基于STEM教育，淺議促進化學深度學習的“一線四階"課堂教學設計

曹建明 周春露 陸庭鑾

摘要：概述STEM項目學習教與學的設計，促進學生深度學習。以滬教版九年級上冊“金屬礦物鐵的冶煉”為例，基于學習進階理論，劃分STEM項目不同版塊進階的不同水平。STEM每一版塊，內層孵化項目素養(yǎng)，中層踐行學習目標、策略，外層彰顯學習效果。結合“一線四階”模式，課堂教學版塊設計轉換以學習目標進階（基礎知識、基本技能、基本方法、基本思想觀念），驅動學習策略的進階（自主建構、實踐反思、逆向多問、整合遷移），引領學習外顯成效的提升進階。

關鍵詞：STEM項目設計;深度學習;“一線四階”實踐型課堂模式

文章編號：1008-0546（2020）02-0011-04 中圖分類號：G632.41 文獻標識碼：B

doi：10.3969/j.issn.1008-0546.2020.02.004

21世紀，在美國出現(xiàn)了一個新的術語——STEM，Science（科學）、Technology（技術）、Engineering（工程）、Mathematics（數(shù)學）。通過項目式STEM學習法來完成科學、技術、工程、數(shù)學的學習。

項目式的學習主要是由內容、活動、情境和成果四個因素構成的，項目學習通常以小組合作的形式進行。目的是為了研究和解決現(xiàn)實生活中的真實性問題，學生是項目活動的主導者和實踐者。項目化的STEM學習培養(yǎng)學生的科技工科素養(yǎng)，保持創(chuàng)新的激情和不竭的競爭力。

深度學習相對于淺層學習。淺層學習的認知水平停留在識記和理解層面，深度學習的學習者能夠批判性地學習知識和規(guī)律，并將其整合匯入原有的認知結構中，將已有知識遷移至新的情境，做出決策和解決問題。

閻乃勝認為“深度學習”是指“對信息予以深度加工，深刻理解和掌握復雜概念的內在涵義，建構起個人情境化的知識體系，以知識遷移推進現(xiàn)實任務的完成”。化學深度學習培養(yǎng)四種素養(yǎng)：信息素養(yǎng)、專注本領、學習能力、批判精神。化學深度學習具有自主性、調適性、關聯(lián)性。

自主性：學生在自主學習中探究，根據(jù)元認知理論，一旦學生擁有高的自我認知和調控水平，且對學生進行元認知理論的培訓，意識到自我意識和主觀調控的重要性，可以積極地對自己的學習狀況進行監(jiān)控、調整，提升學習效率。

調適性：通過各種途徑讓學生暴露思維過程，讓隱性的思維顯性化，看到自己思維的不足，再進行歸因、分析、矯正。引導學生主動養(yǎng)成自我糾錯的習慣，優(yōu)化思維過程。深度學習要求思維是嚴謹?shù)摹⑼瑫r也是靈動的，并充滿情趣地引導學生對知識進行應用與綜合，識記與理解，遷移與應用，反思與評價。

關聯(lián)性：強調學習內容的有機整合，已知概念與新概念放在一起進行比較和分析，在比較和分析中認識新概念。深度學習從深度思維出發(fā)，充分靈活巧借異常實驗現(xiàn)象，能將已有的知識遷移到實際情境中，探索意外自主解決問題，解釋自然現(xiàn)象內在關聯(lián)。

“實踐型”課堂以落實國家義務教育課程標準為目的，以教材內容為課堂教學主體，學習方式通過綜合實踐活動來學習新知識，提升關鍵能力，包括課堂的前置性、翻轉性的實踐學習活動，課后延伸的實踐學習活動，具有課前伸、課后延的多向性、一體化特征。

一、促進深度學習的“一線四階”STEM項目化設計構想

STEM教育要將能“引燃”學生思維的教學內容設計成實踐問題創(chuàng)設教學情境，引導學生教學過程中參與、合作、創(chuàng)新、分享，培養(yǎng)學生動手、合作能力、探究意識、思維、表達溝通能力。

筆者結合多年教學實踐，發(fā)現(xiàn)初中化學大多數(shù)課堂教學設計，都可以分為四項目版塊，貫穿探究主線，形成促進深度學習的“一線四階”實踐型課堂教學設計（見圖1）。

一階：從科學問題出發(fā)，創(chuàng)設自主學習情境，建構化學基本知識和原理，引發(fā)深度學習;

二階：用技術手段體驗，開展實驗探索，訓練化學基本技能，觸發(fā)深度學習;

三階：拓工程生產(chǎn)應用，進行工藝流程研究，形成化學基本方法，激發(fā)深度學習;

