基于STEM理念的高中化學項目化學習研究

【摘要】為順應課程改革的需要，進一步提高高中化學教學效率，文章以STEM理念為核心，首先介紹了該教育理念的內涵和特點，其次指出基于STEM理念的高中化學項目化教學流程，最后以“簡單燃料電池的制作與原理循證”為例，詳細闡述了項目化學習的實施方法。研究表明，將STEM理念融入高中化學項目化學習中，能深化學生對于化學知識的理解，有利于培養學生的綜合素養。

【關鍵詞】高中化學；項目化學習；STEM理念；特點；流程；方法

【中圖分類號】G633.8【文獻標志碼】A【文章編號】1004—0463（2024）15—0068—04

新課標指出，要注重培養學生的創新意識和能力，促進學生科學素養的發展。新課改要求教師合理組織教學內容，尤其重視跨學科主題的選擇，加強化學與其他學科之間的聯系，以拓寬學生的視野和思路。新形勢下，STEM理念在我國教育領域得到推廣應用，既符合新課程改革的相關要求，又利于培養學生的核心素養，促進學生全面發展[1]。以下結合筆者實踐，探討STEM理念在高中化學項目化學習活動中的應用。

一、STEM教育理念的內涵和特點

（一）STEM教育理念的內涵

STEM指的是科學、技術、工程和數學這4門學科，STEM教育理念是一種重視實踐的跨學科教育理念。該教育理念認為單一技能的運用無法支撐起未來人才發展的需求，教學過程中打破學科界限才能培養出綜合型人才。筆者認為，STEM理念是一種基于問題和項目的教學策略，通過創設真實情境，采取體驗式、探究式、項目式教學方法，培養學生的解決問題能力和創新能力。

（二）STEM教育理念的特點

1.綜合性。我國教育工作在改革推進中，分科教學模式凸顯出諸多弊端，STEM教育理念剛好是有效的解決策略。該教育理念的綜合性，體現在教學過程中淡化甚至消除不同學科的界限，學生學習化學知識的同時，和科學、技術、工程、數學等學習知識聯系起來，進而更好地解決實際問題，培養學生的綜合能力。

2.情境性。基于STEM教育理念，教師的教學活動不僅為學生傳授知識，還要引導學生運用知識解決現實問題，達到知識內化與遷移運用的效果。STEM教育理念的情境性，要求教師講授化學知識時創設真實情境，促使學生全身心投入其中，通過自主探究或小組合作解決預設的問題。

3.體驗性。STEM教育理念要求學生掌握知識的同時，能動手操作、動口交流、動腦思考，調動多個感官更好地參與到學習活動中[2]。化學知識與實際生活密切相關，基于STEM教育理念，教師應設計豐富的項目活動，而不是局限于教材和課堂，讓學生放飛思維，在參與、體驗的過程中獲得化學知識，促進綜合能力的提升。

4.合作性。STEM教育理念還應加強師生之間、生生之間的交流互動，鼓勵學生開展合作學習。尤其針對部分抽象性、復雜性的化學知識或實驗，單純依靠學生個人力量學習起來有困難，STEM教育理念突出教師的指導作用、同學的輔助作用，在合作學習中明確每個成員的責任和分工，在思想碰撞中構建化學知識體系，提高學習效果。

二、基于STEM教育理念的高中化學項目化教學流程

基于STEM教育理念形成了多種教學方法，例如5E教學法、項目教學法、情境教學法等[3]。其中，項目教學法與STEM教育理念最為接近，主張設置真實的項目任務，讓學生在做中學，教師給予必要的引導，最終學生掌握知識、收獲成果，并且培養學生的交流合作、批判思維、實踐探究等能力。STEM教育理念下，高中化學項目化教學流程是選擇項目→制訂計劃→活動探究→成果展示→評價總結，每個環節師生的活動內容如下。

（一）選擇項目

教師根據教材內容、教學目標、學生實際情況及發展需求，合理設計項目任務，向學生介紹項目情況，并指導學生選擇項目。學生根據自己的興趣和能力，自主選擇合適的項目，作為本次學習活動的主線。

（二）制訂計劃

教師根據項目情況提供指導材料、工具，明確研究方法，指導學生制訂項目活動計劃。學生則以小組為單位，確定組長和組員，明確各成員的職責和分工，協作制訂項目活動計劃，為后續活動開展打下基礎。

（三）活動探究

學生根據項目活動計劃進行自主探究和小組合作探究，大膽發言表達自己的想法和見解，在小組內分析討論，找到解決問題的最佳方法，并最終完成作品。教師對整個探究活動進行組織和管理，控制好項目進度，引導學生正確思考，并為個別學生提供針對性幫助，以便學生生成高質量的作品。

