基于STEM教育视野的高中化学教学实践

万海涛 陈浞嵌

摘要：以“鱼浮灵主要成分测定的实验探究”为例，确定STEM四维教学目标，构建教学模型，将sTEM教育理念融入中学化学教学实践，培养学生的综合运用多种学科知识的能力、创新精神与实践能力。

关键词：STEM教育;高中化学教学;实践

文章编号：1008-0546（2019）06-0074-04 中图分类号：G633.8 文献标识码：B

doi：10.3969/j.issn.1008-0546.2019.06.021

以学科整合为背景的STEM教育在中学科学教育中发挥着越来越重要的作用，已成为很多国家的科学教育政策主导和研究热点。STEM是科学（Seienee）、技术（Technology）、工程（Engineering）和数学（Mathe-matics）四门学科的简称，强调多学科的交叉融合，将四门学科内容组合形成有机整体，削弱了这四门学科中传统的学习障碍，促使学生综合运用多种学科知识，以更好地培养学生的创新精神与实践能力。化学作为科学中的基础课程，其包含的知识较为广泛，比如物理、生物、地理等学科知识，成为教育者实施STEM教育的重点研究对象。

将STEM教育理念融人中学化学教学中，使学生不仅获得与科学、技术、工程和数学等相关的知识;还能与真实世界建立联系，将科学教育和当前的社会生产生活等紧密结合，充分理解科学、技术、工程与数学之间的交互关系，为学生提高综合素养及全面发展打下良好基础。

一、课题选择依据

真正有意义的学习总是发生在那些真实的、具有挑战性的问题情境中。本课题的选择基于三个方面：

1.源于生活

鱼，是逢年过节、宴请宾客必不可少的一道寓意吉祥的佳肴。对于在养殖或运输过程中使用的鱼浮灵，网上有人传言会致癌，这再次触动人们对于食品安全谈之色变的神经，同学们也必然对它产生浓厚的兴趣，想知道食用了使用鱼浮灵养殖的鱼是否安全，必然需要探究它的主要成分。

2.基于课标

化学新课标重视化学的情景化、生活化，即强调化学来源于生活，服务于生活。学生如果能够利用自身已有化学知识解决生活中的实际问题，有利于培养他们的探究能力，形成科学的认识观。

3.立于STEM

2018年5月8号颁布的《sTEM教师能力等级标准》，就STEM课程开发和整合明确提出，STEM教育课程要以学生为中心，聚焦解决真实情景的问题。本研究课题也为开展STEM教育提供良好素材，它融合了化学、物理等学科的科学知识，对鱼浮灵主要成分的测定中手持技术的使用加强了学生的技术素养，对于测定方案的设计，加强了学生的工程素养，数据的计算、定量方案的设计，提升了学生解决特定情境下数学问题的能力，有利于加强学生的数学素养，完全符合STEM教育对学生素养培养的要求。

二、教学目标分析

高二学生通过前面化学、物理的学习除了已经掌握了常见元素化合物的基本性质，气体的性质，也具备了一定的逻辑思维、分析和实验能力，但是对于实验探究的一般方法的认知还没有形成体系，对定量实验的方法了解还不够全面。

基于此，我确定了本课题的教学目标：引导学生们通过实验探究鱼浮灵的成分，体验并强化细致严谨的科学态度和联系实际学习化学的学科习惯。在学会定性分析的基础上进一步巩固气体体积的测量方法，学生通过运用所学知识进行实验设计和探究，得到科学的结论，感受自主获得知识和掌握学习方法的喜悦，并充分体验化学等学科与生活密不可分的关系，发展自己的批判性思维、创造性思维、科学思维、工程思维、计算思维、设计思维、量化思维等。从STEM四个维度出发，制订教学目标如下：

三、教学方法确定

采用PBL任务驱动、模型建构、多媒体、手持技术辅助教学，引导学生小组合作探究学习，其中PBL任务驱动，以问题为导向，是STEM教学的核心，有利于培养学生的STEM素养;模型建构、小组合作，有利于核心素养的思维培养。

四、STEM教育与化学教学结合的教学模型构建

依据STEM教育的相关理念及研究成果，笔者设计了以学生为中心，体现STEM教育的教学模型：

整个教学模型分五步：

1.创设情境

教师依据教学内容选择一定的教学情境。教学情境的选择力求真实，情境的创设要使学生易于发现问题，通常以生活为背景的问题情境作为切入点更易于调动学生学习的兴趣。

2.提出问题

教师基于教学情境提出问题，明确研究内容。

3.合作学习

学生以小组为单位开展合作学习，建立起四大领域的知识网络，为设计解决问题方案提供知识储备。

4.设计方案

教師引导学生利用相关知识与技术，设计出解决问题的方案，展开小组共同交流和沟通，分享研究成果。

5.评价反馈

通过教师评价，学生之间的相互评价，针对不同方案比较，反馈出问题解决的最理想方案，达成教学目标。

五、教学过程

1引入课题

播放录像：对浮头的鱼加入某种物质，鱼起死回生。引出课题，激发学生的好奇心，自然而然提出问题，吸引学生注意力，使学生的思维集中到本节课的主题。

2.查阅资料

百度有关鱼浮灵图片资料，了解鱼浮灵增氧的原理并把该原理用化学方程式表示，培养学生获取信息并把信息转化为化学用语的能力。

3.猜想和假设

学生根据资料猜想鱼浮灵成分可能的三种情况，即过氧化钙、过氧碳酸钠或者两者的混合物，有利于自身思维发散性的培养;而对三种可能情况的进一步分析，鱼浮灵配成溶液时没有浑浊产生，不可能是两者的混合物，也有利于学生思维深刻性的挖掘。

