基于STEM教育理念的初中化学教学实践——以“自制灭火器”为例

赵 扬

一、研究背景

STEM教育在实践过程中，学生能够积极主动地通过观察与操作获得真实的学习与动手体验，深层次建构多学科知识，切实参与到活动中，运用多学科综合知识解决问题，生成产品，培养综合能力[1]。

初中化学教学中实验内容丰富。STEM课程以产品为导向，制作过程体现实验探究属性。因此，实验化学教学内容与STEM课程有了融合的可能性[2]。融合后的教学不仅关注学生科学探究能力的培养，还关注工程设计意识的建立。

二、教学分析

1.融合方法

融合STEM教育理念的方法如下：以课程标准和教材为依据，改进已有实验，融合跨学科知识，实施“以产品为导向”的新实验。图1为“自制灭火器”案例中将实验教学内容转化为STEM教学内容的流程。案例为落实人教版《化学(九年级上)》第七单元课题1《燃烧与灭火》的内容而设计。教材中涉及的实验药品(白磷、红磷)与学生生活距离较远，不易被学生理解。因此需要更换药品，体现在生活中学习的理念。融合STEM教育的第一步是融入真实情境，通过制作产品解决实际问题，帮助学生实现对核心知识的理解。以灭火器为学科作品，依次讨论火的产生条件、灭火原理、自制灭火器三部分内容。在第一部分内容中，加入兴趣实验，加深学生对燃烧条件的认识，落实“控制变量法”的思想。在第三部分教学内容中，学生通过设计并制作泡沫灭火器、运用灭火器灭火两个活动，落实科学探究能力。同时，体现了STEM教育的独特之处：帮助学生建立工程设计意识。

图1 转化流程

“自制灭火器”案例基于真实问题(生活中产生微型火灾，如何灭火？)而设计，以化学学科知识为主，兼顾其他学科知识，见表1。

表1 跨学科知识地图分析

2.目标设计

目标设计体现学生主体、素养导向。在必备知识维度，学生需掌握燃烧的要素、灭火的原理等核心知识，同时巩固物理、数学等跨学科知识。在关键能力维度，学生需通过实验探究总结“控制变量法”的思想。在实验过程中提高科学探究能力、工程设计能力。在必备品格维度层面，学生需表现出对化学的热爱，呈现实际问题解决的主人翁意识，体现“科学精神与社会责任”核心素养。

表2 “自制灭火器”评价量规

3.评价设计

对知识维度的目标，采用课堂观察、课后作业等方式，检测目标达成程度。对能力维度的目标，设计评价量规(见表2)的方式，以评促学，落实学习目标。对品格维度的目标，在课后对学生发放调查问卷，测查学生对STEM教学课堂的喜爱程度。

量规呈现明确的操作任务和表现水平，为学生互评提供依据。学生互评的方法如下：相邻两组的产品观察师(例如A、B组)对调，A组产品观察师对B组其他成员评价，B组产品观察师对A组其他成员评价。量规中的各角色的职责见表3，学生自主选择角色并参与课堂学习。

表3 角色分工

三、教学过程

教学过程采用项目式学习的方式。以真实情境为基础，培养学生系统思维，具有产品导向[3]。将项目分解成3个子任务。任务1：火从哪里来？任务2：如何灭火？任务3：自制灭火器。3个任务之间为递进关系，任务1为任务2的基础，任务2为任务3的基础。任务1、任务2以实验探究为主要方式，任务3以工程设计为教学关键活动。实施时，在任务1前创设情景，增强学习的真实性。任务3后加入总结提升环节，落实核心知识，提高关键能力，发展核心素养。

任务1：理解燃烧条件(火从哪里来？)

图片展示：燃烧的三要素。表格展示：不同物质的着火点。

演示实验1：乒乓球和玻璃片的燃烧播放视频；白磷在水下燃烧；演示实验2：烧不坏的试卷。

设计意图：学生通过观察教师演示实验、播放的实验视频，逐步理解燃烧的三个条件。在分析实验现象、得出实验结论的过程中，逐步理解控制变量的科学思想。

任务2：迁移灭火原理(如何灭火？)

