STEM視域下初中化學跨學科項目式學習實踐研究

葉燕珠 沈雪青 吳新建 汪阿戀

全國教育科學規劃單位資助教育部規劃課題“STEM視域下中學理化項目式學習課程實踐研究”（課題批準號：FHB180605）；福建省教育科學“十四五”規劃2022年度“協同創新”（含幫扶項目）專項課題“基于新課標的中學化學跨學科實踐活動開發與實施研究”（課題批準號：Fjxczx22461）階段性研究成果。

摘要：? 基于STEM教育理念，以“探尋火箭發射的奧秘”為載體，引導學生進行跨學科項目式學習，以“探究火箭原理”“再探火箭燃料”“模擬火箭設計和制作”“成果展示與評價”四個子任務驅動，引導學生運用多學科知識設計和制作三種模擬火箭，有效提升學生的綜合素養，實現跨學科協同育人。

關鍵詞： STEM項目式學習； 跨學科； 模擬火箭； 制作與發射

文章編號： 10056629（2024）04003808

中圖分類號： G633.8

文獻標識碼： B

《義務教育課程方案（2022年版）》明確提出“各門課程用不少于10%的課時設計跨學科主題學習”，這是新一輪課程改革的重要內容之一［1］。《義務教育化學課程標準（2022年版）》強調初中化學教學應注重創設真實問題情境，倡導開展項目式學習，重視跨學科實踐活動［2］。STEM教育是一種通過整合科學（Science）、技術（Technology）、工程（Engineer）和數學（Mathematics）領域內容指引教學和學習的途徑和方法，其重視各學科之間的交叉滲透，旨在提升學生的實踐應用能力及遷移創新能力，與新課標的指導思想相契合。項目式學習是實現STEM教育理念的一種有效教學模式［3～5］，融合STEM理念的項目式學習通過創設真實的工程情境，引導學生動手實踐操作，應用科學知識解決問題，依托技術達成目標，培養解決真實復雜問題的關鍵能力和必備品格。

近年來，中國航天事業取得了舉世矚目的成就，引發世界關注。航天事業的發展離不開物理、化學、數學等多學科的協同發展，本文以“探尋火箭發射的奧秘”為主題，探索一種關乎知識世界、生活世界與個體世界的整體性學習。

1? 基于STEM理念的項目研發

1.1? 基于STEM理念的項目主題遴選

物質的變化與性質、燃料及其利用以及牛頓第三定律是初中生學習的重難點，學生對于化學反應原理以及反應體系中的多因素分析缺乏結構化認知思路，信息加工處理能力不強，面對整體的生活場域未能形成獨立的系統性思維。基于學生對物質的變化和燃料的了解，以“探尋火箭發射的奧秘”為主題開展跨學科項目式學習，既符合新課標的要求，又突出教學的重難點，同時貼合學生的生活經驗，有助于培育學生的航天精神和社會責任感，實現教書與育人相統一。從課程標準的維度看，該項目內容有效鏈接主題1（科學探究與化學實驗）、主題2（物質的性質與應用）、主題4（物質的化學變化）以及主題5（化學與社會·跨學科實踐）。從學科內容的維度看，該項目式學習內容整合了人教版九年級化學上冊物質的變化與性質、物質的燃燒、燃料能源和生活中常見的鹽等化學知識，同時融合了牛頓第三定律、反沖運動、氣體壓強等物理知識以及行程測算、數據處理、圖表分析等數學知識。項目設計如圖1所示。

1.2? 理論抽提和任務分解

現實世界中的問題往往具有復雜性和挑戰性，項目設計中應注重情境整合重構、刪繁就簡，剝離與學生知識和能力要求相差甚遠的內容并進行理論抽提，抽提出復分解反應與質量守恒定律、燃料及其利用、反沖運動與牛頓第三定律等物理、化學學科核心知識，通過“四段進階式”任務驅動，引領學生從“掌握單一學科知識”走向“構建結構化、網絡化的認知系統”，發揮多學科協同育人功能［6～8］。“探尋火箭發射的奧秘”項目構建流程如圖2所示。

