基于STEM理念的高中化學(xué)命題導(dǎo)向與教學(xué)改進(jìn)

林海龍

摘 ? 要：選取STEM理念相關(guān)的化學(xué)試題作為落腳點(diǎn)，直觀分析化學(xué)試題考查指向、教育立意和發(fā)展趨勢(shì)，進(jìn)而反饋化學(xué)教學(xué)，推動(dòng)化學(xué)課堂教學(xué)改進(jìn)，探究STEM理念的教學(xué)模式，以期提高高中化學(xué)的教學(xué)質(zhì)量。

關(guān)鍵詞：STEM教育；STEM立意；化學(xué)命題；教學(xué)改進(jìn)

2014年，教育部發(fā)布的《關(guān)于普通高中學(xué)業(yè)水平考試的實(shí)施意見(jiàn)》指出：學(xué)業(yè)水平考試命題應(yīng)緊密聯(lián)系社會(huì)實(shí)際與學(xué)生生活經(jīng)驗(yàn)，在全面考核學(xué)生基礎(chǔ)知識(shí)和基本技能的基礎(chǔ)上，注重加強(qiáng)對(duì)能力的考查，促進(jìn)高中改進(jìn)教學(xué)，促進(jìn)學(xué)生發(fā)展學(xué)科興趣與個(gè)性特長(zhǎng)，健康成長(zhǎng)。而隨著STEM教育在全球各地的迅速發(fā)展，基于化學(xué)學(xué)科的實(shí)驗(yàn)探究和學(xué)科融合的特點(diǎn)，適合在化學(xué)教學(xué)中融入并運(yùn)用STEM教育理念。融合科學(xué)、技術(shù)、數(shù)學(xué)、工程于一體的STEM教育，可有效依托真實(shí)生活情境，促使學(xué)生解決實(shí)際問(wèn)題，幫助學(xué)生達(dá)成知識(shí)再現(xiàn)、內(nèi)容聯(lián)結(jié)、知識(shí)應(yīng)用和鞏固。在以學(xué)生為發(fā)展主體的學(xué)科核心素養(yǎng)的導(dǎo)向下深化課程改革和課程評(píng)價(jià)，也推動(dòng)了STEM立意的高中化學(xué)命題在課程評(píng)價(jià)中落地生根，且越發(fā)重要和關(guān)鍵。

本文以高中化學(xué)教學(xué)中的練習(xí)素材為基礎(chǔ)，選取與STEM結(jié)合相對(duì)密切的試題，綜合分析其考查指向、教育立意和發(fā)展趨勢(shì)，探尋高中化學(xué)教學(xué)的改進(jìn)方向和策略。

1 ?基于STEM理念的高中化學(xué)命題導(dǎo)向

STEM立意的高中化學(xué)試題可以分布在選擇題、填空題、問(wèn)答題、工業(yè)流程題、實(shí)驗(yàn)探究題、綜合題等多種題型中，其中以選擇題，填空題、綜合題居多。該類(lèi)化學(xué)試題滿足跨學(xué)科知識(shí)表征需要，可綜合考查學(xué)生獲取信息、原理遷移、邏輯推理、設(shè)計(jì)創(chuàng)造、概括表達(dá)等能力，便于設(shè)定分析評(píng)價(jià)指標(biāo)，促進(jìn)教學(xué)評(píng)一體化。

1.1 ?選擇題

例1 成語(yǔ)是中華民族燦爛文化的瑰寶，許多成語(yǔ)中蘊(yùn)含豐富的化學(xué)原理，下列成語(yǔ)中涉及氧化還原反應(yīng)的是（ ? ? ?）

A.木已成舟 B.蠟炬成灰 C.鐵杵成針 D.滴水成冰

【分析】 語(yǔ)文思維解決化學(xué)氧化還原問(wèn)題，既要解讀成語(yǔ)內(nèi)容，又要明確氧化還原反應(yīng)的特征是有元素化合價(jià)變化，屬于常識(shí)積累，進(jìn)而可以判斷A、C、D均為物理變化，B屬于燃燒反應(yīng)，氧氣從0價(jià)變成氧化物中的-2價(jià)，有價(jià)態(tài)變化，答案為B。

