2.教學內容及學情分析

《金屬的腐蝕與防護》是人教版《化學反應原理》第四章第4節的內容，在學習了電解池和原電池的知識之后，結合實際問題對所學化學知識的應用。教材主要介紹了金屬電化學腐蝕的本質，影響金屬腐蝕的因素，簡單介紹了金屬防腐的方法.學好本節將， 是對所學電知識的綜合靈活的運用，對前面所學的電解和原電池的知識起到鞏固和提高的作用，。

由于本節內容緊密聯系生活實際，學生有強烈的好奇心和求知欲，加上高二的學生已經具備一定的實驗設計觀察能力，以及比較歸納能力，所以學生具備主動探究的原動力。但學生對知識的學習只注重表面現象，缺乏生活經驗，缺乏一定的深入理解和綜合思維的能力，在高考復習和高考中仍然得分不高.

3.3.3教學設計思路

本節教學設計以“任務為主線，教師為主導、學生為主體”的教學方式呈現，教師在某一種教學情境下提出問題，將STEM學科知識整合到某一化學核心任務中，學生以小組合作的方式運用STEM四方面的知識思考、討論與交流，從而解決化學問題，并最終獲得相應的科學知識。學生在解決問題的過程中，教師發揮指導、檢查、監督、和評價作用。

在本節教學中，教師以學生查找生活中的金屬腐蝕現象為任務一，激發學生學習的興趣，引導學生主動探究金屬腐蝕的本質，同時根據調查全球金屬腐蝕的嚴峻事實及數據統計，認識防止金屬腐蝕的重要意義。教師再以任務二：學生自主探究鋼鐵發生吸氧腐蝕和析氫腐蝕對比實驗，學會設計控制單一變量進行對比實驗以及實驗設計進行評價，得出金屬腐蝕的本質、條件、原因和影響腐蝕速率的因素，從而知道利用原電池的原理--犧牲陽極的陰極保護法的金屬的防護方法，最后通過親自模擬海水中的船的保護實驗加深原理的認識。教師再以任務三：學生自主查找展示金屬防腐的方法，并用原電池和電解池的原理解釋.最后，以任務四：課后延伸與拓展作業：將本小組設計的各種實驗方案整理并形成實驗小論文，形成研究性小論文并進行答辯，從而學以致用，拓展知識，鞏固電化學的原理。

3.3.4.實施教學過程

【任務一】學生分組查找并展示生活中的金屬腐蝕現象，激發學習的興趣，引導主動探究金屬腐蝕的本質，同時根據調查全球金屬腐蝕的嚴峻事實及數據統計，認識防止金屬腐蝕的重要意義。

【任務二】學生分組實驗探究并展示實驗結論：鐵釘腐蝕的實驗探究

實驗用品：鐵釘、煮沸過的水（除O2）、干燥劑（CaCl2）、植物油、試管、橡膠塞，還有食鹽溶液和醋酸溶液。可以設計出至少五種實驗方案來探究鐵釘在什么條件下會銹蝕，什么條件下銹蝕的速度會加快。

