基于STEM理念的高中化學跨學科融合教學策略探究

摘 要：STEM教育強調科學、技術、工程和數學的融合，該跨學科的教學方法能夠培養學生的綜合能力，促使學生在多個領域內思考和解決問題.鑒于此，本文探究了基于STEM理念的高中化學跨學科融合教學策略.通過確立問題導向的跨學科教學目標，整合科學探究與技術應用的實驗教學，融入信息技術手段提升教學互動性，以及應用多學科知識完善項目實施過程.旨在激發學生的學習熱情，促進學生深度學習，提高其實踐操作能力和創新思維能力.

關鍵詞：高中化學；跨學科融合；教學方法

中圖分類號：G632 文獻標識碼：A 文章編號：1008-0333（2025）03-0115-03

收稿日期：2024-10-25

作者簡介：宋見平，本科，中學中級教師，從事高中化學教學研究.

將STEM理念融入高中化學教學中，不僅有助于激發學生對化學學習的興趣，還能促使學生學會將不同領域的知識相互聯系起來解決問題^[1]，從而為未來成為具有全球競爭力的綜合性人才打下堅實的基礎.因此，探究基于STEM理念下的高中化學跨學科融合教學策略變得尤為重要且緊迫，該策略不僅是對傳統教學模式的一種革新嘗試，也是適應新時代教育需求、培養全面發展人才的有效途徑之一.基于以上，本文探討了基于STEM理念的高中化學跨學科融合教學策略，以期為高中化學教學改革提供有益借鑒，助力培養學生全面發展.

1 目標設定：確立問題為導向的跨學科教學目標

在推進基于STEM理念的高中化學跨學科教學過程中，確立以問題為導向的教學目標是最為關鍵的第一步^[2].設計目標應緊密結合學生的生活實際和認知水平，以此激發學生的學習熱情，同時驅動學生主動投入問題的探究與解決之中.

例如，在講授人教版高中化學必修第一冊第一章第三節《氧化還原反應》時，教師可以設定一個具有挑戰性的問題導向教學目標：探究電池工作原理中的氧化還原反應.這一問題不僅圍繞化學的核心知識點，還涉及物理學中的電學原理，同時也會觸及環境科學領域關于電池使用后的環境影響和回收處理問題.學生在探索這一問題的過程中，首先需要掌握氧化還原反應的基本原理和規律，這是理解電池工作原理的基礎.隨后，學生需要將這些理論知識與電池的化學結構和功能原理相結合，深入分析電池在放電過程中所發生的復雜化學反應.在此過程中，學生將通過實驗和理論學習，探討電池內部的電子流動轉化為電能的方法，了解其中所涵蓋的物理學電學知識.其間，學生將學習到正確識別電池正負極的方法，理解電極材料的作用，并認識到電子在閉合電路中流動從而產生電流.最后，學生需要采用數據分析的方法，以驗證其理論假設和實驗設計是否合理.通過對比不同條件下電池的性能，學生能夠更加深入地理解氧化還原反應在電池工作中的作用，并識別出影響電池效率的關鍵因素.

通過采用問題導向的教學方式，學生不僅能夠深化對氧化還原反應的理解，還能夠提升自己的分析能力、批判性思維能力和創新能力.學生在解決實際問題的過程中，將不同學科的知識進行融合應用，不僅能夠增強學習的趣味性和實用性，也能夠為未來在STEM領域的深入學習打下堅實的基礎.

2 實驗整合：融合設計科學探究與技術應用實驗

在基于STEM理念的高中化學跨學科融合教學策略中，實驗整合是至關重要的一環.教師應當設計融合科學探究與技術應用的實驗，以促進學生將理論知識與實踐操作相結合，增強學生的動手能力和創新能力.

例如，在講授“氧化還原反應”這一化學概念時，教師可以精心設計一系列實驗活動，讓學生親自動手操作來深入探究電池的工作原理.教學實驗步驟如圖1所示.

首先，學生可以嘗試制作一個簡單的原電池.在實驗中，學生需要使用不同的金屬電極（如鋅和銅）和電解質溶液（如硫酸銅溶液）來構建一個基本的電池模型.學生通過觀察金屬電極在溶液中的變化，能夠直觀地看到氧化還原反應的發生，并記錄下電極質量的變化和溶液顏色的改變.接著，教師需要引導學生進行電池電動勢和電流的測量實驗.在此環節，學生需要使用電壓表和電流表來測量原電池的電動勢和電流強度，還需要學習正確連接電路，以及正確讀取和記錄儀表數據的方法.通過進行實驗測試，學生不僅要理解電動勢與電流的關系，還需要運用物理學的電學原理來解釋實驗結果.其間，教師可以引導學生進行不同電極材料對電池性能影響的觀察實驗.學生替換原電池中的金屬電極，使用不同材料的電極（如鉛、鎳、鋁等）進行實驗，比較它們的放電性能.通過實驗，學生可以了解到電極材料的選擇對電池效率和穩定性的影響.在實驗過程中，教師還可以引入電化學工作站和數據采集器等現代技術工具，以此提升實驗的精確度和效率；學生則可以使用這些工具收集電池在放電過程中的電極電位、電流隨時間的變化等電化學數據.學生應用數據分析軟件，能夠逐步學會正確處理實驗數據的方法，并繪制電流—時間曲線，以此分析電極反應的動力學特性.