例2 ?南粵地區(qū)有很多國(guó)家級(jí)非物質(zhì)文化遺產(chǎn)，如廣東粵繡、剪紙、香云紗染整技藝和潮汕工夫茶藝等。下列說(shuō)法不正確的是（ ? ?）

A. 制作粵繡的材料——植物纖維布含有天然高分子化合物；B. 廣東剪紙?jiān)谄洳眉舻倪^(guò)程中不涉及化學(xué)變化；C.香云紗染整技藝過(guò)程去除絲膠所用的“純堿水溶液”屬于純凈物；D.沖泡茶葉時(shí)，茶香四溢，說(shuō)明分子是運(yùn)動(dòng)的。

【分析】 ?真實(shí)情境多學(xué)科思維解決實(shí)際生活問(wèn)題，B選項(xiàng)剪紙涉及藝術(shù)（Art），剪裁紙片為物理變化，B正確；D選項(xiàng)以茶文化為背景，考查化學(xué)及物理中分子熱運(yùn)動(dòng)知識(shí)，D正確。A、C涉及輕工業(yè)，化學(xué)與生活密切聯(lián)系，激發(fā)學(xué)生對(duì)化學(xué)學(xué)科的社會(huì)認(rèn)可度。經(jīng)分析，溶液屬于混合物，非純凈物，考查物質(zhì)分類(lèi)，錯(cuò)誤的為C。

例3 ?CuCl2溶液呈黃綠色，主要原因是溶液中存在黃綠色的[CuCl4]2-。現(xiàn)有深藍(lán)色的[Cu（NH3）4]SO4溶液，向其中加入少量的濃鹽酸，得到綠色溶液，則該綠色溶液中主要存在的離子是（ ? ）

正確選項(xiàng)：[Cu（H2O）4] 2+、[CuCl4]2-、NH4+、SO42-。

【分析】 ?該題為化學(xué)與物理、美學(xué)相結(jié)合的題目，首先利用配位化學(xué)，分析濃鹽酸的加入，會(huì)將[Cu（NH3）4] 2+中的NH3消耗，進(jìn)而Cu2+與Cl-配位形成黃色的[CuCl4]2-，Cu2+與H2O結(jié)合形成藍(lán)色的[Cu（H2O）4] 2+，再根據(jù)物理或美術(shù)中的三原色，黃藍(lán)混合形成綠色溶液，可選出正確選項(xiàng)。該題雖沒(méi)有明顯的STEM立意，卻也恰到好處的實(shí)現(xiàn)跨學(xué)科知識(shí)的交叉考察，同時(shí)將化學(xué)實(shí)驗(yàn)生動(dòng)地在文字中呈現(xiàn)，加以美學(xué)、物理等多元色彩，無(wú)形中增加題目的趣味性，將科學(xué)的魅力盡可能展示，考察的形式在選擇的基礎(chǔ)上還具備探究性，在思考的維度上也有一定深度，符合STEM的內(nèi)涵，也是STEM立意化學(xué)試題的考察方向。

1.2 ?填空題

外出旅行時(shí)，有一種“即食即熱型快餐”非常便攜方便。該快餐的內(nèi)層是鋁箔包裹的并加工好的真空包裝食品，外層則為分開(kāi)包裝的兩袋化學(xué)物質(zhì)，在使用時(shí)只需拉動(dòng)預(yù)留在外的拉線，就可以使得兩袋物質(zhì)發(fā)生反應(yīng)，對(duì)食物進(jìn)行加熱，完成自熱過(guò)程。

（1）“兩包化學(xué)物質(zhì)”你認(rèn)為是哪一組？

A.生石灰和水 ?B.Ba（OH）2·8H2O與氯化銨晶體

（2）寫(xiě)出生石灰和水的化學(xué)反應(yīng)方程式： ? ? ? ? ；反應(yīng)物的總能量 ? ? ?生成物總能量（填“大于”“等于”“小于”），你能用反應(yīng)過(guò)程與能量變化關(guān)系示意圖來(lái)表示嗎？該反應(yīng)屬于化合反應(yīng)，那么化合反應(yīng)一定是放熱反應(yīng)嗎？

