基于STEM理念的化學(xué)教學(xué)模式的探究

鐘文莉 許應(yīng)華

摘要：基于STEM-SOS教學(xué)模式，建構(gòu)了STEM理念的化學(xué)教學(xué)模式。該模式以化學(xué)知識(shí)為基礎(chǔ)、融合計(jì)算機(jī)技術(shù)、工程和數(shù)學(xué)思想，以解決問題和完成人工作品為目標(biāo)。依據(jù)該模式，對(duì)初中化學(xué)“化學(xué)肥料”進(jìn)行教學(xué)設(shè)計(jì)，學(xué)生的活動(dòng)作品為“設(shè)計(jì)一個(gè)化肥查詢程序”。教學(xué)實(shí)踐表明，該活動(dòng)能培養(yǎng)學(xué)生解決實(shí)際問題的能力和合作的意識(shí)，提高學(xué)生化學(xué)學(xué)習(xí)興趣。

關(guān)鍵詞：STEM化學(xué)教學(xué)模式;教學(xué)設(shè)計(jì);化肥推薦譜

文章編號(hào)：1008-0546（2021）03-0055-04 中圖分類號(hào)：G632.41 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

doi：10.3969/j.issn.1008-0546.2021.03.013

STEM教育是當(dāng)前提倡的一種新的教育理念和模式，是一種重實(shí)踐、跨學(xué)科，區(qū)別于傳統(tǒng)的注重單一學(xué)科知識(shí)教學(xué)的教育概念。該模式的目標(biāo)是培養(yǎng)學(xué)生的STEM素養(yǎng)，即學(xué)生通過在真實(shí)項(xiàng)目中的實(shí)踐，從不同的學(xué)科和視角對(duì)一個(gè)科學(xué)現(xiàn)象進(jìn)行探索與思考，以提升科學(xué)素養(yǎng)、技術(shù)素養(yǎng)、工程素養(yǎng)和數(shù)學(xué)素養(yǎng)，以達(dá)到培養(yǎng)學(xué)生跨學(xué)科素養(yǎng)的目標(biāo)[1]。

化學(xué)是一門與社會(huì)、生活、技術(shù)密切相關(guān)的自然科學(xué)，在化學(xué)教學(xué)中融入STEM教育理念，能培養(yǎng)學(xué)生跨學(xué)科素養(yǎng)。初中化學(xué)“化學(xué)肥料”是與學(xué)生自身生活緊密相關(guān)的內(nèi)容，由于視角不同，教師對(duì)該教學(xué)內(nèi)容的設(shè)計(jì)也不一樣，如潘程從STS理念出發(fā)對(duì)該內(nèi)容的傳統(tǒng)教學(xué)方案和STS的教學(xué)進(jìn)行了對(duì)比設(shè)計(jì)[2]，朱紛從落實(shí)三維目標(biāo)角度出發(fā)設(shè)計(jì)了該內(nèi)容[3]，當(dāng)前還沒有發(fā)現(xiàn)從STEM理念出發(fā)對(duì)初中階段該課程內(nèi)容進(jìn)行教學(xué)設(shè)計(jì)的研究。

一、基于STEM理念的化學(xué)教學(xué)模式

根據(jù)STEM教育理念，教育研究者開發(fā)出多種教學(xué)模式，不同的教學(xué)模式有不同的特點(diǎn)，針對(duì)的學(xué)科和教學(xué)內(nèi)容也不相同。

LSTEM-SOS教學(xué)模式

在眾多STEM教學(xué)模式中，STEM-SOS教學(xué)模式具有流程清晰，易操作，適合化學(xué)學(xué)科等特點(diǎn)，其發(fā)源地為哈莫尼公立學(xué)校（Harmony public school，簡稱HPS）。STEM-SOS模式的核心是基于項(xiàng)目的學(xué)習(xí)（PBL），其基本操作流程如下[4]。

