基于STEM理念的初中化學主題式教學設計

陸萍 周春露

摘要：實驗室制備二氧化碳后，在廢物缸中有不少的殘留物，其中的固體顆粒的成份是什么？液體的成份是什么？通 過設計教學過程，利用常規實驗和數字化實驗探究固體和液體成分，揭曉實驗室“廢液、廢渣”的成分，進而討論“廢液、廢渣”的處理方法，培養環保意識和社會責任擔當意識。

關鍵詞： STEM理念;數字化實驗;實驗探究;責任擔當

文章編號：1008-0546（2022）05-0038-04中圖分類號：G632.41文獻標識碼： B

doi：10.3969/j.issn.1008-0546.2022.05.008

一、教學分析

1.課標分析

化學課程標準要求學生能夠通過親身體驗科學探究活動過程，激發學習化學的興趣，增進對科學的情感，學習科學探究的基本方法，初步形成科學探究能力，并發展科學素養。

2.學情分析

在前面的學習中，同學們已經學習了滬教版九年級化學所有新知識。熟悉CO2的主要性質和用途，會用實驗方法在實驗室制備 CO2，初步了解自然界中的碳平衡，能用學過的知識來解釋人呼出的氣體中CO2 的相對含量與空氣中CO2的相對含量有差異的原因，但缺乏綜合分析和評價的能力，還未能構建化學學科大概念，更多的問題還停留在識記性的層面，質疑能力還較薄弱，環境保護意識和社會責任擔當意識還有待進一步培養。

3.教學目標

①通過設計實驗并動手操作來探究實驗室制備二氧化碳后的固液混合物的成分，小結梳理碳酸鹽和酸性物質的檢驗，培養學生設計實驗方案的能力和規范的動手操作能力。

②通過觀察殘液成分探究的實驗現象，分析數字化實驗中溶液pH 和生成CO2濃度的變化的“即時”成像，增強對宏觀、微觀、符號和曲線四重表征的化學學科特色的理解。

③利用數字化實驗和傳統實驗的融合，讓同學們體驗實驗探究的樂趣，激發他們學習化學的興趣和探究熱情，學會用實驗探究來解決實際問題，并基于證據進行科學推理的方法。

④通過對實驗室“三廢”處理方法的討論，理解化學與社會、技術和環境的關系，培養責任擔當意識。了解科學和技術的結合，促進了社會發展和社會文明，從而培養科學素養。

4.學習重點、難點

在任務驅動下學會設計、優化和實施方案。

從微觀角度解釋宏觀現象，落實化學課程核心素養，構建化學學科大概念，如分類觀、變化觀、反應限度觀。

5.教學方法

創設情境法、直觀演示法、探究法、討論法。

二、教學過程

【教師活動】展示燒杯中殘留物。

問題一：同學們，這是你們在實驗室中制備二氧化碳后殘留的物質，殘留的固體和液體分別含有哪些物質呢？實驗后我們可不可以直接倒入水池中？

教學片斷一（見表1）：

【教師活動】用鑷子從殘留物中取出一小粒固體。

問題二：同學們，既然你們猜想固體中有碳酸鈣的存在，最有說服力的方法當然是實驗，所以我們還是設計實驗來進行探究吧，如何來進行呢？

教學片斷二（見表2）：

【教師活動】從殘留物中倒出液體試劑。

問題三：通過剛才的實驗我們已經得出固體中含有碳酸鈣，殘留的液體中是不是真的像我們的猜想一樣，不含有鹽酸呢？還是讓實驗來說話吧！

教學片斷三（見表3）：

【教師活動】繼續從殘留物中倒出液體試劑。

問題四：剛才的實驗中我們已經得出殘留的液體中含有鹽酸，該液體中還有其它物質嗎？如何設計實驗來以證明呢？

教學片斷四（見表4）：

【教師活動】分析以上的探究結論你有哪些想法？這樣的想法與今天開始本節課時你的想法是一致的嗎？

【學生活動】（在教師的引導下有下列想法），這樣的想法與開始上課的想法有所不同。

1.今天上課前我們認為殘留物中觀察不到明顯現象，因此碳酸鈣和鹽酸兩種物質中只能剩余一種，而通過實驗我們可以看出殘留物中有碳酸鈣，也有稀鹽酸。

2.向氯化鈣和稀鹽酸的混合物中滴加碳酸鈉溶液時，開始加入的少量的碳酸鈉先與混合物中的稀鹽酸反應，觀察不到明顯的白色沉淀，當鹽酸反應后溶液中的氯化鈣與碳酸鈉發生反應。

3.傳統實驗與數字化實驗結合后，可以進行實驗數據的實時采集與分析，可以替代人工采集數據的模式，給化學實驗帶來巨大的變化。

問題五：殘留物中有碳酸鈣，也有鹽酸，為什么看不到氣泡呢？是本來就不產生氣泡還是產生太少，以致于我們觀察不到明顯現象呢？如果不產生氣泡，是什么原因呢？是因為酸的濃度太小嗎？我們可不可以用實驗來加以證明呢？

教學片斷五見表5：

三、教學流程圖

見圖1。

四、教學效果與教學反思

進行本課題的教學設計時，我是基于這樣的幾點想法：

“格雷特·亞克門提出STEM教育的教學不以傳授知識為主要任務，而以培養學生的問題解決能力和創新能力為目標”[3]。基于此，這節課我利用實驗室殘留物的真實情境，設計了問題鏈驅動學生活動，學生解決真實問題的能力在不斷地猜想、設計方案、遴選、優化并實施方案、搜集證據、分析并得出結論的過程中得以螺旋式提升。

“學習者的態度比他存儲在大腦中的很快就貶值的事實性知識更重要”“知識必須是‘可降解的’”[4]。在觀察不到明顯氣泡后的固液混合物體系中同時驗證到CaCO3和稀鹽酸，以及用對比實驗證明由于鹽酸濃度降低了，雖然肉眼觀察不到氣泡，但 CaCO3和稀鹽酸確實在緩慢地反應，這一次次的“認知沖突”，都使得學生的知識得以先“解構”再“重構”，學會用批判的眼光看待知識。

知識不能固化，思維不能僵化。那我是不是也可以引導學生從其他影響反應速率的因素繼續進行探究呢？如果將殘留固體粉碎，或將反應體系升高溫度，是不是反應速率也可以加快，證明 CaCO3和稀鹽酸在發生反應？除了可以驗證鹽酸的消耗，是不是也可以測定一段時間后固體的減少或二氧化碳濃度的增加來證明呢？筆者將會把這些問題的探究作為這個主題教學的補充和延續，也是筆者在后續教學中需要繼續深入探究的問題。

通過學習如何處理實驗室“三廢”，同學們增強了責任擔當意識和環保意識，認識到地球是我們目前賴以生存的唯一宜居星球，有毒有害物質不應該成為我們對大自然的回饋，保護環境，保護家園，就是在保護我們自己。

參考文獻

[1]中華人民共和國教育部，《義務教育化學課程標準（2011年版）》[S].北京：北京師范大學出版社，2012.

[2]馬宏佳.化學數字化實驗的理論與實踐[M].北京：人民教育出版社，2016：10.

[3]鄭葳.中國 STEAM 教育發展報告[M].北京：科學出版社，2017：131.

[4]安德烈·焦爾當，杭零譯.學習的本質[M].上海：華東師范大學出版社，2015：176.