（3）為什么生石灰和水反應(yīng)會(huì)伴隨能量變化？

【分析】 ?本題選取學(xué)生熟悉的生活實(shí)例“自熱快餐”作為情境背景，考察學(xué)生對(duì)吸放熱反應(yīng)原理的理解、解釋與運(yùn)用。（1）中A為放熱反應(yīng)，B為吸熱反應(yīng)，對(duì)比發(fā)現(xiàn)自熱快餐需要的能量來(lái)源于A。題目巧妙地涉及社會(huì)民生食品問(wèn)題，又普及化學(xué)科技，且在題目（2）設(shè)置時(shí)還讓學(xué)生運(yùn)用數(shù)學(xué)思維，采取圖示表示能量變化，構(gòu)建STEM解題框架。該類(lèi)試題可以在題目信息中強(qiáng)調(diào)化學(xué)在生活生產(chǎn)中發(fā)揮的作用，有利于學(xué)生更為深刻地去理解化學(xué)與生活技術(shù)之間的關(guān)系，培養(yǎng)學(xué)生養(yǎng)成關(guān)心生活、學(xué)以致用的意識(shí)和能力。

1.3 ?綜合題

地質(zhì)學(xué)家曾于1911年在南極偶然發(fā)現(xiàn)了“血瀑布”，這條宛如鮮血般紅色的瀑布經(jīng)泰勒冰川流入麥克默多干河谷，當(dāng)時(shí)地質(zhì)學(xué)家認(rèn)為瀑布里的“血液”是被紅藻染紅了，后來(lái)被證實(shí)“血瀑布”形成的原因與化學(xué)息息相關(guān)。原來(lái)，瀑布液體中富含鐵元素，當(dāng)鐵元素接觸到空氣之后，會(huì)迅速被氧化為氧化鐵，就變成了我們所看到的血紅色。

（1）Fe3O4可以看成FeO·Fe2O3，屬于_______（填“純凈物”或“混合物”），寫(xiě)出其于鹽酸反應(yīng)的離子方程式____________________ 。

【分析】 ?從地理范疇科普化學(xué)常識(shí)，題目以“血瀑布”為背景展開(kāi)對(duì)鐵元素知識(shí)的考察，涉及范圍由宏觀現(xiàn)象推及微觀反應(yīng)，考察Fe3O4物質(zhì)類(lèi)別的同時(shí)還要求學(xué)生書(shū)寫(xiě)離子方程式，一題涉及多學(xué)科知識(shí)，在接下來(lái)的系列問(wèn)題中實(shí)現(xiàn)多種考察角度，既可以加深題目深度，拓寬題目寬度，又可以多方面評(píng)價(jià)學(xué)生思維，題目的科學(xué)性躍然紙上。

（2）含鐵元素的高鐵酸鹽在能源和環(huán)保等方面有著廣泛的用途。

I 高鐵酸鉀（K2FeO4）在日常生活生產(chǎn)中是一種理想的水處理劑，并且高鐵電池的科學(xué)研究也在進(jìn)行中，圖1為高鐵電池的模擬實(shí)驗(yàn)裝置。

①該電池放電時(shí)正極的電極反應(yīng)式為_(kāi)____________ ? ? ? ；若該電池維持電流強(qiáng)度為1A，工作時(shí)間為10 min，理論上電池消耗Zn的質(zhì)量為_(kāi)______g（已知F=96500 C／mol）。

②鹽橋里面是盛有飽和KC1溶液瓊脂，在該鹽橋中Cl-向_____________ ? ? ?移動(dòng)（填“左”或“右”）；如果改用陽(yáng)離子交換膜代替鹽橋進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，則K+向_____________ ?移動(dòng)（填“左”或“右”）。

【分析】：題目設(shè)置再次實(shí)現(xiàn)跨學(xué)科知識(shí)交叉考察。題干涉及電池科技，說(shuō)明化學(xué)科技在社會(huì)發(fā)展中的重要作用，考察電化學(xué)內(nèi)容，其中包括電極反應(yīng)式和離子在溶液中的移動(dòng)方向，同時(shí)涉及物理電流計(jì)算，數(shù)學(xué)思維、物理思維關(guān)聯(lián)化學(xué)反應(yīng)中電子轉(zhuǎn)移，再一次將STEM立意貫穿題目之中，綜合性相對(duì)較強(qiáng)，難度也增加了一些。