（四）成果展示

每個小組選擇代表匯報項目活動的實施情況，展示作品成果，如圖文展示、視頻展示、動畫演示等，并回答其他學生的提問，確保其他學生聽清弄懂。教師組織交流活動，確保各個小組有秩序地展示成果，并且總結學生提出的問題。

（五）評價總結

學生分享本次項目探究活動的體會和感悟，然后開展自我評價、小組成員評價和組間互評。教師組織評價活動，并總結本次活動，一方面指出成功經驗和不足之處，為下一階段的教學改進提供支持；另一方面對表現優良的小組、個人予以表揚，采取合適的獎勵措施。

三、“簡單燃料電池的制作與原理循證”項目化學習的實施方法

“簡單燃料電池的制作與原理循證”來源于“化學電源”章節，介紹了具有代表性的三大類電池的基本構造、工作原理、性能和適用范圍，要求學生了解生活中常用的化學電源，正確區分一次電池、二次電池和燃料電池，會書寫化學電池的電極反應式，培養學生觀察、分析、整理、歸納總結和探究能力，增強學生的環保意識。在STEM教育理念下，“簡單燃料電池的制作與原理循證”項目化學習的實施方法介紹如下。

（一）明確核心化學知識

課程標準中要求學生了解化學電源的工作原理，認識化學能與電能轉化的意義，制作簡單燃料電池是學生必須開展的實驗。從這一角度看，化學電源是高中化學的核心知識，而且實驗探究在教學活動中具有重要地位[4]。本節課程之前，學生已經學習了氧化還原反應、離子反應、原電池等相關知識，但部分學生對于電極材料與反應、離子導體、電子導體等基本知識存在認知上的偏差，分析電化學問題時缺少合理的思路。對此，開展項目化學習活動，能幫助學生深入理解原電池的工作原理，構建完善的電化學認知模型，并運用所學知識解決電化學問題。

以探究氫氧燃料電池的工作原理為例，學習小組如此設計實驗過程：向三頸燒瓶內注入0.5 mol/L的Na2SO4溶液，電極選用兩根石墨棒。先接通直流電源電解一段時間，再斷開電源生成的H2和O2組成燃料電池，驅動小風扇運行。使用氧氣傳感器測定電源正極附近O2濃度，使用pH計測定電源負極附近溶液中的H+濃度，結果顯示前者減小、后者增大。小組通過分析，判斷電源負極附近的H2失去電子成為H+，H+經導線從負極流向正極，正極附近的O2獲得電子成為H2O，此時氫氧燃料電池產生電流，帶動小風扇轉動。學生在實驗操作中，觀察實驗現象、測定相關數據，在此基礎上推理分析，利于理解電化學系統的基本要素，從而掌握原電池的工作原理，形成正確的分析思路。

（二）不同學科交叉融合

本次項目化學習中，不僅包含多個化學知識，也涉及跨學科知識。其中，化學知識包括化學能與電能的相互轉化、氧化還原反應、原電池的電極反應及離子移動方向、原電池的基本要素等。跨學科知識包括：①物理方面的左手定則，用于判斷運動電荷所受的洛倫茲力。②技術方面，主要是實驗操作能力、檢測設備儀器的使用能力等。③數學方面的數據分析、圖表繪制，用于實驗數據的統計分析。④藝術方面，主要是實驗裝置的設計與審美。實踐操作內容包括：制作簡單的燃料電池、創新設計實驗裝置、探究離子的移動方向、繪制原電池的認知模型圖等。學生在實驗探究中，結合物理學規律，運用檢測儀器設備，合理設計實驗裝置，采集數據并利用數學方法分析，通過跨學科交叉融合最終完成項目任務。

以探究金屬燃料電池中離子的移動方向為例，實驗方案如下：第一步，選擇1根鎂電極、1根石墨電極作為電極材料，在培養皿中間固定石墨電極，沿著內壁固定鎂電極。第二步，將培養皿放置在一塊N極向上的環形磁鐵上，下方墊上白紙以便于觀察。第三步，向培養皿中加入一定量的飽和食鹽水，再滴入幾滴酚酞溶液，將2個電極用導線連接起來。學生會觀察到，石墨電極附近的溶液顏色從無色變為紅色，且顏色逐漸加深，向外呈逆時針旋轉。利用左手定則，可知鎂-空氣電池中，電解質溶液里的陽離子Mg2+向正極運動，陰離子OH-向負極運動。該實驗過程中，學生借助于左手定則明確鎂-空氣電池中離子的移動方向，實驗設計非常巧妙，不僅充分利用了相關知識點，而且實驗現象更加直觀。

