基于STEM理念的研究性學習設計

張世勇 彭雪麗 鐘輝生

摘要：基于STEM理念的研究性學習按照“確立課題，激活舊知”“項目探究，知識拓展”“項目實施，產品制作”“知識整合，作品設計”四項流程展開。以“乙醇”為例，圍繞“乙醇相關基礎知識”“白葡萄酒的檢測”“白葡萄酒的釀造”“設計一座酒莊”四項活動實施，培養學生運用化學、數學、生物、地理、環境學、工程學等相關知識分析問題、解決問題能力，為基于STEM理念的研究性學習實施提供參考。

關鍵詞：STEM理念;研究性學習;核心素養;乙醇

文章編號：1008-0546（2020）08-0067-06

中圖分類號：C632.41

文獻標識碼：B

doi： 10.3969/j.issn. 1008-0546.2020.08.019

STEM理念是科學（Science）、技術（Technology）、工程（Engineering）和數學（Mathematics）教育理念的簡稱，該理念旨將多門學科交叉融合成有機整體，促進學生獲取知識與技能的同時，提升應用知識解決問題的實踐能力和創新意識，形成STEM綜合素養[1]。21世紀以來，以美國、英國、德國為代表的發達國家，都從國家戰略高度制定了基于STEM的教育政策與措施。現今STEM教育在我國也進入蓬勃發展階段。但目前，我國仍然缺少有關STEM教育國家戰略高度的頂層設計，沒有專門設置STEM中學課程[2]。借鑒STEM教育已取得的成果[3]，將STEM理念與基礎教育新課程改革倡導的研究性學習相結合進行探索，為化學新課程的推動實施提供參考。

一、STEM理念下的研究性學習概述

研究性學習是在類似“科學研究”情境中和教師指導下，學生從社會生活自主挖掘研究問題、合作探究解決問題的過程中獲取新知并運用于實際問題[4]。STEM研究性學習活動以科學、技術、工程、數學知識為基礎，以項目和問題為主線進行。研究性學習的一般流程是：確立研究課題一設計實驗活動方案一討論優選實驗方案一實驗探究一確定結論。為了更好地將多門跨學科知識融人真實問題情境，解決現實問題，故將STEM研究性學習操作流程定為：“確立課題，激活舊知”“項目探究，知識拓展”“項目實施，產品制作”“知識整合，作品設計”四階段，如圖1所示：

1.確立研究課題：STEM教育以跨學科知識為載體，以科學知識、實踐技術、工程活動和數學運算為項目研究性學習的核心。教師通過創設情境，引發學生思考并提出問題，從而確立研究的課題。此階段注重學生已有知識經驗、引導學生回憶舊知，為后續項目活動提供基礎，啟發學生積極思考并發現問題，調動研究興趣，激發學習動機。

2.項目探究，知識拓展：進一步深入主題探究，拓展相關知識，為后續項目活動提供理論基礎。教師需要循序漸進引導學生思路、提供拓展知識材料，學生依據探究目的設計方案步驟。此階段注重對跨學科知識進行重組與運用。

3.項目實施，產品制作：該環節是STEM研究性學習的重要組成部分。在教師的指導下，學生自主有序地實施項目方案，運用科學、技術、工程和數學知識完成項目任務，注重培養學生研究問題能力，實踐動手技術。

4.知識整合，作品設計：STEM注重四門學科的交叉融合，在項目探究結束后，教師組織學生進行交流、發表、總結，學生將知識進行內化遷移，融會貫通。該階段注重對新知進行總結與整合，使知識真正地內化，能夠遷移到現實生活中解決問題。

二、“乙醇”教學設計案例

1.學情分析

“乙醇”是高中化學必修課程中概念原理類的內容，是高一年級學生所要學習的重點知識，本案例將乙醇與項目實踐相結合，在鞏固有機化學知識的同時，提升學生多方面素質能力。本課題適用于學習完新教材《必修二》有機化合物章節過后的學生，此時學生已經初步掌握烷烴、烯烴、醇、醛、酸、酯等有機物知識和一些基本化學操作，但還缺乏獨立進行方案設計和項目研究的實踐經歷，因此需要在教師指導下完成本次項目探究活動。