③圖2為高鐵電池和生活中常用的高能堿性電池的放電曲線，由此可得出高鐵電池的優(yōu)點(diǎn)有_______ 。

【分析】 ?用數(shù)學(xué)坐標(biāo)軸對(duì)比呈現(xiàn)高鐵電池“放電時(shí)間長(zhǎng)、放電電壓穩(wěn)定”的優(yōu)點(diǎn)，直觀明了，將科技帶來(lái)的生活便利進(jìn)一步體現(xiàn)，STEM立意明顯。

Ⅱ 在工業(yè)生產(chǎn)中濕法制備K2FeO4的工藝流程見(jiàn)圖3：

④請(qǐng)完成“氧化”過(guò)程中反應(yīng)的化學(xué)方程式：

_____________FeCl3 +________NaOH +________NaClO

=________Na2FeO4 + ________NaCl +________H2O，

其中氧化劑是__________________________ ?（填化學(xué)式）。

⑤該工藝流程中加入飽和KOH溶液的目的是_____________。

⑥已知25℃時(shí)Fe（OH）3的溶度積Ksp為4.0×10-38，此溫度下若在實(shí)驗(yàn)室中配制5 mol/L l00 mL FeCl3溶液，為使配制過(guò)程中不出現(xiàn)渾濁現(xiàn)象，則至少需要加入________mL 2 mol/L的鹽酸（加入鹽酸的體積忽略）。

【分析】 ?化學(xué)的工藝流程圖其實(shí)在一定程度上運(yùn)用的是工程的思想，除了解其中工藝步驟外，還滲透著技術(shù)問(wèn)題和工業(yè)問(wèn)題，每一道題目的設(shè)置都可以作為加深學(xué)生化學(xué)認(rèn)可度的落腳點(diǎn)。通過(guò)流程圖示，考察氧化還原反應(yīng)的配平，要求學(xué)生理解氧化還原反應(yīng)的本質(zhì)，明確FeCl3為還原劑，F(xiàn)e從+3價(jià)變化為Na2FeO4中的+6價(jià)，NaClO為氧化劑，Cl從+1價(jià)變化為NaCl中的-1價(jià)，并運(yùn)用數(shù)學(xué)思維使其變價(jià)元素升降價(jià)總數(shù)相等，則可輕松得到配平系數(shù)，分別為：2、10、3、2、9、5。還利用物質(zhì)溶解度、沉淀物溶度積以及配制溶液的實(shí)驗(yàn)操作等進(jìn)行知識(shí)遷移，得出后兩空的答案分別為：增大K+濃度，促進(jìn)高鐵酸鉀晶體析出；2.5。縱觀整道題，其STME立意實(shí)現(xiàn)了跨學(xué)科、多思維考察學(xué)生的意圖，有一定的難度，卻也適合多層次學(xué)生完成。此類(lèi)型題目也具有非常足的生活氣息，應(yīng)該會(huì)成為STEM立意化學(xué)綜合題的出題趨勢(shì)。

基于對(duì)STEM理念命題的化學(xué)試題進(jìn)行分析，不難發(fā)現(xiàn)，該類(lèi)試題方便在一個(gè)考題中呈現(xiàn)多個(gè)知識(shí)點(diǎn)，且考點(diǎn)可以整合在一個(gè)真實(shí)客觀的情境中，可單一知識(shí)點(diǎn)出現(xiàn)，也可整體以非連續(xù)性的文本信息連貫地考查多個(gè)分散的內(nèi)容。考題靈活多樣，設(shè)問(wèn)形式寬泛，呈現(xiàn)樣式多種（表格、坐標(biāo)系、函數(shù)、圖像、古文表達(dá)等），且能夠多學(xué)科交叉，難度可高可低。在近年來(lái)STEM理念命題的化學(xué)試題呈現(xiàn)出了增長(zhǎng)的趨勢(shì)，命題總體也明顯向高階思維、高層次“統(tǒng)整”發(fā)展，說(shuō)明STEM理論在教育發(fā)展中會(huì)逐漸成熟，也符合STEM教育政策的推進(jìn)和實(shí)施。

