培養學生創新實驗設計能力的項目式學習的開展研究

楊淑賢

【內容摘要】化學是一門以實驗為主的自然科學，而且與能源、工程、數學、經濟、環保等多個學科存在密切關聯，因此，近年來，STEAM教育理念逐步滲透到高中化學實驗課堂，旨在通過課堂實驗環節，使學生熟練掌握化學反應原理，并將化學知識與多學科知識點融合到一起，為解決現實生活當中的化學問題做好鋪墊。本文將基于STEAM 教育理念，就如何在高中化學實驗課堂培養學生的創新實驗設計能力所開展的項目式學習策略予以全面闡述。

【關鍵詞】高中化學? STEAM教育理念? 實驗設計能力? 項目式學習

STEAM教育是集科學、技術、工程、藝術、數學多學科融合的綜合教育，在高中化學實驗課堂引入STEAM 教育理念，不僅能夠拓寬學生視野，培養學生的自主探究能力，而且也能夠提高學生的創新實驗設計能力。因此，如何在STEAM教育背景下，利用項目式學習方法，使學生對化學知識產生濃厚的學習興趣，已經成為高中化學課堂的首要任務。

一、情境導入，興趣激發

過去，在高中化學教學課堂，教師往往采取“滿堂灌”式的教學方法，以理論知識傳授為主，實驗實踐環節為輔，導致部分學生對化學知識失去學習興趣，尤其在課堂實驗環節，教師的演示過程占用了大量的時間，無形當中就限制了學生的想象力與創造力，課堂教學效果也大打折扣。為了避免這種情況的出現，化學教師應當及時轉變教學觀念，通過設置教學情境的方法將學生帶入到真實的化學實驗場景當中，并充分發揮學生的創造力與創新力，進而構建一個趣味性的化學教學課堂。

以《原電池》的單元知識為例，為了讓學生參與到制作原電池的實驗項目當中，在教學活動開始之前，教師首先設置一個教學情境：為了紀念學校成立50周年，學校舉辦了大型的文藝匯演，在匯演現場需要用到大量的氫氣球，而制備氫氣的任務正好落到了高三五班的身上，學校的實驗當中有含Cu等雜質的粗鋅以及較純的鋅粒，請同學們通過自主實驗來驗證是選取粗鋅還是選取鋅粒來制備氫氣，并且如何加快反應速度。根據這一真實的情境，學生能夠快速進入到自主實驗狀態。將Cu片插入稀H2SO4時，沒有出現任何化學反應現象，將Zn片插入稀H2SO4時，Zn片上有氣泡產生，將Cu片與Zn片同時插入稀H2SO4時，Zn片上有氣泡產生，如果與電流計相連，發現Cu片上產生氣泡，并電流計的指針發生偏轉。學生通過自主設計實驗，能夠得出結論，在制備氫氣時，應當選取粗鋅，因為粗鋅當中含有Cu等雜質，當與稀H2SO4以及導線構成原電池后，粗鋅中的Cu就會與H2SO4發生化學反應而生成氫氣。通過情境導入的方法，能夠幫助學生對化學知識產生濃厚的學習興趣，同時，對自主探究能力的提升也大有幫助。

二、融入生活，創設項目

STEAM教育理念所提及的多種學科都與現實生活有著密切關系，因此，在實踐教學當中，教師應將教學過程與生活元素緊密聯系到一起，創設一個化學實驗項目，使學生在自主構建實驗項目過程中，使學生的創新實驗設計能力得到充分鍛煉。

比如以“釀制米酒”的化學實驗項目為例，在學生實踐操作之前，教師應當對酒的成分與配制原理進行講授。米酒的主要成分是乙醇，乙醇的物理特征是常溫下為液態，而且無色透明，易燃，易揮發，沸點與汽化點是78.3℃，冰點為-114℃，因此，細菌在乙醇當中無法存活。米酒的釀造過程主要分為發酵與蒸餾兩個部分。發酵時，需要用到糖與酶兩種物質。其中糖分包括葡萄糖與麥芽糖，因為谷物當中含有大量的淀粉，而淀粉經過工藝處理生成麥芽糖，所以在配制米酒時可以選擇谷物作為發酵物①。