四階：融數(shù)學思維方式，跨學科聯(lián)系與整合，成化學學科基本思想觀念，活化深度學習。

二、促進深度學習的“一線四階”STEM項目化“實踐型”課堂教學設計案例

以滬教版九年級上冊第5章第2節(jié)“金屬礦物鐵的冶煉”為例。

1.一階起識：用發(fā)現(xiàn)的眼睛，在質疑問難中探究

此版塊以科學素養(yǎng)為核心，科學素養(yǎng)即運用化學學科知識理解自然界并參與影響自然界的過程。項目運作變形換式：收集信息、覽圖片會意境、讀懂表格、分析各種因素…借助于概念、判斷和推理等認知方式，進行化學基本知識和原理自主性深度學習。深度學習根植于真實情境，強調反思和元認知的學習，形成一種主動的、批判性的學習方式，是實現(xiàn)深度意義學習的有效方式。

課前自主學習：學生收集整理金屬的冶煉方法。

情境圖片：我國大型鐵礦基地，這些鐵礦基地有哪些種類的鐵礦石？

師：介紹常見的鐵礦石。礦石主要成分在自然界中主要以化合物形式還是單質的形式存在？屬于氧化物的有哪些？資料信息，見表1。

思維活動：表1中礦石不適宜用來煉鐵的有哪些，原因？

生：黃鐵礦。同純度礦石黃鐵礦含鐵量低，其中的硫會產(chǎn)生有毒的SO2氣體。

講述：使金屬礦物變成金屬的過程，叫做金屬的冶煉。

思維活動：對比Fe2O3與Fe的組成上的區(qū)別，如何實現(xiàn)從Fe2O3到Fe的轉變？

生：Fe2O3和Fe的組成上均含有Fe元素，不同之處在于Fe單質少了O元素。

思維活動：要使Fe2O3轉變成Fe，可從哪些方面人手？

生：（1）可在一定條件下，使Fe2O3直接失氧，轉變成鐵;

（2）可加入某類物質，讓其與Fe2O3中的氧元素結合，主動奪取Fe2O3中的“氧”元素，使Fe2O3轉變成金屬Fe。

學生匯報：金屬的冶煉方法。

熱分解法：有些不活潑金屬僅用熱分解法就能制得。

電解法：在金屬活動性順序中，鉀、鈉、鈣、鋁等幾種金屬的還原性很強，這些金屬都很容易失去電子，因此不能用一般的方法和還原劑使其從化合物中還原出來，而只能用通電分解其熔融鹽或氧化物的方法來冶煉。

熱還原法：多數(shù)金屬的冶煉過程屬于熱還原法。常用的還原劑有焦炭、一氧化碳、氫氣等。

金屬鐵的冶煉，是把它們的礦物跟易得氧的物質一起加熱反應，以奪氧的方式還原鐵的氧化物。

思維活動：我們以前所學過和接觸過的物質中，哪些可以和氧結合，形成新的物質？

生：Mg、H2、C、CO等物質可實現(xiàn)以上變化。

師：金屬鐵的冶煉通常使用的還原劑是CO，依據(jù)是什么？

交流：從經(jīng)濟效益、環(huán)境保護、人體健康、安全生產(chǎn)等角度，工業(yè)實際生產(chǎn)一般選擇cO。

設計意圖：此階段項目的主題是：金屬礦物冶煉金屬原理。依據(jù)初中階段認知要求，資源情境圖片的呈現(xiàn)，引導從物質存在啟迪物質分類，引向組成區(qū)別，指向得氧失氧角度，導向氧化還原反應，學科物質元素觀、分類觀，變化觀…逐步生長，建立在真實情境的認知和思維活動基礎上的基本知識原理學習，引發(fā)學生深度學習。

2.二階煉能：執(zhí)思考的意識，在觀察比較中探究

此版塊項目以技術素養(yǎng)為核心，也就是使用、管理、理解和評價技術的能力。化學是實驗為基礎的自然科學，實踐性是學科的基礎屬性，因而可以通過實驗平臺項目化操練技術技能，形成技能認知。實驗效果提升依賴技術項目更新，為深度學習提供技術支撐。學生根據(jù)實驗探究過程觀察到的實驗現(xiàn)象，通過對比、歸納、演繹等技術手段，產(chǎn)生新的問題，引發(fā)思考疑問，進入高階思維深度學習。