這個(gè)教學(xué)模式嚴(yán)謹(jǐn)、跨學(xué)科、以教師引導(dǎo)，學(xué)生為中心，通過一系列的探究活動(dòng)完成項(xiàng)目任務(wù)，學(xué)生在此過程中能力、品行都得到發(fā)展。該模式包括五個(gè)階段，其步驟如下：（1）選擇項(xiàng)目階段。選擇項(xiàng)目是學(xué)習(xí)的起點(diǎn)和關(guān)鍵。STEM-SOS模式將項(xiàng)目分為Ⅰ級(jí)項(xiàng)目、Ⅱ級(jí)項(xiàng)目和Ⅲ級(jí)項(xiàng)目三個(gè)難度級(jí)別，課程規(guī)定所有學(xué)生必須在完成Ⅰ級(jí)項(xiàng)目（必要項(xiàng)目）后，才能進(jìn)入Ⅱ級(jí)項(xiàng)目（拓展項(xiàng)目），繼而是更高一級(jí)的Ⅲ級(jí)項(xiàng)目[5]。（2）分析研究問題階段。在選擇項(xiàng)目之后，必須對(duì)項(xiàng)目進(jìn)行分析研究，即完成該項(xiàng)目需要解決哪些問題，為探究提供方向指導(dǎo)。（3）探究解決方案階段。該階段以解決上述問題為目的，收集資料，提出各種方案，并針對(duì)問題整合出可行性方案，完成項(xiàng)目。問題是否能解決、項(xiàng)目能否完成的關(guān)鍵取決于這個(gè)階段。（4）展示研究結(jié)果階段。該階段就是將探究成果公之于眾，為后續(xù)的反思提供意見和指導(dǎo)。（5）評(píng)價(jià)和反思階段。為檢驗(yàn)項(xiàng)目的完成情況和探究的結(jié)果，需要對(duì)整個(gè)過程進(jìn)行價(jià)值判斷，即評(píng)價(jià)反思。學(xué)生可以反思整個(gè)學(xué)習(xí)過程，也可以根據(jù)他人的建議對(duì)項(xiàng)目解決過程進(jìn)行改進(jìn)，進(jìn)而形成更合理的方案。

2.基于STEM理念的化學(xué)教學(xué)模式的建構(gòu)

經(jīng)過對(duì)STEM-SOS教學(xué)模式的分析，發(fā)現(xiàn)其探究性、協(xié)作性的特點(diǎn)可適用于中學(xué)化學(xué)教學(xué)。因此，以哈莫尼公立學(xué)校的STEM-SOS教學(xué)模式為基礎(chǔ)，結(jié)合STEM教育的跨學(xué)科整合特征，即從解決問題或進(jìn)入項(xiàng)目開始，到找到解決方案或者完成一件“人工制品”，建構(gòu)了基于STEM理念的化學(xué)教學(xué)模式，如圖2。

該教學(xué)模式主要分為“情景引入”“獲得化學(xué)知識(shí)”“工程化設(shè)計(jì)”“展示評(píng)價(jià)”“測試改進(jìn)”等5個(gè)階段。各階段操作如下。

（1）情景引入。首先為學(xué)生創(chuàng)造一個(gè)真實(shí)的、具有實(shí)際意義的問題情景，來激發(fā)學(xué)生化學(xué)學(xué)習(xí)的興趣。“化學(xué)肥料”的教學(xué)情境，可以利用湖南衛(wèi)視“向往的生活”將學(xué)生帶入到化肥與生活的主題中，以激發(fā)學(xué)生的探究欲望，為后面的學(xué)習(xí)建立基礎(chǔ)。再提出根據(jù)作物病癥設(shè)計(jì)化肥推薦譜的任務(wù)，有利于學(xué)生明確研究問題，以便為下一步的工程設(shè)計(jì)做鋪墊。

（2）獲得化學(xué)知識(shí)。工程化設(shè)計(jì)和人工智能就是基于基礎(chǔ)知識(shí)進(jìn)行構(gòu)建、擴(kuò)充和完善，因此，獲得知識(shí)是基礎(chǔ)。這些知識(shí)可以是從書本、網(wǎng)絡(luò)信息、專家教師等多種途徑間接獲得。對(duì)于初中生來說，最常用的方式就是從教師或書本中獲得知識(shí)。

（3）工程化設(shè)計(jì)。工程化設(shè)計(jì)是多學(xué)科融合的有效紐帶，是以科學(xué)原理為基礎(chǔ)、以技術(shù)手段、數(shù)學(xué)方法為解決實(shí)際問題的根本途徑。為得到最終的“人工制品”，讓學(xué)生自己動(dòng)手進(jìn)行設(shè)計(jì)、建造，完成一件“人工制品”。在此過程中，學(xué)生需要繪制設(shè)計(jì)圖，有能力者可以自己建造產(chǎn)品，從而提升學(xué)生的工程素養(yǎng)。如果學(xué)生無法自己建造“人工制品”，可尋求他人協(xié)助。在這個(gè)階段，當(dāng)學(xué)生面臨設(shè)計(jì)瓶頸時(shí)，教師要給予引導(dǎo)，同時(shí)也要提示學(xué)生設(shè)計(jì)的完整性和美觀性，避免設(shè)計(jì)偏離學(xué)習(xí)目標(biāo)。