4.定性探究

具体流程如下：

学生课堂中设计方案如下：

方案1：取样溶于水，配成溶液，向其中加入盐酸，产生能使澄清石灰水浑浊的气体，证明是过氧碳酸钠。

方案2：取样溶于水，配成溶液，向其中加入碳酸盐，如果产生沉淀，证明是过氧化钙。

方案3：取样溶于水，配成溶液，静置后加入二氧化锰，有气体产生则证明是过氧碳酸钠。

方案4：取样溶于水，配成溶液，进行焰色反应，黄色证明是过氧碳酸钠，砖红色证明是过氧化钙。

方案5：取样溶于水，配成溶液，加酸碱指示剂，如酚酞，观察颜色。

方案6：取样溶于水，配成溶液，通入二氧化碳，根据是否出现浑浊来判断。

方案7：取樣溶于水，配成溶液，加氯化钡，根据是否出现浑浊来判断。

5.定量探究

环节一：实验原理的设计

从数学角度分析达成实验目的需要测的量，基于定量实验设计的基本原则和化学定量实验测定的基本方法确定实验原理。

课堂中学生讨论结果：

（1）最容易测的量：样品总质量，但鱼浮灵不是纯净物，杂质的量是未知的，所以测量总质量没有意义。

（2）讨论测定采用的方法：把直接测量改为间接测量，若分别间接测定碳酸钠、过氧化氢的量，需要做两次实验，实验次数越多，引入误差的可能性越大，而且为了控制变量，需要取等质量的两份样品。

（3）设计定量实验原理：学生在学习高中化学三大定量方法基础上进行本实验的探究，分别设计不同的测定方法，依据定量实验设计“可行、简约、精准”的基本原则，经小组合作讨论得出以下意见：滴定法一有过氧化氢存在，可能会漂白指示剂，导致实验失败;重量法一需恒重操作，步骤比较繁琐，不简约、引入误差较大。因此最终采用气体法进行间接测量，将碳酸钠转换为二氧化碳的体积、过氧化氢转化为氧气的体积，但气体的体积受到温度、压强的影响。

学生经过讨论确定定量实验方案如下：依据阿伏加德罗定律：同温同压下两种气体的体积比等于物质的量之比，鱼浮灵与硫酸反应会同时产生二氧化碳和氧气，测定在相同实验条件下两种气体的产生量，避免了单独测量气体体积过程中温度、压强对体积测定的影响。

环节二：思考实验关键

传统定量测定二氧化碳含量由于二氧化碳的溶解会引入较大的实验误差，怎样避免二氧化碳的溶解、保证二氧化碳测量的精准是本实验需要考虑的。

提出问题：如何尽可能让二氧化碳逸出？

学生讨论确定要采取的措施：借鉴实验室制取二氧化硫的试剂，选用6mol/L的硫酸，既能提供一定量的氢离子，保证反应的发生，又可以减少二氧化碳的溶解。同时采取磁力搅拌、加热等方法促进二氧化碳的逸出。

环节三：设计实验装置

学生由中学常见的量气装置为切入点探讨（图4），在思辨中设计新的实验装置（图5）。

提出问题：怎样分别准确测量二氧化碳和氧气的量？

环节四：设计实验步骤和实验操作

1.按图6组装好仪器，将传感器通过数据采集器与电脑连接，检查装置的气密性。

2.向三口烧瓶中添加一定量的鱼浮灵，用注射器向其中添加6mol/L的硫酸。

3.打开磁力搅拌器，开启加热开关。

环节五：数据处理，得出结论

试管中装鱼浮灵固体，两支注射器先后加入水、硫酸，用另一支注射器测定出产生氧气和二氧化碳的体积。本装置注射器活塞受的摩擦力较大，测量误差较大。

三口烧瓶为反应器，磁力搅拌、升温加热，用二氧化碳、氧气传感器测定同温同压下两种气体的体积，结果更精准。

六、结语

本实验以鱼浮灵为内容载体，以“STEM”教育为核心，以高中化学定量实验方法为依据，整合物理、化学等学科的相关知识，引导学生在选择实验方案，进行实验装置设计过程中巩固基本学科知识、基本操作方法、发展自身的思辨性思维，形成“精准”的定量思维意识，发展自身的STEM素养。实验教学设计与实施突出三大特色：“减、精、融”。减：指将两组数据的测定改为一组，省略称量、恒重等操作。精：指实验设计采取酸过量、搅拌、加热、数字传感器的使用等方法减少二氧化碳的溶解，使测量结果更加准确，借助数字传感器检查装置的气密性突破传统思维。融：指定量仪器的变化，高科技数字技术与传统量气装置融合。