播放視頻：制取一氧化碳與氧化鐵反應演示視頻。按照課本所給的裝置來完成，CO直接在實驗中制取。

思維活動：

（1）實驗中為什么要先通一段時間CO，再加熱Fe2O3？

（2）實驗結束前應如何操作？

（3）實驗過程中為什么需要尾氣處理？尾氣如何處理？

（4）澄清石灰水的作用是什么？實驗中會出現(xiàn)什么現(xiàn)象？

生：實驗中先通一段時間CO，再加熱Fe2O3的目的：排出裝置內的空氣，以免加熱時CO與空氣混合，可能會發(fā)生爆炸。實驗完畢后繼續(xù)通一氧化碳的目的，讓灼熱的鐵在CO的環(huán)境中冷卻。

小組討論：如何驗證實驗中產(chǎn)生了鐵？

交流分析：煉鐵產(chǎn)物的復雜性和驗證方法。

設計意圖：實驗原理是實驗的核心，實驗設計的起點和依據(jù)，遵循可靠性、簡潔性、安全性、可行性原則，符合實驗的目的要求。采用引導一探究范式，有意義的實踐活動情境引入，調動孩子感觀興趣。根據(jù)實驗原理和實驗過程，理清實驗操作的步驟，抓住實驗方法要點和關鍵順序。從單一走向融和，從發(fā)散走向聚合，感性認識理性融通，從理性判斷散發(fā)出誘惑力驅使學生發(fā)展高階思維，訓練思維深度。

綜合實踐活動：教學中，幾次實驗后我們發(fā)現(xiàn)了幾個問題：裝置多儀器復雜、耗時很長、用氣量大效果差、有污染等。對這個實驗。我校化學組老師與“綠色風暴”STEM社團學生一起，運用項目化模式，綜合各方面知識，嘗試將裝置改進為如圖2所示。改進后的裝置與原裝置相比有哪些優(yōu)點？

交流總結：在使用后，有如下的優(yōu)點。

評析：實踐性是STEM教育根本屬性。

一是實驗用品是生活常用品，變廢為寶，裝置中儲氣瓶、導管、酒精燈、鐵架等實驗用品是生活中日常物，物品都是資源可再用;

二是改進后反應物變色、石灰水實驗現(xiàn)象明顯;

三是節(jié)約藥品，實驗過程安全、污染小，反應前不需要先通CO，實驗后不需要繼續(xù)通人氣體，CO用量和排放到空氣中的少，符合“綠色化學”的理念;

四是微型化。裝置簡單，組合利用，實驗過程短，學生插入必要的實驗基本操作輔以必要實驗技術，學生易于操作。

設計意圖：STEM教育注重引導學生自主發(fā)現(xiàn)問題，探索分析問題，學生根據(jù)實驗中觀察到的現(xiàn)象，完善方案，更能依據(jù)探究目的優(yōu)化實驗方案或改進實驗的設想，在質疑和批判中提出問題。知識與實踐的結合是項目化學習的特色，對照課本裝置設計方案，對比分析實際操作實驗效果，教師借機挑起認知沖突，由“沖突點”擴大到“沖突區(qū)”。從原料、現(xiàn)象效果、操作、環(huán)保、簡潔…多維度創(chuàng)新改進實驗，驗證假設，得出結論，促進深度學習。

3.三階實效：鼓實踐的勇氣，在矛盾沖突中探究

此版塊項目核心工程素養(yǎng)，即對技術工程設計與開發(fā)過程的理解。化學來源于生活，又服務于生活。STEM教學倡導模擬真實的應用情境，引導學生從實際角度分析解決生產(chǎn)、生活或實驗室中的問題，體驗學科原理觀念在化學研究和工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的應用價值。而當學生發(fā)現(xiàn)知識的實際價值和社會意義時，他們是最想學習，他們的學習最有深度。

播放視頻：關于高爐煉鐵的演示過程。

課堂開放實踐活動：新建一座煉鐵廠，如何著手？煉鐵原料：鐵礦石、焦炭、石灰石……

資料卡片：焦炭是把一定品種的煤在煉焦爐中隔絕空氣加強熱——干餾，而得到的一種堅硬多孔性固體。高爐煉鐵時使用焦炭，一是用作熱源，焦炭在燃燒時放大量熱;二是生成的二氧化碳在高溫下與焦炭反應得到還原劑一氧化碳，一氧化碳使鐵礦石還原成鐵。焦炭硬度大、多孔、在高爐不易壓碎，容易使氣體通過，且發(fā)熱量比煤大，所以高爐用焦炭而不用煤。