（4）展示評(píng)價(jià)。產(chǎn)品展示分為原型設(shè)計(jì)圖展示和模型展示。原型設(shè)計(jì)圖展示是設(shè)計(jì)者根據(jù)一定的知識(shí)和要求設(shè)計(jì)出產(chǎn)品圖，然后對(duì)設(shè)計(jì)圖的流程，預(yù)想功能進(jìn)行闡述。模型展示是將設(shè)計(jì)成果轉(zhuǎn)變成真實(shí)可操作的產(chǎn)品，并且對(duì)產(chǎn)品的外觀、實(shí)際操作等做出詳細(xì)的展示，讓別人了解設(shè)計(jì)成果。在操作展示過程中去收集他人對(duì)產(chǎn)品的價(jià)值判斷和優(yōu)劣評(píng)價(jià)，進(jìn)而判斷上述得到的初步“人工制品”是否可行。

（5）測試改進(jìn)。為檢驗(yàn)“人工制品”是否達(dá)到目標(biāo)，需要通過測試去發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)的不足并反思。通過相互分享，吸收不同同伴的優(yōu)點(diǎn)，發(fā)現(xiàn)新的問題，改進(jìn)自己的設(shè)計(jì)。工程設(shè)計(jì)就是這樣一個(gè)不斷設(shè)計(jì)、操作測試、發(fā)現(xiàn)、改進(jìn)問題的一個(gè)過程。

二、化學(xué)肥料的STEM的化學(xué)教學(xué)設(shè)計(jì)

1.設(shè)計(jì)準(zhǔn)備

（1）教材分析

九年義務(wù)教育化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)對(duì)本部分內(nèi)容的教學(xué)要求多屬于“知道川了解”的層次。該部分的化學(xué)知識(shí)和生產(chǎn)生活密切相關(guān)，教師應(yīng)避免單純知識(shí)介紹的講授式教學(xué)。如果能結(jié)合數(shù)學(xué)、計(jì)算機(jī)軟件等知識(shí)將本節(jié)內(nèi)容應(yīng)用于學(xué)生的生活實(shí)踐，那么學(xué)生更能體會(huì)化學(xué)在生活中的作用，能更好地培養(yǎng)學(xué)生對(duì)化學(xué)的熱愛。

（2）學(xué)情分析

學(xué)生在生活中已經(jīng)了解過化肥的相關(guān)內(nèi)容，有一定的基礎(chǔ)，但本課題側(cè)重讓學(xué)生了解化肥的應(yīng)用以及掌握不同化肥鑒別，從而完成本課的學(xué)習(xí)。這個(gè)階段的學(xué)生對(duì)計(jì)算機(jī)的熱情比較高，同時(shí)具有較強(qiáng)的動(dòng)手能力和求知欲，把化學(xué)知識(shí)與信息技術(shù)結(jié)合在一起，可以將枯燥的科學(xué)知識(shí)生活化，利于學(xué)生知識(shí)的掌握。因此通過該STEM課程學(xué)生更能體會(huì)社會(huì)、生活、化學(xué)之間的聯(lián)系，活學(xué)活用化學(xué)知識(shí)，提高化學(xué)學(xué)習(xí)興趣。

2.設(shè)計(jì)思路

根據(jù)STEM教育理念，將化學(xué)知識(shí)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、工程設(shè)計(jì)和數(shù)學(xué)四者結(jié)合起來設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)思路如圖3所示。首先是創(chuàng)設(shè)情景，學(xué)生帶著問題學(xué)習(xí)化學(xué)和其他相關(guān)知識(shí)，體現(xiàn)STEM的S（Science）。接著，學(xué)生查找不同化肥的作用和性質(zhì)，對(duì)軟件進(jìn)行設(shè)計(jì)。依據(jù)教師的講解和自己的創(chuàng)新完成設(shè)計(jì)圖，展示交流，體現(xiàn)工程層面E（Engineering）。然后，師生根據(jù)設(shè)計(jì)的軟件圖，共同開發(fā)軟件，或者可以運(yùn)用現(xiàn)成的相關(guān)軟件，進(jìn)行改進(jìn)，體現(xiàn)工程技術(shù)T（Technology）。最后，為完善化肥推薦譜的設(shè)計(jì)，借助數(shù)學(xué)統(tǒng)計(jì)、數(shù)據(jù)分析、計(jì)算來完成定量化肥的設(shè)計(jì)，體現(xiàn)數(shù)學(xué)的應(yīng)用M（Mathematics）。

