基于STEM教育理念的“四線五階”課堂模式的教學設計

張子豪 胡俊平

摘 要：作為教育界廣泛關注的熱門話題，STEM教育被世界各國的教育行業和領域所廣泛認可。本課題以培養學生核心素養為目標，把“四線五階”的課堂模式融入到高中化學反應速率的教學設計之中，以大象牙膏探究實驗為例，幫助學生樹立宏觀辨識與微觀探析等核心素養激發起學生對化學的學習好感，讓化學學科核心素養融入到課堂教學中。

關鍵詞：STEM教育;高中化學;教學設計

一、STEM教育理念

國外關于STEM的教育理念的探索和研究比較早，STEM的教育最初起源于美國， 我國在STEM教育方面雖然起步較晚，但是我國從根本上認識到STEM教育教學理念的重要性后，在高校、教育行政管理部門、社會組織等都廣泛地參與了進來，開發整合STEM相關學科的課題項目和教學資源，深化了STEM課程綜合化的覆蓋范圍和水平，促進了我國STEM相關學科課題教育的的發展[1]， 使我國在STEM教育方面取得突飛猛進。

綜上所述，各個國家都認為課堂不應該單單的給學生傳授知識，而是讓學生把知識與生活相聯系，STEM這一教育理念就運用各個學科的知識，讓學生學會運用知識學會解決問題。

二、“四線五階”課堂模式

“呈現事實，感知模型”是基于真實情境，從學生日常生活經驗和已經學過的知識出發，感知概念模型的事實基礎，“分析推理，假設模型”是從幾個事實出發，以分析和推理的思維方式提煉出幾個事實之間的共性特征，從而大致能假設科學概念模型，“實驗論證，驗證模型”是利用實驗等活動，以實證的技術手段進行科學概念模型的驗證，構建概念內涵中核心進階變量關系，“分析評估，完善模型”是通過對概念的進一步分析和評估，從本質上揭示科學概念中各要素和變量之間的聯系，特別是變量之間的“自變”和“共變”關系，從而進一步完善概念模型，“遷移預測，應用模型”是以概念模型來解釋和預測新情境中的新問題，需要把新建構的科學概念融入整個學科觀念之中[8]。科學概念建構的“四線”是情境線、問題線、活動線和目標線[8]。

三、設計實踐

選于高中化學選修四“化學反應原理” （人教版）第2單元“化學反應速率和化學平衡”課題二“影響化學反應速率的因素”。“化學反應原理”中學生較難掌握的一個部分。“化學反應速率和化學平衡”為我們后面學習電離平衡和溶解平衡打下基礎[2]。“化學反應速率和化學平衡”在每年高考生命題的重要性熱點，一般在化學第十題分值大約在14分左右。可見化學反應速率對高中生的高考復習是很重要的。本節課將面對的是高二的學生，他們已經經過了初中一年和高中一年的化學學習具備了一定的化學基礎知識，一定的實驗操作能力，會觀察實驗現象并分析歸納實驗的能力，采用合適的實驗可以調動學生對化學學習的積極性，并且在必修2中學生已經學習過基本的知識，本節課將在必修2的基礎上更加深入的學習。本節課要達到以下的教學目標：1.通過學習了解化學反應速率的概念以及影響化學反應速率的因素。2.通過探究實驗學會控制變量的實驗方法，能基本分析化學實驗。3.培養對實驗的觀察、分析討論的能力。基于以上的教學目標結合STEM教育理念和“四線五階”課堂模式完成了化學反應速率的教學設計。

1.呈現事實，感知模型

（1）師生活動

展示“水溶洞、煙花綻放”兩幅圖片通過鮮明的圖片，引起學生的興趣;通過兩者的對比引出化學反應有快有慢，那么化學反應快慢又用什么表示？如何定義的？以及定義式是什么？請同學們閱讀課本找出答案，并推導出化學反應速率的單位是如何得出的。

（2）設計意圖

直接講解化學反應速率的定義以及表示方法太枯燥乏味，引用鮮明的圖片來吸引學生的注意力，引出化學反應速率的相關知識，為下面影響化學反應速率的因素做鋪墊。激發學生的學習興趣，有利于提高課堂效率。

2.分析推理，假設模型

（1）師生活動

展示“鋼鐵生銹、廢氣處理、塑料分解”三幅圖片。引出人們有時希望化學反應是快速的，有時卻想化學反應是緩慢的，可是又該如何控制化學反應速率呢？控制化學反應的速率要知道有哪些因素可以影響化學反應速率，這樣才能控制化學反應速率。請學生通過討論說出實際生活中有哪些因素可以影響化學反應速率，并列舉出例子。