1.3? 基于STEM理念的項目學習目標

初中生的抽象邏輯思維處于由“經驗型”向“理論型”的轉化階段，初中三年級處于辯證邏輯思維迅速發展的轉折期，因此該項目的教學重點放在模擬火箭動力系統設計上，通過動力系統的構建有助于發展學生的批判性思維。考慮到真實火箭涉及的原理較為復雜，結合初三學生的認知結構和心理特征，在設計項目時把重點放在學生運用所學知識進行一級動力系統設計上。基于STEM教育的四個維度構建項目學習目標，詳見表1。

1.4? 指向素養發展的項目教學思路

該項目包括導引課（探究火箭原理和再探火箭燃料）、探究課（模擬火箭設計和制作）和展示課（成果展示與評價）三種課型，共4課時。具體教學思路如圖3所示。

2? 基于STEM理念的項目實施過程

2.1? 項目準備

［前置任務］課前查閱火箭的發展史等相關資料。

［問題提綱］（1）你了解中國火箭的發展史嗎？（2）火箭的主要類型有哪些？（3）火箭的基本結構分為哪幾部分？各部分的功能是什么？

設計意圖：通過前置任務驅動和開放性問題導引，引領學生自主學習相關資料，旨在明確學習主題，激發

學習心向，提升信息加工處理能力，增強國家認同感。

2.2? 項目開展

2.2.1? 任務一：探究火箭原理

［教師］依據課前的問題提綱，匯報交流學習成果。

［展示交流］學生分組匯報交流學習成果。

［情境引入］組織學生觀看視頻《100秒看完中國航天發展史》。

［項目主題確定］探尋火箭發射的奧秘。

設計意圖：通過自主學習成果匯報把真實情境帶入課堂，充分展示航天的魅力和中國航天事業的偉大成就，引出項目主題，激發學生的愛國情懷和探究欲望。

［導引問題］火箭的工作原理是什么？

［教學情境］古代火箭“霹靂炮”“火流星”和現代“探空火箭”“運載火箭”等典型火箭介紹。

［交流討論］對上述火箭進行分析比較并歸納總結火箭的工作原理。

［任務驅動］分組設計火箭模型圖。

［小組代表1］展示交流現代火箭的模型圖及工作原理（如圖4所示）。

［評價］診斷和評價學生基于事實的證據推理和模型建構能力，培養學生的科學思維和創新意識。

2.2.2? 任務二：再探火箭燃料（推進劑）

［導引問題］常見的火箭燃料有哪些？

［情境素材］《中國長征系列火箭燃料揭秘》。

［小組代表2］介紹冷藏液氧液氫、液氧煤油以及偏二甲肼（C2H8N2）和四氧化二氮（N2O4）等火箭燃料。

［導引問題］為什么液氧液氫燃燒無污染，但是現在一般是使用液氧煤油作為燃料？

［分組匯報］三大化石燃料（第一組）、氫能（第二組）、乙醇燃料（第三組）的開發、利用及對環境的影響。

［評價］綜合考慮燃燒效率、經濟成本、環境影響等諸多因素，辯證思考能源的開發和利用。

設計意圖：引導學生通過閱讀材料，學會從化學視角提取信息，在獲取信息和思考總結中形成質疑和批判能力，在評價燃料的過程中實現社會參與感的涵育，發展其辯證唯物主義世界觀。