生：寫出高爐煉鐵中焦炭變化的化學方程式。

師：石灰石的作用？

CaCO3=CaO+CO2↑

CaO+SiO2=CaSiO3（爐渣——可用于制水泥）

思維活動：進料口、進風口、出渣口、出鐵口…安裝在高爐的位置？

圖片展播：法國畫家卡米耶·畢沙羅的《蓬圖瓦茲附近的瓦茲河》，畫中有畫家引以為傲的家鄉(xiāng)附近表現(xiàn)城市和工廠的高爐煙囪。

師：尾氣主要成分？如何達標處理排放？

課后學生拓展訓練：畫高爐圖形。標注高爐設備各部位名稱（進料口、進風口、出渣口、出鐵口…），并在各區(qū)域寫出相應的化學方程式。

課后學生創(chuàng)意物化：繪制煉鐵廠工藝流程圖，開展模型認知學習。

設計意圖：學生以煉鐵廠負責人的角色進行生產(chǎn)規(guī)劃，從生產(chǎn)設備、原料選擇、工藝流程…多角度謀劃，跨學科知識交錯呈現(xiàn)。從質變、量變、能量角度判斷生成物;關學角度：高爐弧形外殼，高度確定;物理密度，出渣口、出鐵口位置，熱學角度高爐內膛材料;環(huán)保效益：廠址選擇、尾氣處理、爐渣再利用;歷史文化：畫家名作，學生像工程師一樣做產(chǎn)品。主題體驗式STEM項目化學習引導學生思維進階，使學生走向深度學習、思考，自然是豐富的，改造自然的方法和過程，可以是藝術的。各學科知識、社會生活“邂逅”，彰顯學科價值。

4.四階創(chuàng)新：擁思想的新境，在問題解決中探究

此版塊項目的核心是數(shù)學素養(yǎng)，也就是學生發(fā)現(xiàn)、表達、聯(lián)系與遷移多種情境下的問題的解釋和解決能力。定量觀是高層次基本思想觀念。讓學生在躬身操作、親身體驗、有感化悟中構建化學定量觀。凸顯項目化教學綜合性、創(chuàng)造性，融多學科、多角度、多形式于同一平臺。STEM的精髓在于溝通交流、協(xié)作，明辯性思維。教者要突破學科的單一性，將多學科知識與教師、學生的經(jīng)驗、學科價值結合起來，學生嘗試學習的遷移運用和問題解決，在相似情境中舉一反三，新情境中分析、判斷差異，并將原思路模型遷移運用至新情境。解決認知沖突的過程就是學生自我否定，自我建構的邏輯思維進階生長的過程。

生：工業(yè)上用含氧化鐵480t的赤鐵礦為原料煉鐵，得到含雜質4%的生鐵。求（1）氧化鐵質量，（2）純鐵的質量，（3）生鐵的質量。

設計意圖：STEM教育不是簡單的數(shù)學計算，是對化學概念、化學原理量的理解，依據(jù)化學基本理論，運用數(shù)學方法解決物質組成、結構、變化中“量”的問題的能力。

合作交流：已知在不同的溫度下，CO與鐵的氧化物反應能生成另一種鐵的氧化物（或鐵單質）和C02。現(xiàn)利用圖3的實驗裝置進行實驗，反應過程中管內的固體質量隨溫度的變化曲線如圖4。

注：圖3中的儀器甲是一種加熱儀器，圖4中A、B點的固體組成分別是FeO、Fe3O4中的一種。

（1）查閱資料發(fā)現(xiàn)，酒精燈加熱時玻璃管的受熱溫度是400-500°C，酒精噴燈加熱時玻璃管的受熱溫度是800-1200°C。實驗室要利用圖3來制取金屬鐵，儀器甲應選用的加熱儀器是（填“酒精燈”或“酒精噴燈”）;圖3裝置明顯存在的不足之處是。

（2）利用圖4顯示的相關信息，回答如下問題。

①在O～400℃溫度范圍內，管內固體質量不變，其原因是

。

②圖中x=__。

③試據(jù)圖計算并推斷A點固體的合理化學式__。

設計意圖：對煉鐵原理總結，操作流程反思，裝置的美化優(yōu)化創(chuàng)新，借助坐標數(shù)據(jù)，同步呈現(xiàn)生產(chǎn)實際，厘清可測量與目標量的量化關系，理解實驗原理，或從有關的數(shù)據(jù)坐標圖標中找出推論、分析、解釋結論所需的信息，綜合應用分析訓練評價，提升創(chuàng)新運用知識解決問題的能力。STEM項目化教學的質效，不僅體現(xiàn)在實驗操作過程中，實驗現(xiàn)象或實驗數(shù)據(jù)是化學原理的外在表現(xiàn)，要善于找出影響實驗成敗的關鍵以及產(chǎn)生誤差的原因;更體現(xiàn)在對收集的數(shù)據(jù)進行分析和解釋反思中。通過這種反饋，學生不斷調整認知，建立宏觀和微觀之間的交互認識，加深對概念的理解。培養(yǎng)凌駕于學科之上的未來職業(yè)和終身學習所需的能力和素養(yǎng)。

（指導老師：泰州市教育局教科所高興邦）