基于STEM的教學方案設計

摘要：STEM 教育是整合科學、技術、工程、數學等多方面的教育，自美國提出后在國際上也具有一定影響。本文以人教版《化學反應原理》中“原電池”教學為例，探究原電池的形成原理，讓同學們深入了解多種多樣的化學電源，并將 STEM 教育思想理念融入化學課程教學設計中，培養學生運用多種學科知識，提高解決問題和分析問題的能力。

關鍵詞：STEM 教育;化學教學;教學設計

STEM是學、技術、工程以及數學相關的所有領域的交叉融合、他甚至與心理學、社會學和政治學有關，是一個偏向于理工科目教學的多學科交叉融合課程。2015年美國頒布了《STEM Education Act of 2015》，即從立法的角度保障了STEM教育法的實施，隨著近年來的經濟全球化，我國也越來越重視STEM的教育。

一、設計理念

（一）化學STEM教育

在化學教育中，化學不僅可以和物理、生物、數學等學科融合，也可以和地理學科進行融合。化學在日常生活中與人們的生產、生活息息相關，是材料科學、能源科學、環境科學、生命科學以及信息技術等科學技術的的基礎學科。而這些科學技術的基礎內容也同時體現在中學物理、生物以及地理的課程中。

例如，化學和物理的交叉內容即在能量轉化過程中所涉及到的熱能、氫能、化學能等，以及各種新穎的原電池、燃料電池和太陽能電池也是屬于化學和物理的交叉內容。同時也是開發新型環保能源轉化技術和裝置的熱點領域[1]。

（一）原電池設計理念

原電池是高中化學所要學習的重要內容，主要內容包括構成原電池的基本要素、化學能與電能的相互轉化、正負極判斷以及和生活息息相關的燃料電池。隨著科技的高速發展，電池與生物燃料的結合勢在必行，所以生物燃料電池也是學生需要掌握的內容，這就需要學生有相關的生物基礎知識。且在整個原電池的授課中，要求學生能夠掌握相應的數學計算的基礎知識以便于計算原電池中的電子轉移數目。在本節的授課內容中完全體現了化學與數學、物理、生物學科的融合，同時可以結合社會的生產實際進行授課讓學生自己動手設計原電池，形成一定的科學素養，以此來培養學生的科技創新能力和工程思想。

（二）教學目標

（一）教學目標

1.通過對設計原電池裝置必要性的論證，提升學生將化學知識應用于生產和生活的社會責任感，并逐步形成綠色化學觀念。

2.通過對設計原電池裝置可行性的論證，加深對氧化還原反應本質的理解，并能從多角度分析和利用化學反應中的能量變化。

3.通過對原電池形成條件的探究，鍛煉學生的探究能力，并且深化學生對化學實驗“提出假設一實驗證實或證偽- +發現新問題-提出新假設-→得出結論”研究模式的認識，加強實驗探究能力。知道可以通過分析、推理、實驗等方法認識氧化還原反應的本質特征、原電池的構成要素及其相互關系，建立認知模型。

（二）教學重、難點

1.重點：理解氧化還原反應與原電池原理之間的關系，了解原電池的形成條件，分析簡單原電池形成的原理

2.難點：原電池裝置的設計

（三）教學資源

多媒體;有關原電池發展的化學史;現有市面上汽車所用的新型電池;鋅片;銅片;稀硫酸;

（四）課時規劃

本節內容共分為一課時，先介紹原電池并讓同學們親手設計制作原電池，從中了解原電池的構成要素、工作原理。再通過學生搜集資料、整理并講述現代原電池的種類，了解現代生產生生活中原電池的工作狀況從而更好的融合各學科以及化學與社會之間的知識。

（五）教學過程

（一）情境引入

【教師活動】有一部電影描述了沒有電之后的生活。那么同學們你們想象一下沒有電之后的生活么？

【學生活動】想象沒有電之后的生活：不能看電視，不能聽音樂，不能上網，不能打電話，不能用家里的各種電子產品，如微波爐、電冰箱、電飯煲、空調以及電燈，飛機火車停止運行，不能用電梯，商場超市將停止運作，無法收銀

【教師活動】通過學生們的回答我們知道，在現代社會中沒有電我們將寸步難行。點的使用早就已經進入了我們生活的每一個角落。火力發電由于原料來源豐富，建廠占地面積較小，成本和技術要求都比較低，所以在我國仍然占有總發電量的60%以上。那么同學再次思考一個問題，在火力發電過程中化學能是如何轉化成電能的呢？

【展示】PPT展示活力發電廠的工作原理示意圖，請同學們根據圖示，分析并回答其中所發生的能量轉換。

【學生活動】化學能轉化為熱能，熱能轉化為機械能，機械能轉化為電能。

【教師活動】通過同學們的分析可以知道，由化學能轉化為電能的過程中經歷的很多的環節。那么每一個環節都能實現能量的100%轉化么？

【學生活動】不能，因為每一個轉化的環節都會有大量的能量損耗

【教師活動】實際上，我國目前的火力發電中，能源的有效利用率僅僅在30%～40%之間。同時，作為火力發電的主要物質—煤，是一種不可再生能源，總會有用完的一天，因此我們應該思考一下以下問題：1.能不能減少中間的能量轉化環節 ，將化學能直接轉化為電能？2.能不能找到一類物質來代煤進行發電？