2.2.3? 任務三：模擬火箭設計和制作

［團隊建設］組建“火火箭”隊、“氣火箭”隊和“水火箭”隊，探究模擬火箭的設計和發射。下面以“成果交流與展示”環節為例進行闡述。

案例1：“火火箭”展示交流

［“火火箭”隊代表］“火火箭”的實驗裝置如圖5所示，操作方法如下：在礦泉水瓶下端的瓶蓋中間鉆出一個孔，往礦泉水瓶噴消毒酒精2～4次，旋好瓶蓋，將瓶子置于鐵架臺的鐵圈中，打火機點燃木棍，將燃著的木棍移近小孔處，點燃發射火箭。最初設計的是無尾翼和頭錐的火箭模型（圖5a），測試射程為3.9m。經查閱資料發現流線型的物體飛行時能減少阻力，一次改進后形成有尾翼、無頭錐的火箭模型（圖5b），射程可達5.7m，后經進一步優化，獲得有尾翼和頭錐的火箭成品（圖5c），射程達6.3m。

［導引問題］（1） 選擇酒精作為“火火箭”燃料的依據是什么？

（2） 從物理學受力分析的角度作圖分析“火火箭”升空的動力。

（3） 基于上述的受力分析，結合物理和化學知識分析“火火箭”的發射原理，并寫出相應的化學方程式。

（4） 分析“火火箭”技術改進的思路。

［評價］綜合分析氫氣、乙醇等生活中常見燃料的反應原理、獲取方法、安全系數、經濟成本等，選擇合適的燃料（酒精），發展工程思維和創新能力；結合靜止和飛行狀態“火火箭”的受力情況，綜合分析“火火箭”的發射原理，評價和發展學生綜合應用物理和化學學科知識解決真實問題的能力。

設計意圖：引導學生應用“物質燃燒”相關物理和化學知識以及燃燒后氣體的膨脹和做功原理，設計合理的實驗方案并完成“火火箭”的制作和發射，利用工程學思維對產品進行優化改進，逐步形成工業生產的思

維模型：建構基礎模型——設計實驗方案——開展科學探究——改進技術裝置——形成項目產品，實現教學內容結構化，學生思維顯性化。

案例2：“氣火箭”展示交流

［導引問題］除了燃燒外，還可以通過什么方式為火箭提供動力？

［“氣火箭”隊代表1］還可以通過化學反應生成氣體的方式為火箭提供動力制作“氣火箭”。已學過實驗室制氣體的方法有過氧化氫分解制氧氣法、大理石和稀鹽酸制二氧化碳法、稀硫酸和鋅粒制氫氣法等，本組選擇小蘇打與食醋作為反應物。

［導引問題］“氣火箭”的實驗體系是如何構建的，哪些因素會影響“氣火箭”飛行的高度？

［“氣火箭”隊代表1］稀硫酸和鋅粒可產生氫氣，但通過查閱資料了解到氫氣爆炸極限在4%～75%，容易產生危險。硫酸和鹽酸具有腐蝕性，實驗操作不安全故排除。首先嘗試用過氧化氫溶液（30%）作反應物，碘化鉀作催化劑，但由于反應放出大量的熱，火箭的底座（塑料）被燒毀；后來通過調整過氧化氫的濃度、用量以及催化劑的種類和用量，發現火箭要么飛不起來，要么底座被燒毀，實驗條件較難控制。由此可見，真實情境是復雜的，應綜合考慮多方面的因素。通過查閱資料和小組研討，最終選擇生活中常見物質（碳酸鈣、蘇打和小蘇打）分別與食醋（5g/100mL）反應，并通過平行實驗控制變量法探究最佳實驗條件。“氣火箭”的實驗裝置如圖6所示。

［平行實驗一］探究物質的性質對反應的影響：取1g碳酸鈣、蘇打和小蘇打粉末，分別與一定量的食醋反應，實驗結果表明碳酸鈣、蘇打和食醋反應，動力不足，無法使箭體起飛，而小蘇打粉末和食醋反應可以使箭體起飛。因此，選擇小蘇打和食醋作為反應物。