（2）設計意圖

通過學生已有的生活經驗推出有哪些因素可以影響化學反應速率，將學生已有的經驗與所學的知識相聯系，加深學生的印象。

3.實驗論證，驗證模型

（1）師生活動

以上的幾個因素是否真的可以對化學反應速率有影響，只有通過實驗根據實驗現象才能證實，實驗具體方案如下。

①5%過氧化氫5mL + 碘化鉀 2mL + 洗潔精1mL（常溫）

②15%過氧化氫5mL + 碘化鉀 2mL + 洗潔精1mL（常溫）

③30%過氧化氫5mL + 碘化鉀 2mL + 洗潔精1mL（常溫）

④15%過氧化氫5mL+ 碘化鉀 2mL + 洗潔精1mL（55℃）

⑤15%過氧化氫5mL + 碘化鉀 2mL + 洗潔精1mL（95℃）

⑥15%過氧化氫5mL + 高錳酸鉀2mL + 洗潔精1mL（常溫）

請同學分析這六個實驗怎么分組進行探究實驗，最終分成三組實驗，觀察實驗現象，第一組實驗是實驗①②③，探究濃度的影響，實驗現象（見圖4.4探究溫度現象）;第二組實驗是實驗①④⑤，探究溫度的影響，實驗現象（見圖4.5探究溫度現象）;第三組實驗是實驗②⑥，探究催化劑的影響，實驗現象（見圖4.6探究催化劑現象），并分析實驗結果，得出可以影響化學反應速率的因素。

（2）設計意圖

通過實驗探究得出實驗結論，實驗視頻可以吸引學生的注意力，直觀的實驗現象不僅通過事實詮釋了實驗結果也加深學生對知識的理解和印象。學生自己分析實驗加上教師引導得出的結論，這樣可以培養學生分析實驗能力，加深了學生對知識的印象，教師的及時引導可以發現學生的問題時可以及時指出。

4.分析評估，完善模型

（1）師生活動

通過提出問題，引出化學反應本質，提出問題：是否發生碰撞就一定會發生反應？接著通過類比投籃，解釋化學反應的微觀現象，并解釋有效碰撞、活化能、活化分子、反應熱的概念[9]。通過反應過程-能量的圖像來解釋活化能、反應熱以及活化分子與反應速率之間的關系。

（2）設計意圖

提出問題，引起學生興趣，引發學生思考。通過類比，解釋微觀現象更通俗易懂，使學生更容易理解微觀解釋。通過圖像來解釋各個反應的概念，更加直觀，學生更容易接受。

5.遷移預測，應用模型

（1）師生活動

首先回歸之前的問題，請學生思考如何解決鋼鐵生銹、廢氣處理、塑料分解的現象。其次為教師選擇一些有針對性的題目讓學生自主練習。

（2）設計意圖

讓學生嘗試解決實際問題，培養在實際生活中遇到可以聯系到所學知識。適量的習題可以鞏固學生所學知識，讓學生掌握的更加牢固，及時的復習可以減少知識的遺忘。

四、教學反思

本節課用圖片展示及關鍵問題提問來吸引學生的注意力，從而使學生有更高的積極性參與到課堂當中。學生將已有的知識和將要學習的知識進行聯系，并通過實驗進行探究，觀察到了直觀現象，進一步證實了影響化學反應速率的因素，又通過類比的方法從本質上分析為什么會影響化學反應，使宏觀與微觀相結合，通過圖像來解釋各個反應的概念，更加直觀，學生更容易接受，并且進一步使學生了解化學反應速率，課后通過練習鞏固知識。

對于本論文的教學研究，首先從分析什么是STEM教育理念、基于STEM教育的教學目標、本著“四線五階”課堂模式的教學思路以及具體實施流程等四個方面出發。選取的課例也是教育教學中的重點，較切近生活并且可操作性強，也符合當地教育的實際教學。本節課中學生也可自行設計探究實驗方案，條件允許的情況下，可以讓每個學生證實自己的方案是否可行，由于暫時條件有限，本節課我采用了視頻演示實驗。

“化學反應速率”是化學原理這部分在高考中是非常重要的內容， 該節課在傳統的課堂模式中內容抽象而枯燥，知識點之間環環相扣，而每個知識點的邏輯性強。大多數學生在學習本節課時，枯燥乏味，不易理解知識，更不知道如何運用知識。而基于STEM教育理念下“四線五階”課堂模式下的“化學反應速率”這節課，首先通過聯系學生的實際生活，引入課堂環境當中，接著通過創新實驗，最終得出影響化學反應速率的結果，最后再回歸實際生活當中。這樣不僅可以加深學生對知識的印象，還可以鍛煉學生的思維模式。

參考文獻

[1]楊亞平.整合性STEM教育理念下工程類高職數學教學模式的建構[D].上海：華東師范大學，2016.

[2]劉娟娟.“化學反應速率和化學平衡”學習難點成因分析與教學策略研究[D].武漢：華中師范大學，2013.

[3]龍威.“化學反應速率的影響因素”的突破與提高[J].數理化解題研究，2017（04）：82-83.

[4]宋巧穎. 基于STEM教育理念的中學化學教學設計與實踐[D].閩南師范大學，2018.