【動畫模擬】探討回憶原電池的原理，指出鐵釘其實是鐵碳合金，含2～4%的碳，這樣就組成了鐵碳原電池，動畫模擬討論鐵碳在酸性條件下和中性及弱酸性條件下的反應。

實驗探究：鋼鐵的析氫腐蝕和吸氧腐蝕。

負極（Fe）：Fe - 2e- = Fe2+

正極 （C）：2H++2e-=H2↑（析氫腐蝕）

2H2O + O2 + 4e- = 4OH-（吸氧腐蝕）

鐵銹的生成：Fe2+ + 2OH- = Fe（OH）2↓

4Fe（OH）2 + 2H2O + O2 = 4Fe（OH）3

生成的Fe（OH）3，失水生成Fe2O3·xH2O就是鐵銹 。

【模擬試驗】模擬海水中的船的保護實驗設計，深入掌握原電池的原理--犧牲陽極的陰極保護法的金屬的防護方法在生活中的應用。

【 任務三】學生自主查找并展示金屬防腐的方法，并用原電池和電解池的原理解釋，學以致用，拓展知識，鞏固電化學的原理。

【 任務四】課后延伸與拓展作業：將本小組設計的各種實驗方案整理并形成實驗小論文，形成研究性小論文并進行答辯。

【課堂小結】這節課我們通過試驗探究了金屬腐蝕的本質、條件、原因和影響腐蝕速率的因素，其中需要注意的是，金屬的腐蝕有化學腐蝕和電化學腐蝕兩種，但是以電化學腐蝕為主，電化學腐蝕又包括吸氫腐蝕和吸氧腐蝕兩種。同時又了解了基本的幾種金屬防護的方法，學會用書本知識去解決實際生活問題。

3.3.5.教學反思

本節課我打破常規，大膽融入STEM理念，以項目實踐為載體，以任務模式讓學生先自學，并通過探究學習去掌握相關的概念和技能，并嘗試去解決真實世界中的問題，再傳承傳統教學，進行動畫模擬和模擬試驗，解決了金屬腐蝕的相關問題，獨立思考與討論相結合，培養學生的思維能力和實驗探究合作意識、創新能力。然后利用電化學知識對金屬進行防護是電化學知識的綜合應用，讓學生自主學習金屬腐蝕措施的選擇和設計，促進學生對電化學知識的深入理解，同時也會使學生在情感態度和價值觀方面體會化學的實用性，增加學習的興趣。本節的重要知識點有兩個：一是金屬的析氫腐蝕和吸氧腐蝕，二是犧牲陽極保護法和陰極電保護法，教學中既融入了STEM理念，又傳承了傳統知識的教學，做到了“任務為主線，教師為主導、學生為主體”的教學方式呈現，教師在某一種教學情境下提出問題，將STEM學科知識整合到某一化學核心任務中，學生以小組合作的方式運用STEM四方面的知識思考、討論與交流，從而解決化學問題，更好地培養學生的實踐能力和創新精神，并最終獲得相應的科學知識。學生在解決問題的過程中，教師發揮指導、檢查、監督、和評價作用，收到較好的教學效果。同時通過后延伸與拓展作業，將本小組設計的各種實驗方案整理并形成實驗小論文，形成研究性小論文并進行答辯，形成研究性學習的校本課程。

4. 實施策略

4.1組建實驗探究學習小組

學校高一、二在周五的第八節可以開設化學實驗探究，通過組織課題組成員學習與STEM課程相關的理論知識以及優秀案例，制定研究計劃及方案，確定課題組日常工作的相關事宜。

4.2 基于問題或者教材難點開展研究

對有關高中化學STEM課程相關文獻資料進行梳理、分析與研究，并通過研究歷年高考實驗題和流程題，結合高中化學實驗的教學情況，學生高考得分情況，結合我校化學課程教學中培養學生核心素養的實際情況以及現有條件，確定適合高中化學實驗探究的STEM課程理念的應用案例;其次，確定STEM課程理念在高中化學實驗探究課中的應用實施方案，讓師生都成為化學實驗課堂的主動參與者，拓展化學實驗的教學，運用建構理論、積極心理學等理論，促進核心素養提升。

4.3 綜合多種研究方法，形成便于應用的研究成果

本研究采用行動研究法、文獻分析法、案例分析法、問卷調查法，以行動研究法為主，通過一系列的研究去檢驗STEM課程理念在高中化學實驗探究課中的應用研究效果，并形成可參考的STEM課程理念在高中化學實驗探究課中的應用實施方案，并匯編成可供參考的研究報告。

參考文獻

[1]穆鑫楠.21世紀以來美國高中STEM課程發展研究[D].天津師范大學，2015.

[2]李函穎.美國STEM教育的困境與走向——《美國競爭力與創新力》報告述評[J]. 比較教育研究，2014，36（05）：53-58