STEM立意的化學(xué)試題，通常涉及生活常識(shí)，例如古詩(shī)詞、酒文化等，有利于弘揚(yáng)中華傳統(tǒng)文化，提高學(xué)生文化自信；呈現(xiàn)高新技術(shù)，例如以航空、新能源等為背景，增強(qiáng)學(xué)生學(xué)科認(rèn)同感；巧用社會(huì)話題，設(shè)計(jì)多維度問(wèn)題，促使學(xué)生聚焦基礎(chǔ)知識(shí)，進(jìn)而分散思維，全面發(fā)展。在化學(xué)核心素養(yǎng)的導(dǎo)向下，命題在STEM的基礎(chǔ)上，可以說(shuō)是實(shí)現(xiàn)了學(xué)科評(píng)價(jià)與教育功能的統(tǒng)一。

2 ?基于STEM理念的高中化學(xué)教學(xué)改進(jìn)

2.1 ?明晰題型，熟悉STME化學(xué)問(wèn)題的來(lái)源背景

STME問(wèn)題的設(shè)置，很多時(shí)候是將跨學(xué)科的事實(shí)、概念和原理用真實(shí)情境串聯(lián)起來(lái)，最終呈現(xiàn)不同的題型供學(xué)生聯(lián)系生活，思考解決。明晰題型，積累基礎(chǔ)知識(shí)點(diǎn)，統(tǒng)籌構(gòu)建多學(xué)科常識(shí)框架是順利解決此類(lèi)問(wèn)題的前提，而問(wèn)題的解決也可以進(jìn)一步促進(jìn)學(xué)生對(duì)化學(xué)知識(shí)的深度理解和鞏固應(yīng)用。

從STEM立意的化學(xué)綜合題也可以看出，化學(xué)教學(xué)需要探尋更適合當(dāng)今教育發(fā)展的教學(xué)手段和方式。正在推進(jìn)的項(xiàng)目式學(xué)習(xí)、教學(xué)評(píng)一體化、基于單元整體的教學(xué)設(shè)計(jì)等先進(jìn)的教學(xué)方式與STME理念在教書(shū)育人方面有很多不謀而合的契合點(diǎn)。化學(xué)教育工作者可以從以上方向努力，同時(shí)也可以在學(xué)習(xí)探索教學(xué)模式的基礎(chǔ)上多挖掘STME立意的化學(xué)試題，并將試題在日常課程教學(xué)中加以運(yùn)用，不失為教學(xué)相長(zhǎng)、改進(jìn)教學(xué)的新嘗試。

2.2 ?創(chuàng)設(shè)情境，體會(huì)STEM化學(xué)問(wèn)題的解析過(guò)程

以真實(shí)情境作為背景進(jìn)行教學(xué)設(shè)計(jì)，可有效揭示科學(xué)現(xiàn)象的矛盾，在遇到STEM立意的化學(xué)問(wèn)題時(shí)引發(fā)學(xué)生內(nèi)心的認(rèn)知沖突，打破學(xué)生已經(jīng)建立的知識(shí)結(jié)構(gòu)平衡，促使學(xué)生在遇到相應(yīng)問(wèn)題對(duì)腦海中的經(jīng)驗(yàn)儲(chǔ)備和常識(shí)積累進(jìn)行深度消化，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)內(nèi)驅(qū)力，完成核心素養(yǎng)的培養(yǎng)。