（三）開展項目探究活動

項目化學習的關鍵環節是探究活動，教師要結合學生的認知能力和學習目標，提供必要的指導和幫助，讓學生以小組為單位，逐步開展資料查詢、方案設計、實驗探究、數據分析、交流評價等活動，整個探究活動是化學知識遷移運用、多學科知識相互融合的過程，最終實現預期學習目標。學生在探究活動中，通過小組合作完成各自的任務，可建立正確的電化學問題分析思路，如此學生既能掌握知識，又能培養能力。本次項目探究活動因學習內容較多，需要分兩個課時完成，為保證探究過程合理有序，教師應分解為多個項目任務，讓學生開展持續性、豐富性的學習活動，具體如下。

任務一：認識燃料電池，屬于項目選定環節，學生活動主要是列舉生活中常見的燃料電池和應用場景，認識燃料電池的重要性。

任務二：利用生活物品制作簡單的燃料電池，屬于初步探究環節，學生活動包括兩個：一是結合已有知識體系和教材內容，了解原電池的構成要素和工作原理。二是設計實驗方案制作簡單的燃料電池，如氫氧燃料電池、鋁-空氣電池、鎂-空氣電池等。

任務三：探究氫氧燃料電池的工作原理，屬于深入探究環節，學生活動包括兩個：一是合理設計實驗方案，繪制實驗裝置圖，確定需要的材料和儀器。二是觀察實驗過程和現象，收集數據進行分析推理，掌握氫氧燃料電池的工作原理。

任務四：探究金屬燃料電池中離子的移動方向，屬于創新設計環節，學生活動包括三個：一是合理設計實驗方案，繪制實驗裝置圖，確定需要的材料和儀器。二是觀察實驗過程和現象，收集數據并分析推理，掌握金屬燃料電池中離子的移動方向。三是繪制原電池的認知模型圖，構建新的知識體系。

以上探究活動的開展，相較于教師口頭講授知識點，能更好地激發學生的學習興趣，在掌握知識、發展能力的同時，還能培養學生的科學態度和創新意識。在數據分析環節，要求學生將宏觀現象和微觀變化相結合，利用已有證據來推理解決實際問題，最終揭示電化學的規律和本質[5]。

（四）項目成果展示評價

所有探究活動完成后，要求學習小組整理相關資料，在班級內展示各類項目成果，例如簡單燃料電池的成品、原電池認知模型、探究實驗的設計方案、實驗操作需要的材料和儀器等。以簡單燃料電池的制作為例，學生利用生活物品制作出氫氧燃料電池、鋁-空氣電池、鎂-空氣電池，利用電池驅動小燈泡、小風扇、音樂賀卡運行。小組成員將燃料電池的制作過程展示出來，實現了理論與實踐相結合的目標，培養了學生的綜合素養。

項目成果展示后，最后一個環節是教學評價。STEM教育理念下的項目化學習，其教學評價要注意三個方面：一是設置完善的評價指標，既有定量指標，也有定性指標，涵蓋態度、知識、能力、素養等各個方面，以保證評價結果的全面性[6]。二是增加評價主體的數量，在教師評價的基礎上增加自評、小組互評等方式，讓學生認識到本次探究活動的可取之處和不足，提高評價結果的客觀性。三是及時反饋評價結果，對于整體表現優異的小組和個人，教師給予表揚和獎勵，增強學生的自豪感和自信心，感受學習帶來的快樂，鼓勵學生在今后的學習中繼續努力，取得更大的進步。

綜上所述，在STEM教育理念下實施高中化學項目化學習活動，要對跨學科知識進行整合，合理設置項目任務，鼓勵學生開展探究活動，并且對項目成果作出全面評價。如此，在實現教學目標的同時，能培養學生的綜合素養，促進學生未來更好地發展。

參考文獻

[1]曹悅，嚴文法，馬藝.高中化學STEM項目式學習案例設計——以“顏料的提取及應用”為例[J].化學教與學，2023（13）：13-17.

[2]陳燕祝.高中化學STEM項目學習活動設計與實踐研究[D].貴陽：貴州師范大學，2020.

[3]付峻鋒.基于STEM教育理念的高中電化學知識教學設計[J].遵義師范學院學報，2024（01）：151-154.

[4]黎春葵. STEM理念下開展高中化學實驗課的實踐研究[J].科教導刊-電子版（上旬），2022（04）：217-218.

[5]范玉芳.基于STEM教育理念的高中化學元素化合物實踐探討[J].中學生數理化（學習研究），2021（11）：62-63.

[6]李輝紅. STEM理念下開展化學實驗課的實踐研究[J].課堂內外（高中教研），2021（07）：72.

編輯：張昀