基于STEM理念的化學項目式教學設計和實踐

摘要：項目學習是一種教與學的新模式，基于真實情境中問題的生成和解決，STEM理念的融合于教學能夠促進學生在真實世界中探究發現，通過課例研究分析項目式教學的設計和實踐，化學文化、化學史的融入其中能夠更好提升學生的科學素養。

關鍵詞：STEM；項目式教學；燃燒；問題解決

文章編號：1008-0546（2021）10-0060-03中圖分類號：G632.41文獻標識碼：B

doi：10.3969/j.issn.1008-0546.2021.10.014

*江蘇省中小學教學研究室基礎教育課程教學改革重大項目《化學文化觀照下的江蘇地方教材的開發研究》（編號：2015jssjys-20）成果之一）。

基于項目的學習（Project-based，PBL）又稱項目化學習，“PBL”可定義成一個使用各類探究性和挑戰性問題來刺激學生掌握和改善各類技能的擴展學習過程。學科項目化學習的提出，運用項目化學習的方式來達到強化學科學習和促進學生學會學習，培養學生創造性、批判性為目的。STEM教育是以Science（科學）、Technology（技術）、Enginering（工程）和Mathe？ matics（數學）為主的創新教育課程，它不是四類學科的簡單組合，而是通過跨學科方式綜合多學科的相關知識。

基于項目的學習是以學科的概念和原理為中心，STEM教育理念與學科教學融合，凸顯在真實世界中借助多種資源開展探究活動，并在一定時間內解決系列相互關聯著的問題的一種新型的探究性學習模式，不僅培養學生創新實踐能力，還發展學生的批判性思維、創造力，協作能力及強有力的口頭和書面交流技能[1]。本文以上教版“常見的化學反應——燃燒”為例來剖析項目式化學教學的應用。

一、項目式教學課例分析和設計

1.課例的選擇

“常見的化學反應——燃燒”蘊含著科學史、探究實驗、等方面的教學內容，涉及化學、物理學科內容，是便于開展項目式教學，深化STEM教育理念的選題。通過項目化學習來聚焦概念性知識，學生正確理解燃燒，意味著他不僅知道定義還能理解燃燒的特點，運用概念來分析新的情境。概念性知識超越了事實層面，指向思維，促進各種事實性知識的整合。

通過本課例擬實現的目標：

（1）搜集有關燃燒理論的化學史料，培養學生分析、整合信息的能力；

（2）學會探究實驗的設計，掌握探究的方法，發展科學思維、方法論；

（3）認識到隨著技術進步，科學理論是不斷發展的，培養批判性思維。

2.本課例項目學習的主線：

①前置任務資料收集②關于“燃燒”的提問③探究實驗活動④燃燒的拓展認識⑤反思與評價

3.項目前置任務的設計

項目的前置任務通過文獻法收集資料：火藥的發現、燃素說的興衰、燃燒理論發展等。

（1）化學文化的滲透：火藥的是中國的煉丹士發明的，然后用于軍事再傳向西方，在《美國大百科全書》寫道：中國文明與其他的文明世界擴大了交流，歐洲從中國獲得了黑火藥、印刷術和指南針，如果沒有這些就沒有歐洲人后來在海上的擴張。這證明了火藥源起中國，但是近代中國科技發展的滯后，激發學生學科學、愛科學、用科學的熱情。

（2）回顧化學史培養批判思維

1703年德國施塔爾燃素說1771瑞典舍勒實驗制得“火氣”（氧氣）1774年英國普利斯特里制得“脫燃素空氣”（氧氣）1777年拉瓦錫提出燃燒的氧化說，近代燃燒理論發展涉及到數學、物理、化學、熱力學、傳熱學、流體力學等學科。

燃燒是一種急速、劇烈的發光發熱的化學反應過程。學生對燃燒的認識源于生活中的觀察其中有著認知誤區，閱讀化學史了解科學家認知燃燒的曲折過程，科學理論是進化發展的，懷疑和批判精神對于科學發展恰恰是不可或缺的，有利于學生樹立正確的科學觀、世界觀和方法論。

二、項目式教學實踐過程和反思

1.創設情境，激發學生問題

提問者不僅是教師，更多應是學生。如何教會學生提問，讓提問成為學生進行思考和交流的方式，將會促進學生高階思維能力的發展。創設學習情境，讓學生來提出真正的問題。思維固化是影響學生思維發展的主要原因，學生習慣于“被問”，通過一組提問的起始詞來幫助學生觀察事物、產生聯想，催生出更多問題（表1）[2]。

2.問題驅動下的探究活動

項目學習的主線是指向核心知識的，問題解決驅動著學習進展，由學生主動發現問題、篩選、歸納問題，教師要在教學中引導學生關注本質問題，它是指向學科核心，體現化學概念、規律和原理的問題[3]。

（1）探究實驗：燃燒的條件

學習內容一般以學科邏輯為順序，現在遵循學生的認知發現來探究問題，更好激發學生的學習。學習任務設計圍繞著本節的核心問題，學生在真實的情境中去解決復雜的、具有挑戰性的問題，他們需要探討解決方案，考慮實驗是否具有操作性。

