基于STEM教育理念的初中化學教學實踐
——以“自制滅火器”為例

趙 揚

一、研究背景

STEM教育在實踐過程中，學生能夠積極主動地通過觀察與操作獲得真實的學習與動手體驗，深層次建構多學科知識，切實參與到活動中，運用多學科綜合知識解決問題，生成產品，培養綜合能力[1]。

初中化學教學中實驗內容豐富。STEM課程以產品為導向，制作過程體現實驗探究屬性。因此，實驗化學教學內容與STEM課程有了融合的可能性[2]。融合后的教學不僅關注學生科學探究能力的培養，還關注工程設計意識的建立。

二、教學分析

1.融合方法

融合STEM教育理念的方法如下：以課程標準和教材為依據，改進已有實驗，融合跨學科知識，實施“以產品為導向”的新實驗。圖1為“自制滅火器”案例中將實驗教學內容轉化為STEM教學內容的流程。案例為落實人教版《化學(九年級上)》第七單元課題1《燃燒與滅火》的內容而設計。教材中涉及的實驗藥品(白磷、紅磷)與學生生活距離較遠，不易被學生理解。因此需要更換藥品，體現在生活中學習的理念。融合STEM教育的第一步是融入真實情境，通過制作產品解決實際問題，幫助學生實現對核心知識的理解。以滅火器為學科作品，依次討論火的產生條件、滅火原理、自制滅火器三部分內容。在第一部分內容中，加入興趣實驗，加深學生對燃燒條件的認識，落實“控制變量法”的思想。在第三部分教學內容中，學生通過設計并制作泡沫滅火器、運用滅火器滅火兩個活動，落實科學探究能力。同時，體現了STEM教育的獨特之處：幫助學生建立工程設計意識。

圖1 轉化流程

“自制滅火器”案例基于真實問題(生活中產生微型火災，如何滅火？)而設計，以化學學科知識為主，兼顧其他學科知識，見表1。

表1 跨學科知識地圖分析

2.目標設計

目標設計體現學生主體、素養導向。在必備知識維度，學生需掌握燃燒的要素、滅火的原理等核心知識，同時鞏固物理、數學等跨學科知識。在關鍵能力維度，學生需通過實驗探究總結“控制變量法”的思想。在實驗過程中提高科學探究能力、工程設計能力。在必備品格維度層面，學生需表現出對化學的熱愛，呈現實際問題解決的主人翁意識，體現“科學精神與社會責任”核心素養。

表2 “自制滅火器”評價量規

3.評價設計

對知識維度的目標，采用課堂觀察、課后作業等方式，檢測目標達成程度。對能力維度的目標，設計評價量規(見表2)的方式，以評促學，落實學習目標。對品格維度的目標，在課后對學生發放調查問卷，測查學生對STEM教學課堂的喜愛程度。

量規呈現明確的操作任務和表現水平，為學生互評提供依據。學生互評的方法如下：相鄰兩組的產品觀察師(例如A、B組)對調，A組產品觀察師對B組其他成員評價，B組產品觀察師對A組其他成員評價。量規中的各角色的職責見表3，學生自主選擇角色并參與課堂學習。

表3 角色分工

三、教學過程

教學過程采用項目式學習的方式。以真實情境為基礎，培養學生系統思維，具有產品導向[3]。將項目分解成3個子任務。任務1：火從哪里來？任務2：如何滅火？任務3：自制滅火器。3個任務之間為遞進關系，任務1為任務2的基礎，任務2為任務3的基礎。任務1、任務2以實驗探究為主要方式，任務3以工程設計為教學關鍵活動。實施時，在任務1前創設情景，增強學習的真實性。任務3后加入總結提升環節，落實核心知識，提高關鍵能力，發展核心素養。

任務1：理解燃燒條件(火從哪里來？)

圖片展示：燃燒的三要素。表格展示：不同物質的著火點。

演示實驗1：乒乓球和玻璃片的燃燒播放視頻；白磷在水下燃燒；演示實驗2：燒不壞的試卷。

設計意圖：學生通過觀察教師演示實驗、播放的實驗視頻，逐步理解燃燒的三個條件。在分析實驗現象、得出實驗結論的過程中，逐步理解控制變量的科學思想。

任務2：遷移滅火原理(如何滅火？)