2.活動設計

（1）活動設計思路

本項目研究性學習活動流程設計圍繞“化學知識線”“問題線”“項目流程線”“學生主體線”而展開，切實體現STEM研究性學習的核心：以項目問題為主線，又突出學生主體性、尊重學生興趣、提供開放空間、強調師生共同發展。具體活動設計思路見圖2。

（2）活動設計說明

本項目研究性學習活動知識融合性強，設計實驗操作較多，貼近學生實際生活經驗，實用性廣，切實體現出研究性學習、STEM理念和化學核心素養，具體設計說明如圖3所示

3.教學目標與評價分析

高中化學新課程標準中要求課程設置應滿足學生多元化發展，課程內容要體現出基礎性和時代性，重視以“素養為本”的教學，因此本案例從四個項目內容展開，根據化學學科核心素養的內涵及其發展水平、高中化學課程目標、高中化學課程內容及學業質量要求，結合學生已有經驗、對教學目標和教學評價進行整體規劃和設計。具體教學目標與教學評價標準，見圖4。

4.教學過程

確立課題、激活舊知：乙醇相關基礎知識的學習

[教師]播放視頻“酒文化”，視頻中內容涉及生活中各類酒的簡單介紹以及歷史由來，激發起學生興趣，為引導學生回憶舊知識，隨后教師拋出一系列乙醇相關問題，見表1。

[學生]根據視頻總結酒產地分布特征;自行回憶已經學過有關乙醇的知識，在教師引導下根據結構決定性質，性質決定用途的化學思維，全面整理有關乙醇的知識框架，主要知識內容見表2，以小組為單位進行討論、分析酒中還有可能存在哪些物質。

[設計意圖]提出環環相扣有關“酒”的問題既有助于學生鞏固乙醇的性質又有利于激發學生興趣，同時問題4“酒中還可能存在那些物質？”引發學生深入思考，也為后繼探究做準備。該設計由與生活息息相關的“酒”引入學習主題，體現出STEM研究性學習中的情境性。

項目探究、拓展新知：白葡萄酒分析檢測

[教師]展示一款白葡萄酒酒，我們應該如何判斷這款酒的品質如何？其中含有哪些物質呢？請同學們檢驗這款酒的理化性質，并根據葡萄酒發酵過程以及所學的有機化合物知識來猜測并驗證這瓶白葡萄酒酒中含有哪些物質。

[學生]收集葡萄酒理化指標檢驗資料，一般葡萄酒理化檢驗包括酒精度檢驗、殘糖檢驗、酸度檢驗等[5]。經過討論推測葡萄酒發酵過程中存在以下化學變化：淀粉糖化產生葡萄糖，葡萄糖經發酵變為乙醇，醇氧化得到醛最后變成酸，酸可與醇反應生成酯[6]，由此得出葡萄酒中含有醇、醛、酸、酯，經查閱資料得知其中還含有酚類物質。

[學生活動]自行分為兩組對白葡萄酒進行理化檢測和官能團檢測，記錄分析數據，得出結論，并反思活動過程中存在的問題，最后對本次活動進行評價?；顒訉嵤﹫蟾?，見表3。

[設計意圖]學生自行根據研究興趣分組，更有利于激發學生主體性;在實驗過程中感受化學變化觀念與平衡思想;運用研究性學習的方式通過查閱書籍和網絡資料，先合理猜測可能具有的物質并設計實驗并進行驗證，將有機化學知識、實驗操作技術、數學計算等多學科融合，在拓展知識的同時解決問題并提升學生綜合素質。

項目實施，產品制作：白葡萄酒的釀造

[教師]播放視頻“葡萄酒工廠的釀酒操作流程”和“家庭中白葡萄酒釀造方法”激發學生想要自己動手釀造的欲望。

[教師布置任務]我們已近知道了如何檢測一款酒的質量，現在假如你是一名釀酒師，你將如何釀造一款品質優良的白葡萄酒呢？要求：酒體澄清，無明顯沉淀，有濃郁葡萄酒香氣，酒精度在8.5%-15%。