在教師的輔助指導下，學生的腦海當中能夠快速浮現出釀制米酒的場景，并在生活當中選取釀制米酒的原料。比如有的學生以糯米、酒曲、水作為釀制米酒的主要原料，選用的釀制器具包括容器、蒸鍋、搟面杖、屜布等，然后進入到釀制工序。首先將糯米用清水淘3至5遍，將淘好的糯米放置在容器當中浸泡12小時以上，對泡好的糯米再一次進行清洗，清洗遍數以2次為宜，然后將糯米放入蒸鍋內蒸至8分熟，取出后與酒曲混合。接下來進入到發酵工序，發酵溫度應當保持在30℃左右，發酵時間以2～3天為宜，即可聞到酒香。學生通過自主創設與完成實驗項目，能夠從中汲取到化學知識養分，而且也能夠掌握米酒的釀制方法。在日常生活當中，學生可以在家人面前大顯身手，利用所學的化學知識為家人釀制香飄四溢的美酒，將進一步增強學生的自信心與成就感。

三、項目拓展，能力提升

借助于STEAM教育理念旨在幫助學生掌握多學科知識，進而培養全面型應用人才，因此，在高中化學課堂，教師可以將化學實驗與其他學科之間建立起共性關系，使學生在熟練掌握化學實驗原理的同時，能夠學到更多書本上無法學到的知識點。為了突顯教學成果，教師可以采取項目式學習方法，為學生布置一個課后實踐項目，然后由學生本人將實踐項目成果與其他學生進行分享，通過這種方法能夠有效激發學生的個人潛質，同時，與STEAM教育理念也不謀而合。

比如近年來，大氣環境污染現象日趨嚴重，尤其是汽車尾氣排放量，隨著汽車保有量的增加而不斷攀升，全國多個城市出現了霧霾天氣。因此，許多科研工作者也相繼投身到研制新型環保燃料的事業當中，并取得了階段性成果。教師以此作為項目創設的背景，讓學生利用所學過的化學知識，自主設計一個“鹽水動力車”，并將設計成果展示給大家。

學生在接收到這一實驗設計項目后，首先對“鹽水動力車”的化學原理進行研究和探討，因為鹽水的主要成分是NaCl的電解液，電解液當中含有大量的Na+和Cl-離子，正常情況下，這種離子能夠在溶液當中自由移動，由于在動力車當中，設置了一個過濾裝置，使其中的某一個離子透過過濾網而跑到另外一邊，或者在盛放鹽水的容器兩邊分別放置一塊金屬板，這樣，Na+就更容易聚集在一端，而Cl-離子則聚集在另一端。此時，由于正負離子不平衡而出電勢差，而電解液就相當于一節電池，在電池的驅動下，鹽水動力車內部的微型直流電機就會旋轉起來而帶動車輛向前行駛。通過對“鹽水動力車”化學原理的了解和掌握，學生可以自主設計一個能夠跑起來的動力車。這種布置課后實驗項目的方法，使學生對環保知識有了更加深刻的認知，同時，將化學知識與環保知識有機的融合到一起，不僅充實了學生的知識儲備，而且對提高學生的創新實驗設計能力也具有積極的促動作用。

四、結合教材，實驗創新

在高中化學教材當中，設置的每一個實驗項目不僅涵蓋了化學知識點，而且與數學、工程、能源、環保等多個學科息息相關。基于此，教師應當以化學教材為出發點，結合教材當中的化學實驗項目，培養學生的創新實驗設計能力。在學生設計實驗過程中，教師應當扮演輔助指導的角色，隨時對學生提出的質疑予以解答，幫助學生順利完成實驗過程。