3.教學(xué)過程

（1）情景引入

教師活動(dòng)：最近湖南衛(wèi)視的“向往的生活”節(jié)目讓明星們?nèi)サ睫r(nóng)村過一種自給自足的生活，他們自己種植農(nóng)作物，體驗(yàn)農(nóng)民伯伯們的生活。在種植的過程中他們犯難了，有的作物葉片發(fā)黃，有的伏倒，于是他們給作物施加了化肥，那么究竟該施加哪一種化肥呢？

設(shè)計(jì)意圖：明星效應(yīng)引入課題，激發(fā)學(xué)習(xí)興趣，明確本節(jié)課的研究問題是化肥與生活。

（2）化學(xué)知識(shí)（Science）的學(xué)習(xí)

教師提問：生活中的化肥種類有很多，其性質(zhì)也有所不同，而這些化肥中有鉀肥、氮肥、磷肥和復(fù)合肥四大類。（1）這四大類化肥分別含有哪些化合物呢？它們的作用又是什么？（2）使用這些化肥的利弊是什么？（3）使用不同類型化肥的時(shí)候應(yīng)該注意什么？（4）如果這些化肥混合在一起，我們該怎么去區(qū)分？

學(xué)生活動(dòng)：閱讀教材回答問題，查找資料，總結(jié)歸納形成答案。

設(shè)計(jì)意圖：引導(dǎo)學(xué)生在已有知識(shí)和生活經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上探索。通過物質(zhì)的分類，讓學(xué)生形成物質(zhì)分類意識(shí)，培養(yǎng)宏觀辨識(shí)的學(xué)科素養(yǎng)。通過閱讀教材，提取相關(guān)信息，培養(yǎng)學(xué)生總結(jié)、歸納、提取信息的能力。用問題激發(fā)思考，學(xué)生自己努力找到的答案更能加深印象，便于記憶。小組分工合作培養(yǎng)學(xué)生的交流溝通能力和合作意識(shí)。

歸納總結(jié)：教師引導(dǎo)學(xué)生用思維導(dǎo)圖列出化肥的種類、存在、作用，如圖4。

設(shè)計(jì)意圖：以思維導(dǎo)圖的形式加深印象，使得零散的知識(shí)系統(tǒng)化，便于理解記憶，為后面化肥推薦軟件的制作做鋪墊。

（3）工程化的設(shè)計(jì)

根據(jù)“向往的生活”節(jié)目組遇到的問題，如何設(shè)計(jì)一個(gè)化肥管理軟件來幫助他們呢？如何快速尋找不同化肥的性質(zhì)，以及針對(duì)不同作物的化肥推薦？設(shè)計(jì)一個(gè)能夠快速查詢的界面或軟件。

設(shè)計(jì)意圖：通過情景提出問題，更具有真實(shí)感，讓學(xué)生明確工程設(shè)計(jì)的任務(wù)。

設(shè)計(jì)提示：教師講解查詢界面的設(shè)計(jì)（Engineer-ing的實(shí)現(xiàn)）。

①確定作物信息和癥狀。

②查詢不同化肥的性質(zhì)。

③選擇不同種類的化肥，出現(xiàn)不同作物的化肥推薦。

④優(yōu)化化肥推薦譜和軟件，豐富軟件的功能。

設(shè)計(jì)意圖：引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行工程設(shè)計(jì)，在本階段，學(xué)生運(yùn)用STEM中的科學(xué)知識(shí)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、工程思想和數(shù)學(xué)統(tǒng)計(jì)分析，進(jìn)行化肥譜編制，小組合作解決問題。在進(jìn)行化肥譜規(guī)劃過程中，更能快速掌握化肥與生產(chǎn)生活的關(guān)系。

（4）展示評(píng)價(jià)

教師展示原型設(shè)計(jì)圖（Technology的應(yīng)用）：打開軟件，設(shè)置作物信息，點(diǎn)擊確定，了解各種化肥的性質(zhì)，如圖5。