[學生活動]收集資料，設計并優選簡潔高效的釀造方案[7]，實施流程見表4。

[教師]對整個釀造過程及成品酒進行綜合評價.提出指導意見。

[設計意圖]學生通過視頻的觀看，激發了強烈動手操作的欲望。賦予學生釀酒工程師這一角色體驗，置身于真實的社會情境中進行STEM研究性學習，增強了學生對于知識的理解、運用和動手實踐能力。

知識整合，作品設計：設計一座酒莊

[教師]同學們釀造出來供大家品嘗的紅葡萄酒品質非常優秀，大家想不想為更多人送去這份醇香呢？中學生都充滿為社會做貢獻的雄心，回答是肯定的。

[教師布置任務]請同學們扮演一名酒莊設計師，綜合各因素設計一座集生產與旅游于一體的葡萄酒酒莊。

[學生活動]以小組為單位，代人角色綜合各方面因素進行設計[8]，實施流程見表5。

[學生]小組之間分享設計成果，進行交流研討。

[教師]綜合評估各小組方案合理性，指導學生進行優化。

[設計意圖]引導學生站在全局角度，對科學、技術、工程、數學四科知識進行融合，STEM教育理念下的跨學科合作。

教師組織學生以小組為單位，結合學習過程中的數據、圖表、方案等內容以PPT的形式進行成果匯報。匯報內容包括“乙醇相關基礎知識”“白葡萄酒的檢測”“白葡萄酒的釀造”“葡萄酒莊園設計”。匯報結束后組織學生進行互相評價，評價內容可從“跨學科知識運用”“動手實踐”“團結協作”“活動參與度”等多方面展開。最后教師總結評價各小組在項目活動中的表現，對學生的學習成果表示肯定及鼓勵。最后，回歸“乙醇”主題，表達化學是一門充滿神秘色彩、實用性很強的學科，它與社會發展以及人們生活質量的提高有著密切聯系，鼓勵同學們嚴謹求實、探索真知、崇尚真理，參與更多與化學有關的社會實踐活動。

三、結語

STEM教育作為一種跨學科學習模式在我國仍處于發展探索階段，STEM研究性學習更是將多學科知識與真實社會問題相結合的創新探索。以“乙醇”為主題展開STEM研究性學習，圍繞四項活動為線索，融合化學、數學、生物、地理、環境學等核心知識，運用多媒體技術、實驗技術、數學繪圖技術、釀造技術、設計原理技術等相關技術手段，培養學生綜合考慮問題的全局意識、節約資源的成本意識，可持續發展的責任意識。

STEM研究性學習為向導的跨學科整合項目設計中還存在著一些挑戰：一是如何挖掘各學科之間交叉融合內容，這對教師的STEM素養有一定要求;二是如何兼顧學生認知特點與項目活動特點，設計合適難度的主題內容，引起學生探究欲望;三是如何設計支架引導學生挖掘項目中所蘊含的跨學科知識，將STEM研究性學習理念充分融入教學過程;四是如何設計科學有效的評估體系對教學過程進行全面評估[9]。

參考文獻

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[5]劉偉，鐘奇，付偉，羅玲，劉旭，張鴻.海拔對美樂和赤霞珠葡萄酒中酚類物質含量、抗氧化活性及酯類香氣成分的影響[Jl.食品工業科技，2018，39（20）：47-54

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[7]張如意.新疆瑪納斯產區小芒森和貴人香混釀干白葡萄酒加工工藝及香氣成分分析[D].石河子：石河子大學，2019

[8]李俊菊，白曉娟.葡萄酒莊休閑旅游游憩地點開發因素的分析研究[J].釀酒科技，2019（9）：117-121，125

[9]盧苗苗，鄭雅君，占小紅.STEM教育理念在高中有機化學教學中的滲透——以“檸檬精油的提取工藝”為例[J].化學教學，2018（7）：45-50

本文系江西省高等學校教學改革研究課題“化學師范生實驗創新能力培養的研究與實踐”（JXJC-17-14-24），江西省學位與研究生教育教學改革研究項目“核心素養導向下教育碩士教學實踐創新能力培養研究”（JXYJC-2018-160）的階段性研究成果。