［導引問題］為什么上述實驗小蘇打與食醋反應可以使箭體起飛，而碳酸鈣或蘇打與食醋反應無法使箭體起飛？請寫出相關的化學方程式。

［思維進階］上述碳酸鈣或蘇打粉末與食醋反應無法使火箭起飛，有沒有其他的優化方案？

［“氣火箭”隊代表2］通過增加碳酸鈣或蘇打的用量（2g），提高醋酸的濃度（30%乙酸），可以推動火箭發射，飛行高度分別為5m和7m。

［評價］通過生活中常見的鹽與酸的反應，了解學生對“鹽的性質”“復分解反應”“質量守恒定律”和“反應物用量對反應的影響”等化學核心知識的掌握情況，選擇合適的物質作為反應物。

［平行實驗二］探究物質狀態對反應的影響：取等量的小蘇打粉末和小蘇打片分別與足量食醋反應，實驗結果表明，小蘇打粉末作為反應物，“氣火箭”的飛行高度優于小蘇打片。

［評價］通過不同狀態物質與酸的反應，了解學生對影響化學反應速率因素的掌握情況。

［平行實驗三］探究反應物用量對反應的影響：通過控制食醋和小蘇打粉末的用量進行平行實驗，得出最佳的反應物料比。反應物用量對實驗結果的影響如表2所示，當小蘇打粉末的質量為2.0g，食醋的體積為24mL時，火箭的最大飛行高度可達12m。

［思維進階］學生依據之前所學知識猜想反應物用量越大，反應速率越快，火箭應飛得越高。實驗結果與預期不符，隨著反應物用量的增加，火箭的射程先增大后減小，引發學生的認知沖突。教師應把握最佳教學時機，引導學生基于科研事實進行知識拓展和深度研討，拓寬學生知識面的同時，培養學生的質疑精神和批判能力。

［知識拓展］根據齊奧爾科夫斯基火箭方程，火箭的推進速度為ΔV=ωlnm0m1（ω是噴氣速度，m0和m1分別為飛行器加速前后的質量）。真實火箭的飛行距離，與質量差有關，而“氣火箭”中的液體倒入箭體中，箭體飛行時液體來不及排出，其質量差較小會影響飛行高度。

［評價］通過控制變量法調整反應物的種類、用量和狀態等，了解學生對影響化學反應速率因素的掌握情況。通過模擬火箭發射比賽，評價項目產品。

設計意圖：通過“氣火箭”的設計和制作，有效統整化學反應原理、物理運動學、數據分析等多學科知識。通過平行實驗控制變量法，加深學生對影響化學反應速率因素的理解，引導學生掌握科學的學習方法，當結果與假設有出入時，學會通過實證研究和邏輯推理不斷豐富和完善認知體系，形成基于陌生復雜情境的問題解決思維模型，實現對現實世界的系統思考和整體把握。

案例3：“水火箭”展示交流

［導引問題］以上兩個案例是通過什么方法為火箭提供動力的，還有沒有其他方法可以推動火箭發射？

［學生回答］前面兩個例子主要是通過化學反應為火箭提供動力，還可以通過物理方法推動火箭發射。

［“水火箭”隊代表］展示交流“水火箭”的實驗裝置（圖7）和操作方法：將頭錐、發射塔、尾翼（4片）、打氣筒、500毫升可樂瓶（2個）、用膠帶和貼紙按圖7方法粘貼組裝。往火箭體（完整可樂瓶）中加水，旋好噴嘴，將裝置與發射塔連接，打氣至無法再充氣，按下手控發射把手即可發射，最大射程約可達100m，需在空曠安全的場所進行試驗。

［導引問題］（1） “水火箭”的發射原理是什么？

（2） 影響“水火箭”射程的因素有哪些？

［評價］通過壓強變化、氣體做功、反沖作用等原理分析，了解學生對力的沖量、牛頓第三定律以及動量守恒定律等核心知識的認知水平。從工程學的角度對“水火箭”的設計（包括箭頭、箭身、尾翼、配重、動力系統）進行評價。運用受力分析、力的沖量計算、動量守恒定律等知識，從理論上進行分析，并通過控制變量法探究最佳實驗條件，開展游戲比賽強化項目體驗。