探究實驗：白磷和紅磷的對照組實驗（圖1）。

學生們討論交流各組方案，從操作和比較評估方案，

方案1操作簡單，但是污染空氣；方案2從安全性角度考慮，白磷燃燒放熱試管塞會沖出；。在分享交流中激發出更多創新方案，比如方案2可在試管上方套一個氣球，防止空氣污染；方案3中白磷放置在水中，試管倒扣在白磷上方，生成五氧化二磷白煙被水吸收，方案4同理。

實驗過程中學生們發現方案3實驗成功率不高，白磷在熱水中熔化容易散開，方案4用氣唧鼓氣，漏斗開口大效果較好。

反思：本實驗不僅探究燃燒的兩個條件，而且也回答了學生提問：燃燒都需要點燃嗎？顯然只有溫度達到可燃物的著火點即可。在親歷實驗中感知問題、修正方案，培養歸納和反思能力。

（2）探究實驗：長短蠟燭熄滅問題

探究實驗：點燃的長短蠟燭分別放置在燒杯中和鐘罩中（體積大于燒杯），如圖2、圖3。

學生提出猜想：

①短蠟燭先熄，生成二氧化碳密度大于空氣，聚集在底部；

②長蠟燭先熄，氧氣耗盡。

實驗結果：圖2長蠟燭先熄滅，圖3短蠟燭熄滅

解釋：由于燒杯杯內上部空氣受熱膨脹，氣體密度變小，氧氣量不足。體積大的鐘罩則主要是生成二氧化碳集聚在底部。

反思：本實驗涉及到物理、化學知識的應用，條件改變實驗結果發生變化，引導學生思考在化學領域里量變引起質變的例子，比如碳在氧氣充分條件下生成二氧化碳，不足的條件下生成一氧化碳等等，培養學生辯證思維能力。

3.跨越200年的“蠟燭之問”

科學進步改變著人類認識世界的角度和方式，從燃素論的誕生到推翻都說明技術進步推動著科學的發展。1860年科學家法拉第開設了著名講座“蠟燭的故事”，他以蠟燭燃燒為題提出系列問題，其中有：火焰的不同部位溫度相同嗎？蠟燭火焰形狀是什么樣的？為什么呈這個形狀？

學生的蠟燭之問：為什么要用外焰加熱？為什么酒精燈燃燒時，燈芯不會被燒掉？蠟燭火焰為什么是水滴狀？離開地球燃燒會是什么樣？

實驗：用數字探頭測定酒精燈的三層火焰溫度實驗結果如圖4。

解釋：查閱資料得到棉布的燃點：495℃，如圖所示酒精燈焰心溫度是低于500℃，因為燈芯處于焰心部分沒有達到燃點。

視頻資料：微重力條件下的燃燒（圖5，源自美國NASA官網發布）

解釋：法拉第對于火焰的形狀解釋是對流將火焰拉成長橢圓形，火焰的顏色與火焰的溫度以及火焰中的固體顆粒有關。視頻解說是這樣的，地球上淚滴形狀相似的火焰是由重力引起的。熱空氣升起并吸引新鮮、涼爽的空氣，這被稱為浮力。在微重力下，火焰燃燒的方式不同，它們組成小球體。當它們需要更多的燃料時，火焰球會大大膨脹，讓氧氣來到它們身邊。

學生們驚奇地發現自己的許多提問與兩百多年前的法拉第“不謀而合”，1860年的科技水平是相當低的，對很多現象僅僅是停留在宏觀描述的層面，但是法拉第已經能夠對蠟燭燃燒做出這么多的闡述，還是證明了這位科學家非凡的洞察力。隨著技術的日新月異，我們對燃燒的認識逐漸深入，燃燒是一種復雜的物理化學現象：流動，傳熱，傳質和反應的相互作用。燃燒學的進一步發展將與湍流理論、多相流體力學、輻射傳熱學和復雜反應的化學動力學等學科的發展相互滲透、相互促進。

項目學習的評價具有以始為終逆向設計的特點，項目評價是持續、過程性的。從提問開始，學生的提問單都屬于過程性評價。以小組為單位，每個項目組的計劃、資源包、調查記錄及作品都上傳至網絡平臺，學生能夠留言評論，各小組在互動互評中汲取經驗不斷進步。

STEM教育提倡跨學科融合，化學項目式教學也需要不拘泥于學科本身，應當面對真實問題。學生不僅在探究實驗中去發現問題、解決問題，而且回眸化學史，重溫科學家探索過程同樣能夠得到啟發，科學的發展之路是曲折的、螺旋上升的。項目學習并非是偏向于拓展，同樣需要聚焦學科核心知識、本質問題。項目學習強調生成與體驗，基于真實問題的提出、解決，學生將生活的體驗和所具備的知識進行加工和重組，在學習中不斷生成知識，豐富的體驗是促進學生積極主動學習的動力。

參考文獻

[1]夏雪梅.項目化學習設計[M].北京：教育科學出版社2019

[2]卡洛·凱什蘭，桑迪·茲萬.會問才會學習[M].戴華鵬，王婷婷，王唯真，譯.重慶：西南師范大學出版社，2017

[3]邱激揚.項目學習模式下初中化學校本課程的設計和應用[J].化學教與學，2017（2）：27-28