踐行STEM 理念下的實驗創新 推進學科融合教育

（江蘇省蘇州實驗中學，江蘇 蘇州 215000）

STEM 教育和學習理念的核心是基于項目和問題，融合多學科知識和方法，以工程設計為基石，學生用他們在科學、技術、數學各個領域的知識來解決真實世界中有意義的問題。學科融合是指承認學科差異的基礎上不斷打破學科邊界，促進學科間相互滲透、交叉的活動。筆者以STEM 理念為基石，以化學實驗創新為切入點，對學科融合教育做了一些實踐和思考。

一、學科融合的內涵和意義

學科融合是指承認學科差異的基礎上不斷打破學科邊界，促進學科間相互滲透、交叉的活動。學科融合既是學科發展的趨勢，也是產生創新性成果的重要途徑。就目前的學生學習和探究而言，沒有哪一項認知活動是單靠一門學科知識就能完成的。也就是說，學生的學習和認知是一項綜合性活動，需要多門類知識的參與，否則，這種認知多是片面的、淺薄的，無法走向豐富和深刻。由此可見，學科融合教育具有非常實際而深遠的意義。

二、STEM 理念為學科融合教育插上了騰飛的翅膀

STEM 教育和學習理念的核心是基于項目和問題，融合多學科知識和方法，以工程設計為基石，學生用他們在科學、技術、數學各個領域的知識來解決真實世界中有意義的問題。STEM 是分科的又是整合的還是延伸和擴展的，因此STEM 理念為學科融合教育提供了一種可操作的教育模式。依據STEM 理念，目前各個學校都在努力創設新型學習環境，積極建設綜合性教學平臺，這些平臺以改進課程內容實施方式為重點，以增強實踐認知和、學習能力為主線，以提高綜合素質為目標，促進學生在自主、合作、探究中提高學習效能，發掘學生的潛能特長。從這個意義上說，STEM 理念為學科融合教育插上了騰飛的翅膀。

三、以實驗創新為切入點的學科融合教育實踐

基于STEM 理念的創客教育是一種融合信息技術，秉承“開放創新、探究體驗”教育理念，以“創造中學”為主要學習方式和以培養各類創新型人才為目的的新型教育模式。然而一些學校在實際的操作中，只是將創客教育當成了創新、發明的另一種模式，并不是真正意義上的學科融合教育。為此，我們提出以高中實驗創新為切入點的融合教育方案。

（一）電化學實驗裝置的創新實踐

中學電化學部分不僅有一定的廣度,而且具有一定的深度，電化學部分內容占據教材很重要的地位。而電化學本身就是化學學科與物理學科的交叉內容，是中學化學的重點和難點。因此，對此電化學裝置的改進、創新，不僅能加深對物理、化學等學科內容的理解，也能在實踐過程中加強多學科間的融合。

1.傳統燃料電池的不足。傳統的裝置由燒杯和兩根石墨電極以及簡易的外圍電路構成，在實際操作中有以下不足：

（1）裝置簡陋，不易操作；

（2）氣體不能收集檢測；

（3）不能循環操作；

（4）發光二極管點亮時間太短只能1-2 秒。

2.多學科融合，改進方案的設計及研究策略。擬改進項：整體結構、增加燃料電池的電容量、氣體的收集及檢測改進方案及研究策略：

（1）整體結構：整體結構密閉、結構小巧，便于操作、電路固化，用選擇開關選擇電解或放電、用針筒實現溶液的添加或更換；融合學科涉及：3D打印技術、物理串并聯電路、結構學等等；

（2）增加燃料電池的電容量：電極材料的研究、電極間距的研究、電解電壓的選擇；融合學科涉及：電化學原理、物理電壓與電流；

（3）氣體的收集及檢測：密閉體系、氣體壓強將溶液壓回針筒；融合學科涉及：物理大氣壓原理、化學。

3.改進方案的原理及硬件設計結果。經過以上多學科的融合研究探索，最后設計出整體的設計方案原理圖以及實際改進實驗裝置如圖1 所示：

在電路設計上，用兩個選擇開關S1、S2 使電路簡潔易操作。撥動S1 可選擇是電解還是放電，撥動S2 可選擇放電時以LED 燈演示還是風扇演示。通過以上的設計，裝置外形小巧，易于操作，全密閉不泄漏，電容量比傳統裝置明顯增大，現象明顯且易于觀察，同時還可以反復實驗。

（二）中和熱測定裝置的創新實踐

中和熱測定是中學化學傳統的一個實驗，傳統的實驗裝置系統誤差和人為誤差都比較大。我校教師和學生組成的團隊以開發“智能化中和熱的測定裝置”作為研究性課題，進行學科融合教育的實踐。

1.傳統中和熱測定裝置的不足：中和熱測定裝置根據測定反應前后的溶液溫度差來計算中和反應過程中產生的熱量，該裝置對反應系統的隔熱有較高的要求，同時對溫度數據的精度有一定的要求，傳統的裝置有以下不足：

（1）由簡易的雙層燒杯做隔熱反應容器，熱量損失較大；

（2）整個裝置不密閉，在攪拌和加液過程中有熱量損失；

（3）溫度計精度不夠而且很難捕捉到反應最高溫度數據；

（4）簡易的攪拌器攪拌效果不佳。

2.多學科融合，改進方案的設計及研究策略。擬改進項包括：整體的反應系統結構、溶液混合方案、溫度測量方法、遠程控制及數據傳輸方法、數據處理與顯示方法等等。

改進方案及研究策略：

（1）整體的反應系統結構：由雙層真空隔熱保溫杯內嵌三層內筒構成，上部盛裝反應組分A，保溫杯下層盛放反應組分B，中部裝備微型控制電路及電源，下部裝備微型攪拌電機和溫度傳感器。融合學科涉及：3D 打印技術、數字建模、結構設計、物理熱傳導等等。

（2）溶液混合方案：由主控器控制導流閥，內筒上層反應組分A 經由導流閥與下層反應組分B 混合反應。融合學科涉及：化學、物理電磁感應、開源智能硬件Arduino 的開發應用。

（3）溫度測量方法：精密溫度傳感器與Arduino 主控器編程協作。融合學科涉及：開源電子平臺Arduino 的開發應用、傳感器技術。

（4）遠程控制及數據傳輸方法：主控器通過WiFi 模塊連接互聯網，并從服務器讀取溫度數據形成圖表。融合學科涉及：物聯網技術、數據傳輸基礎、C 語言編程。

3.改進方案的原理及硬件設計結果。經過以上多學科的融合研究探索，最后設計出整體的設計方案原理圖以及實際改進實驗裝置如圖2 所示：

該測定裝置完全摒棄了傳統的簡陋裝置，利用現代的物聯網技術、傳感器技術等，在密閉的保溫杯中實現了溶液的混合、攪拌、溫度數據傳輸以及遠程控制反應，使得操作更方便，數據更精確。

四、學科融合教育實踐后的反思

以上是我校研究性課題組在綜合實踐過程中的兩個典型的案例，我們立足現代STEM 教育理念，依托現代化的創客平臺，將理論轉化為現實，提高學生的綜合能力。因此，我們實踐的學科融合教育不是幾門相關學科的簡單拼湊，而是在深化主體學科內容的基礎上，為完成主體學科的具體任務，有目的有方向地進行融合學科的學習和探討，最終達到學科間有機的融合。當然學科融合教育還是一個新興的理念，要達到教育育人模式的完全轉型，廣大教育工作者任重而道遠！