彈出不同化肥的性質(zhì)表作為參照，選擇化肥類別，出現(xiàn)化肥推薦譜，如圖6所示。

設(shè)計(jì)意圖：體現(xiàn)STEM中的技術(shù)方面，學(xué)生真正地動(dòng)手操作，體會(huì)科學(xué)與技術(shù)的關(guān)聯(lián)，通過操作發(fā)現(xiàn)問題，進(jìn)行改進(jìn)。計(jì)算機(jī)軟件輔助技術(shù)可以節(jié)約我們制定計(jì)劃的時(shí)間，并且精確、科學(xué)。軟件操作對(duì)于學(xué)生來說是一個(gè)新鮮事物，所以需要教師先進(jìn)行演示。

（5）測試改進(jìn)，反思問題

學(xué)生提問：前面設(shè)計(jì)的軟件僅僅是定性的推薦化肥而沒有定量，如何做到定量的推薦呢？即如何在限定面積，規(guī)定作物，給出化肥準(zhǔn)確的量呢？

【實(shí)例】在小麥生長過程中發(fā)現(xiàn)小麥植株矮小，葉片發(fā)黃，該癥狀說明小麥需要含氮元素的化肥。根據(jù)小麥生長所需要的肥料需求來看，每畝需要施純氮10公斤，根據(jù)計(jì)算公式：化肥質(zhì)量=作物所需元素分量÷化肥中所含該元素的比重。尿素含氮量為46%，則每畝小麥實(shí)際需要尿素的質(zhì)量為=10÷46%=22公斤。碳酸氫銨含氮量為17%，每畝小麥實(shí)際需要碳酸氫銨的質(zhì)量為10÷17%=60公斤。復(fù)合肥中含氮量為15%，則每畝小麥實(shí)際需要復(fù)合化肥的質(zhì)量為=10÷15%=66.67公斤。因此，化肥推薦為（1）施加22公斤尿素;（2）施加66公斤碳酸氫銨;（3）施加66.67公斤復(fù)合肥。

設(shè)計(jì)意圖：通過定量問題的設(shè)計(jì)，將數(shù)學(xué)知識(shí)和化學(xué)結(jié)合起來。通過教師舉的實(shí)例使學(xué)生理解如何進(jìn)行定量化肥的制作。通過計(jì)算、再設(shè)計(jì)、再操作，學(xué)生建立S-T-E-M的聯(lián)系，促進(jìn)對(duì)STEM教育的深層理解，培養(yǎng)STEM素養(yǎng)。

4.教學(xué)設(shè)計(jì)反思

讓學(xué)生做到學(xué)以致用，解決生活中的問題，培養(yǎng)創(chuàng)新意識(shí)是化學(xué)教學(xué)的目標(biāo)，STEM教育理念下的項(xiàng)目教學(xué)能有效實(shí)現(xiàn)該目標(biāo)。為此，我們采用STEM教育模式對(duì)“化學(xué)肥料”進(jìn)行教學(xué)設(shè)計(jì)，并實(shí)施。教師在教學(xué)活動(dòng)中，滲入計(jì)算機(jī)技術(shù)，數(shù)學(xué)知識(shí)，讓學(xué)生展示自己的設(shè)計(jì)成果，根據(jù)自己的意愿來設(shè)計(jì)、開發(fā)。學(xué)生在教學(xué)中需要完成一件人工制品，即“化肥推薦查詢軟件”，該作品以化學(xué)知識(shí)為基礎(chǔ)，融合農(nóng)學(xué)，計(jì)算機(jī)科學(xué)，數(shù)學(xué)而設(shè)計(jì)。教學(xué)實(shí)踐證明，該教學(xué)設(shè)計(jì)能激發(fā)學(xué)生的化學(xué)學(xué)習(xí)興趣，提高學(xué)生綜合應(yīng)用知識(shí)解決現(xiàn)實(shí)生活問題的能力，學(xué)生也真實(shí)感受科學(xué)和技術(shù)的魅力。

該教學(xué)模式也可以應(yīng)用于其他與學(xué)生生活相關(guān)的教學(xué)設(shè)計(jì)，例如“人類重要的營養(yǎng)物質(zhì)”“化學(xué)元素與人體健康”等內(nèi)容，可以說，此教學(xué)模式非常實(shí)用。

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*本文系重慶市高等教育教學(xué)改革重點(diǎn)項(xiàng)目“基于學(xué)科核心素養(yǎng)的卓越化學(xué)教師培養(yǎng)模式的探索”（編號(hào)：182013）階段性研究成果;重慶師范大學(xué)——重慶市大學(xué)城第一中學(xué)校教育碩士研究生聯(lián)合培養(yǎng)基地成果。

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