設計意圖：“水火箭”的制作和發射涉及工程、物理、數學等多領域知識，有效鏈接初高中的知識體系，發展跨學科、跨學段綜合素養。在“水火箭”項目實施過程中，學生根據工程原理完成“水火箭”箭體的組建，提升實踐動手能力，合作完成“水火箭”的調試和發射，培養團隊協作精神，引領學生體驗和感受火箭升空的魅力以及中國航天事業的偉大成就，激發學生對科研的向往和對祖國的熱愛。

2.3? 項目評價

任務四：項目成果展示與評價

［導引問題］通過項目活動你有什么感受和收獲？請從科學性、創新性、可操作性、趣味性和安全性等維度對產品進行評價。

［分享交流］在學生自評和小組互評的基礎上，教師進行綜合性評價，師生共同評選出“明星火箭”。評價結果見表3。

設計意圖：引導學生綜合運用多學科知識將科學探究和問題解決成果轉化為項目產品，強化學科認知和項目體驗。教師根據學生回答問題、實踐操作及成果匯報等情況將過程評價和綜合評價有機結合，師生協同完成基于學生自評、小組互評和教師評價的多元化評價表，著力建構評價角度多維、評價主體多元、評價過程多段、評價模式多樣的評價體系，促使核心素養具象化。

3? 項目反思

跨學科項目式學習不是簡單的學科知識拼湊，在實際教學過程中容易出現主體不明確、目標不清晰、內容“拼盤化”等問題。教師應注重多學科知識、方法和思想的融合貫通，形成超越學科的邏輯體系，引領學生像科學家一樣做研究，像工程師一樣做設計［9］。下面談幾點教學建議［9］：

（1） 堅定學科“立足點”，實現“跨中有核”。

教師要正確理解學科知識與其他學科知識之間的關系，跨學科不等同于無學科邊界。跨學科項目式學習應立足學科本位，在此基礎上最大限度地挖掘和整合課程資源，引導學科教學縱深發展的同時，促使多學科知識橫向配合，形成大概念統攝下的整體理解和系統思維，真正做到基于學科又超越學科。

（2） 找準學科“鏈接點”，實現“跨中有聯”。

真實世界是多維、立體、復雜的，跨學科項目式學習是基于真實問題解決的學科之間的融通，教師應厘清學科知識和其他學科知識之間隱性和顯性的“鏈接點”。只有找準多學科之間的意義關聯，才能使之產生耦合效應，賦予學生認識世界的多維向度和學習支架，激發積極的學習心向，實現真正意義上的跨界融合、協同發展。

（3） 厘清認知“邊界點”，實現“跨中有度”。

跨學科學習不可能完全取代學科教學，教師應把握好跨的度，要從學校的教學實際和學生的學習需求出發，準確定位學科的認知邊界，整體把握教學內容的深度、廣度和效度。通過精選項目主題，整合課程資源，拓展育人場域，引導學生走進生活，深入社區，走向社會，用科學知識理性地、深刻地品位生活，改造世界，實現有意義的學習。

參考文獻：

［1］中華人民共和國教育部. 義務教育課程方案（2022年版）［S］. 北京： 北京師范大學出版社， 2022.

［2］中華人民共和國教育部制定. 義務教育化學課程標準（2022年版）［S］. 北京： 北京師范大學出版社， 2022.

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［4］乙若梅， 龔正元. 高中化學開展STEM教育的實踐嘗試——以“納米Cu2O的制備及處理染料廢水性能測試”為例［J］. 化學教學， 2022， （5）： 43～47.

［5］盧苗苗， 鄭雅君， 占小紅. STEM教育理念在高中有機化學教學中的滲透——以“檸檬精油的提取工藝”為例［J］. 化學教學， 2018， （7）： 45～50.

［6］張文蘭， 楊雪瓊. 基于國家課程的項目化教學能力的結構與內涵［J］. 教育信息技術， 2021， （7～8）： 3～7.

［8］［9］周素娟. 跨學科主題學習的邏輯理論與教學實踐［J］. 基礎教育課程， 2022， （11）： 4～11.