提出問題：根據燃燒的條件，滅火的途徑有哪些？文字解析：“滅”與“火”之間的關系。遷移評價：水滅火、二氧化碳滅火的原理是什么？泡沫滅火器滅火的原理是什么？

設計意圖：從燃燒條件出發，引導學生思考滅火的原理，對“燃燒時三個要素缺一不可”的科學事實加深理解。在理解滅火原理之后，根據學生回答問題的情況，做出學習理解的評價。

任務3：設計并制作滅火器(自制滅火器)

給出表3的分工說明，學生梳理操作步驟。以量規為依據，學生完成計算任務。任務如下：用廚房中的小蘇打[學名：碳酸氫鈉(NaHCO3)]和酸性物質(如鹽酸，主要成分為HCl)產生二氧化碳氣體和泡沫，從而滅火。反應方程式為：

NaHCO3+HCl=NaCl+H2O+CO2↑

請計算：若產生2.2 g二氧化碳氣體，消耗碳酸氫鈉的質量是多少？

根據學生計算結果，演示了一種泡沫滅火器(材料如下：塑料瓶、帶導管的單孔塞、帶線試管)。產品調試師根據演示過程結合實驗材料設計微型滅火器，材料如圖2所示。以量規為依據，產品經理進行產品介紹，產品觀察師進行評價。

圖2 微型滅火器的制作材料及藥品

設計意圖：采取角色扮演模式，明確小組分工。賦予角色功能，讓學習與社會、職業接軌。使學習更高效、有價值。將自制滅火器的步驟拆解，降低難度，為學生的創新思維培養搭建臺階。活動過程體現學生的自主性，給予學生充分表達的時間和機會，培養學生的工程設計能力和創新意識。

四、教學反思

課后為所有學生發放了調查問卷(見表4)，調查問卷數據圖見圖3，并隨機抽查5名學生進行訪談。訪談內容如下：通過本節課的學習，與傳統的化學實驗相比，你覺得動手制作一個產品來學習知識的過程給你帶來最大的影響是什么？(預期學生會認為本課程實施能夠提高學生的創新意識、工程設計能力)

表4 調查問卷

1.任務拆解 實現學習目標

項目式學習，拆解核心任務，為學生實現學習目標搭建臺階。隨著課堂教學的進行，學習目標有效落實。在知識維度，結合課堂觀察和作業情況，90.90%的學生逐步理解燃燒要素和滅火原理。在能力維度，表4中的問題1表明，89.5%的學生意識到課堂學習過程的重要思想是“控制變量法”。訪談時，2名學生認為“設計并制作作品的過程很重要，加深了對化學實驗的理解，能提高科學探究能力和工程設計能力”。在品格維度，問題3、問題4的結果表明，絕大部分學生喜歡STEM課堂，是因為STEM教育能提高實驗探究能力、小組合作能力、工程設計能力。甚至有的學生表示喜歡STEM課堂不需要理由。教學過程激發學生對科學探索的欲望，培養了“科學精神”核心素養，教學過程指向真實問題解決，滲透“社會責任”的核心素養。

圖3 調查問卷數據圖

2.以評促學 落實核心素養

如圖4所示，在對所有能力的投票中，實驗探究能力、小組合作能力、表達能力的票數比例位于前3名，這說明融合STEM教育的化學教學重視了學生動手完成實驗的過程；強調了合作學習的重要性，給予學生了充分的時間來表達交流。多種能力的綜合培養正是STEM教育的特點。值得關注的是，有14.15%的學生認為“工程設計能力”得到了提高。這說明實施STEM教學案例正在逐步培養學生的“工程意識”。

圖4 能力維度統計結果

量規的使用對學生能力的提高起到了關鍵作用，引導學生以“優秀級”為目標，完成學習過程，要求學生以“合格級”為最低標準，監控學習質量，有效地提高了科學探究能力(完成實驗能力、表達能力)和工程設計能力，落實了核心素養。