【學生活動】進入情境，分組討論，思考化學能直接轉化為化學能的可能性

（二）問題導入

【教師活動】我們能不能利用某一類反應將化學能直接轉化為電能？如果可以，該反應屬于哪一類反應？

教師觀察學生情況給予適當的提示：

1.根據我們初中所學習的物理知識思考電流產生的實質是什么？

2.我們已經學過化學反應都哪些類型，不同類型的化學反應的特點是什么？

3.哪一類反應最有可能實現將化學能轉化為電能的設想？

部分學生可能會認為離子反應可以直接將化學能轉化為電能，因為離子反應中有陰陽離子，他們可以起到導電的作用。此時教師要做適當的引導，讓學生認識到電流的產生是因為帶電粒子的定向移動，但是離子反應中的離子的移動柜一般是沒有規律的，是不定向的。由此可以讓學生認識到只有氧化還原反應才有可能被設計成原電池。

【學生活動】根據教師的提示思考，交流后得出結論：如果想要產生電能就需要產生電流，而想要產生電流就需要帶電粒子的定向移動，根據學生以前所學習過的化學反應中，氧化還原反應都具有這一類特征，電子定向的從還原劑轉移至氧化劑。

【教師活動】演示鋅粒與稀硫酸的反應，提問學生們是否觀察到電流產生？為什么？

【學生活動】只有無色氣體產生。沒有觀察到電流的產生，因為電子是要在導線上進行定向移動的，所以電流也應該在導線上產生，而老師所做的實驗中并沒有外電路所以沒有電路產生。

（三）實驗探究

【教師活動】通過同學們剛才的分析，我們知道化學能轉化為電能會有電流產生，但是剛才的實驗中我們并沒有觀察到電流。那么我們如何檢測反應中有沒有電流產生呢？請同學們以反應Zn + 2H+ =Zn2++H2↑。為學生提供鋅片、銅片、碳棒、稀硫酸、燒杯、導線、靈敏電流表。

【學生活動】思考交流之后畫出不同的裝置簡圖，并用實驗驗證。匯報實驗事實。

【教師活動】通過實驗我們知道使用鋅片，銅片（碳棒）和稀硫酸等可以形成原電池。但是剛才大家所設計的實驗裝置中，不是所有的裝置都產生了電流，這說明原電池的形成是需要一定的條件的。請大家分析剛才的裝置，分析原電池的形成都需要哪些條件。

【學生活動】分析交流討論后回答：原電池的形成需要閉合回路。

【教師活動】電極材料除了鋅、銅和碳棒以外是否還可以是別的材料？反應溶液除了稀硫酸之外是否可以是別的液體？請同學們設計實驗方案，探究原電池形成的其他條件。繪制表格，記錄學生匯報的實驗信息，詢問選擇該實驗藥品以及設計該原電池的理由。

【學生活動】設計并實施實驗，整理、記錄實驗信息并匯報。

【教師活動】根據學生的匯報，用電子表格的形式篩選整理實驗信息，并由同學對剛才產生電流和未產生電流的裝置進行對比分析，總結形成原電池的其他條件

【學生活動】根據匯總的實驗信息總結形成原電池的其他條件。即有自發進行的氧化還原反應和正負極材料。

【教師活動】我們已經設計出了完整的可以產生電流的原電池裝置，成功實現了化學能向電能的直接轉化。那么原電池是如何實現這一轉變的呢？以鋅銅原電池為例，指出反應的正負極，并分析兩電極上肯=可能發生的化學反應并嘗試寫出兩極的電極反應式。

【學生活動】討論交流并分析原電池的工作原理，書寫電極反應式。

負極Zn ： Zn -2e-=Zn2+

正極Cu ：2H++2e-=H2↑

【教師活動】分析Zn - C - CuSO4原電池中，正極上可能出現的實驗現象。

【學生活動】碳棒上附著一層紅色金屬

（四）課后思考

【教師活動】原電池裝置給我們的生活帶來了巨大的便利，也為我們研究氧化還原反應提供了重要的研究手段。我們生活中的大量化學電源就是以原電池為雛形的。那么從簡單的原電池到各種各樣的化學電源，我們還有多遠的路要走呢？請大家選擇一種或幾種自己感興趣的化學電源，查閱相關資料，了解其中的化學原理。

【學生活動】查閱資料，了解一種或者多種化學電源的工作原理。

參考文獻：

[1]劉麗.融合STEM教育理念的初中化學教學設計與應用研究[D].青島大學，2020.

[2]周軍燕.基于STEM理念的化學概念思維教學案例的比較分析[D].華中師范大學，2020.

作者簡介：趙偉怡，1998.01.21，女，漢，黑龍江省哈爾濱市，碩士研究生在讀，研究方向：中學化學教育。