在學到“設計一座硫酸廠”的知識點時，教師可以根據化學反應原理，為學生提出一些設計方案。比如SO2+O2、H2S+CuSO4、SO2+Cl2+H2O、S+O2、FeS2→SO2→SO3→H2SO4、CaSO4→SO2→SO3→H2SO4這六種方案，教師首先選擇學生代表找出無法實現的方案，然后予以排除。學生：“方案1中，在自然界當中并不存在現成的材料，方案2和3當中，很明顯存在H2S、Cl2兩種有毒氣體，如果用于制備硫酸，不僅對生態環境造成影響，而且也會引發中毒事故。因此，在設計硫酸廠時，可以選擇4、5、6方案。”在教師的引導與提示下，學生能夠快速確定制備硫酸的方案。接下來，為了增強課堂互動性，活躍課堂氣氛，教師可以將學生劃分為四個合作小組，每一個小組分別扮演在四個不同地點建設硫酸廠，并制訂出一套完整的硫酸廠建設項目計劃書。

當賦予學生“設計師”的角色后，四個小組開始選定硫酸廠的建設位置，第一小組選擇離居民區較近的地方，第二小組選擇在風景區附近，第三小組選擇在近海的地方，第四小組選擇在交通便利的城市郊區。在各小組確定硫酸廠的位置，并編制好項目計劃書后，教師應當及時對各小組的選廠位置進行點評。因為硫酸制備屬于高危生產行業，在制備硫酸過程中，將產生大量的有毒有害氣體以及工業廢水、廢渣，第一小組選擇的廠址，離居民區較近，這樣容易影響居民的正常生活。第二小組選擇的廠址，離風景區比較近，生產過程中排放出的有毒有害廢水會給風景區造成嚴重污染。第三小組選擇的位置靠海，一旦工業廢水排放到海水當中，就會污染海里的生物。而第四小組選擇城市郊區，由于交通發達，人力資源成本低，因此，第四小組的選廠位置比較合理。通過教師的點評，各小組及時對設計方案進行修改，進而設計出一座符合城市發展需要的現代化硫酸加工廠。這種自主創設實驗項目的方法，使學生增強了社會責任感，樹立高度的責任意識與環保意識，同時，也將化學知識轉化為與工業生產相關聯的綜合性應用知識，學生在自主探究過程中，創新實驗設計能力也得到大幅提升②。

五、借助工具，激發創意

目前，多媒體設備已成為化學教學課堂不可或缺的教學演示工具，這一工具的實際應用不但提升了課堂教學效率，而且也使整個教學過程變得清晰直觀，學生在學習過程中，也容易快速吸收相關的化學知識點。因此，在教學過程中，教師可以將化學實驗項目的演示過程呈現在學生面前，使學生通過觀看演示步驟，學會自主創設化學實驗項目，進而提高學生的自主創新能力。比如在學到“純堿制造技術”的知識點時，教師首先將純堿的主要用途利用視頻影像的方式播放出來，然后對純堿的制造過程進行演示。工業制造純堿一般采用聯合制堿法，其化學反應原理是：

這種方法的優點是食鹽的利用率能夠提高到96%以上，而且生成物中的NH4Cl可以用做氮肥。當純堿制備過程演示完畢后，教師可以給學生布置一個學習任務，讓學生結合視頻演示過程，自主設計一個制造純堿的方案，然后比較哪一位學生的方案更具可行性。通過這種方法，能夠引發學生的情感共鳴，幫助學生快速吸收化學知識點，而且對化學實驗在工業生產方面的用途也產生了深刻認知，對培養學生的化學實踐應用能力將大有裨益。

結束語

綜上，基于STEAM教育理念，教師將項目式學習方法引入到高中化學課堂，這種新型的教學模式不僅是培養應用型人才、全面型人才的一條有效路徑，同時，也是提高課堂教學效率的一項重要舉措。因此，在實踐教學當中，教師應當緊緊圍繞學生的主觀需求，以培養學生的創新實驗設計能力為主抓手，整合豐富的教學資源，為學生搭建一個施展個人才華、體現個人魅力的廣闊發展平臺。

【注釋】

① 林兆霞、陳霞. 基于“項目式教學”的普通高中化學實踐教學研究[J]. 考試周刊，2020（44）：139-140.

② 袁歡、姜建文. 魯科版新教材“微項目”模塊分析與教學建議——以高中化學必修教材為例[J]. 中學化學教學參考，2020（2）：10-13.

（作者單位：山東省平度師范學校）