3 技術融入：融入信息技術手段提高教學互動性

在基于STEM理念的高中化學跨學科融合教學中，融入信息技術是提升教學互動性和學生參與度的重要手段^[3].教師合理運用信息技術，不僅可以豐富教學內容的表現形式，還能激發學生的學習興趣，促進深度學習的發展.

例如，在講解《氧化還原反應》的內容時，教師可以應用3D MAX軟件創建一個三維的氧化還原反應模型.3D模型能夠從不同的角度和層面展示反應過程，使抽象的化學概念變得具體和直觀.學生觀察模型，可以清晰地看到電子在原子之間發生轉移的變化，理解這種轉移影響物質的氧化態和還原態的方法.在課堂上，教師可以使用3D MAX軟件模擬氧化還原反應的實際場景，比如鐵釘在硫酸銅溶液中的置換反應，學生可以看到鐵原子失去電子被氧化的過程，以及銅離子獲得電子被還原的過程.這種動態的視覺展示不僅能夠幫助學生理解氧化還原反應的基本原理，還能夠激發學生的學習興趣.同時，教師還可以利用3D MAX軟件設計一系列的互動環節，讓學生通過操作軟件來改變反應條件，觀察反應結果的變化.比如，學生可以嘗試改變反應物的濃度、溫度或添加不同的催化劑，從而探索上述因素對氧化還原反應速率和平衡的影響.

在化學課堂中采用技術融入的教學方式，讓學生能夠在一個虛擬的實驗室環境中進行探索性的學習，不僅加深了對化學概念的理解，還提高了空間想象能力和科學探究能力.此種教學方法有效地結合了化學知識與信息技術，能夠為高中化學教學開辟新的互動教學途徑.

4 項目實踐：應用多學科知識完善項目實施過程

在基于STEM理念的高中化學跨學科融合教學中，實施項目實踐活動，是學生將所學知識應用于解決實際問題的重要環節^[4].通過開展項目實踐活動，學生能夠綜合運用多學科知識，提高自身的解決問題的能力，加深個人對化學概念的理解.

例如，在《氧化還原反應》的教學中，教師可以精心設計一個綜合性的項目，用于讓學生深入探究不同類型的電池及其工作原理.該項目要求學生運用所學的化學知識，深入分析電池內部的氧化還原反應，理解電子如何在電池的兩極之間流動，并認識到相應反應產生電能的原因.在項目實施過程中，教師可以將學生分成多個小組，通過團隊合作的方式，提高解決問題的能力.首先，各小組需要開展文獻調研，收集關于電池技術的歷史發展、當前研究現狀以及未來趨勢的信息.經過這一過程，學生能夠對電池的發展有一個宏觀的認識，并為后續的設計工作提供理論支持.進入設計規劃階段后，每個小組需根據所學的化學和物理學原理，結合工程學思想，提出自己的電池設計理念.在這一階段，學生需要考慮電池的實用性，比如電池的便攜性、使用壽命、成本效益以及環境影響等.在電池的原型設計階段，小組成員則需要利用計算機輔助設計（CAD）軟件繪制電池的三維模型，并對其進行模擬測試.該步驟可以幫助學生直觀地看到設計的實際效果，并在不浪費實際材料的情況下進行優化.完成上述任務后，各小組成員則進入原型制作環節.在此過程中，學生需要選擇合適的材料和工具，動手制作電池原型.該步驟不僅考驗學生的動手能力，也能夠讓學生更加深刻地理解電池的工作原理和工程實踐的重要性.在電池原型制作完成后，各小組則需要對其進行性能測試，測試內容可以是電池的充放電效率、能量密度、穩定性等.學生需要在項目實施過程中，及時記錄測試數據，分析測試結果，找出設計的不足之處，并提出改進措施.最終，各小組整合學生研究成果，撰寫一份詳盡的項目報告.報告內容不僅需要涵蓋項目的開展過程、結果和討論，還需要對電池的工作原理進行深入解釋，并盡可能地提出相應的改進建議或創新思路.

5 結束語

在全球化與信息化迅速發展的今天，社會對人才的需求日益多元化，要求個體不僅要具備扎實的專業知識基礎，還應擁有良好的創新意識、實踐能力和跨學科技能，因此，探究基于STEM理念的高中化學跨學科融合教學策略具有重要的現實意義.未來，教師應繼續深化對STEM教育理念的理解，積極調整教學方式，將跨學科融合的理念貫穿于教學設計之中，鼓勵學生動手操作，為學生的全面發展奠定堅實基礎.

參考文獻：

[1] 方婷婷，楊文靜.基于化學學科理解的教學設計：以“原電池與電解池工作原理”為例[J].林區教學，2024（10）：105-108.

[2] 徐文靜，吳杰.基于STEM理念的通用技術項目教學：以“三維創意”項目為例[J].科學咨詢（教育科研），2024（07）：233-236.

[3] 王秀芳，李啟畢，劉春葉.高等教育中的無機化學教學改革探索：以“合成和表征銅氧化物納米顆粒”實驗為例[J].廣東化工，2024，51（12）：182-184.

[4] 石德志，趙明霞.新工科背景下大學化學實驗課設計：以氫氧化鈉標準溶液的配置與滴定為例[J].化纖與紡織技術，2024，53（06）：190-193.

［責任編輯：季春陽］