案例1 “碳酸鈉和碳酸氫鈉的性質(zhì)——從發(fā)酵粉說(shuō)Na2CO3和NaHCO3”的教學(xué)設(shè)計(jì)。

任務(wù)：做饅頭需要加入發(fā)酵粉，而發(fā)酵粉的主要成分是什么，請(qǐng)查找資料并做記錄。

問(wèn)題：

①發(fā)酵粉主要成分為NaHCO3，為何不選擇Na2CO3？

②可能NaHCO3和Na2CO3的堿性有差別，學(xué)生進(jìn)行探究。

③發(fā)酵粉除了有碳酸氫鈉還有酒石酸→可能NaHCO3和Na2CO3分別與酸的反應(yīng)結(jié)果不同，學(xué)生進(jìn)行探究。

④蒸饅頭，饅頭會(huì)膨脹→可能NaHCO3與Na2CO3的熱穩(wěn)定性不同，學(xué)生進(jìn)行探究。

⑤NaHCO3與Na2CO3如何相互轉(zhuǎn)化？如何鑒別？

⑥結(jié)合NaHCO3的性質(zhì)，設(shè)計(jì)“龍膽復(fù)方碳酸氫鈉片”的使用說(shuō)明書(shū)。

【設(shè)計(jì)意圖】 ?學(xué)生在真實(shí)情境的STME問(wèn)題探究中，先進(jìn)行假設(shè)，再實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，若事實(shí)不符，則推翻前面的假設(shè)重新進(jìn)行新的假設(shè)，再進(jìn)一步驗(yàn)證，最終得到結(jié)論。探究過(guò)程中，存在認(rèn)知沖突，且關(guān)聯(lián)生活，對(duì)廚房中的化學(xué)、課堂中的知識(shí)、實(shí)驗(yàn)中的技能、探究中的流程等強(qiáng)化交錯(cuò)，綜合性的遷移應(yīng)用解決實(shí)際問(wèn)題，幫助學(xué)生輕松地將NaHCO3與Na2CO3兩者的性質(zhì)進(jìn)行記憶和比較，完成教學(xué)目標(biāo)。問(wèn)題由生活到理論，由簡(jiǎn)單到復(fù)雜，一步一步推翻假設(shè)，在矛盾升級(jí)中實(shí)現(xiàn)問(wèn)題升級(jí)，引發(fā)學(xué)生對(duì)問(wèn)題的深層次思考，最后由理論回歸生活，將復(fù)雜問(wèn)題理論化簡(jiǎn)單化。

2.3 ?項(xiàng)目學(xué)習(xí)，進(jìn)階STEM化學(xué)問(wèn)題的自主解決

在STEM立意的化學(xué)試題的啟發(fā)下，不難發(fā)現(xiàn)，推動(dòng)學(xué)生進(jìn)行項(xiàng)目式研究性學(xué)習(xí)，能夠巧妙地將“真實(shí)生活情境、關(guān)鍵實(shí)際問(wèn)題、設(shè)計(jì)實(shí)施和改進(jìn)方案、形成理論和產(chǎn)品”的多種要素與化學(xué)教學(xué)的課程性質(zhì)、實(shí)施過(guò)程、評(píng)價(jià)方法和教育功能相匹配。在學(xué)生層面，有利于學(xué)生在遇到STME化學(xué)問(wèn)題時(shí)的自主解決；在教育工作者層面，則是完成核心素養(yǎng)教育的新嘗試和新手段，也許能得到意想不到的優(yōu)質(zhì)的教育效果。

案例2 “生活中常見(jiàn)的有機(jī)物——乙醇”教學(xué)設(shè)計(jì)。

主題：乙醇的性質(zhì)和用途。

任務(wù)：圍繞乙醇，查詢(xún)資料，提出問(wèn)題，解決問(wèn)題。

①乙醇有什么相關(guān)古詩(shī)詞和典故？

②乙醇有什么用途？

③人喝酒為什么會(huì)臉紅？酒駕如何檢驗(yàn)？

④乙醇為什么能和水以任意比例互溶？

⑤乙醇有什么樣的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)？

⑥工業(yè)上如何制造酒精？無(wú)水乙醇怎么獲取？

【設(shè)計(jì)意圖】 ?項(xiàng)目式圍繞乙醇，學(xué)生自主提出疑問(wèn)，并展開(kāi)學(xué)習(xí)，完成任務(wù)。任務(wù)過(guò)程中，涉及多學(xué)科思維，配以科學(xué)、技術(shù)、數(shù)學(xué)、工程等任務(wù)驅(qū)動(dòng)知識(shí)，可順利引導(dǎo)學(xué)生掌握“乙醇的結(jié)構(gòu)、性質(zhì)、用途”等基礎(chǔ)知識(shí)點(diǎn)，構(gòu)建并關(guān)聯(lián)STEM模型，促使師生教學(xué)相長(zhǎng)。