提出问题：根据燃烧的条件，灭火的途径有哪些？文字解析：“灭”与“火”之间的关系。迁移评价：水灭火、二氧化碳灭火的原理是什么？泡沫灭火器灭火的原理是什么？

设计意图：从燃烧条件出发，引导学生思考灭火的原理，对“燃烧时三个要素缺一不可”的科学事实加深理解。在理解灭火原理之后，根据学生回答问题的情况，做出学习理解的评价。

任务3：设计并制作灭火器(自制灭火器)

给出表3的分工说明，学生梳理操作步骤。以量规为依据，学生完成计算任务。任务如下：用厨房中的小苏打[学名：碳酸氢钠(NaHCO3)]和酸性物质(如盐酸，主要成分为HCl)产生二氧化碳气体和泡沫，从而灭火。反应方程式为：

NaHCO3+HCl=NaCl+H2O+CO2↑

请计算：若产生2.2 g二氧化碳气体，消耗碳酸氢钠的质量是多少？

根据学生计算结果，演示了一种泡沫灭火器(材料如下：塑料瓶、带导管的单孔塞、带线试管)。产品调试师根据演示过程结合实验材料设计微型灭火器，材料如图2所示。以量规为依据，产品经理进行产品介绍，产品观察师进行评价。

图2 微型灭火器的制作材料及药品

设计意图：采取角色扮演模式，明确小组分工。赋予角色功能，让学习与社会、职业接轨。使学习更高效、有价值。将自制灭火器的步骤拆解，降低难度，为学生的创新思维培养搭建台阶。活动过程体现学生的自主性，给予学生充分表达的时间和机会，培养学生的工程设计能力和创新意识。

四、教学反思

课后为所有学生发放了调查问卷(见表4)，调查问卷数据图见图3，并随机抽查5名学生进行访谈。访谈内容如下：通过本节课的学习，与传统的化学实验相比，你觉得动手制作一个产品来学习知识的过程给你带来最大的影响是什么？(预期学生会认为本课程实施能够提高学生的创新意识、工程设计能力)

表4 调查问卷

1.任务拆解 实现学习目标

项目式学习，拆解核心任务，为学生实现学习目标搭建台阶。随着课堂教学的进行，学习目标有效落实。在知识维度，结合课堂观察和作业情况，90.90%的学生逐步理解燃烧要素和灭火原理。在能力维度，表4中的问题1表明，89.5%的学生意识到课堂学习过程的重要思想是“控制变量法”。访谈时，2名学生认为“设计并制作作品的过程很重要，加深了对化学实验的理解，能提高科学探究能力和工程设计能力”。在品格维度，问题3、问题4的结果表明，绝大部分学生喜欢STEM课堂，是因为STEM教育能提高实验探究能力、小组合作能力、工程设计能力。甚至有的学生表示喜欢STEM课堂不需要理由。教学过程激发学生对科学探索的欲望，培养了“科学精神”核心素养，教学过程指向真实问题解决，渗透“社会责任”的核心素养。

图3 调查问卷数据图

2.以评促学 落实核心素养

如图4所示，在对所有能力的投票中，实验探究能力、小组合作能力、表达能力的票数比例位于前3名，这说明融合STEM教育的化学教学重视了学生动手完成实验的过程；强调了合作学习的重要性，给予学生了充分的时间来表达交流。多种能力的综合培养正是STEM教育的特点。值得关注的是，有14.15%的学生认为“工程设计能力”得到了提高。这说明实施STEM教学案例正在逐步培养学生的“工程意识”。

图4 能力维度统计结果

量规的使用对学生能力的提高起到了关键作用，引导学生以“优秀级”为目标，完成学习过程，要求学生以“合格级”为最低标准，监控学习质量，有效地提高了科学探究能力(完成实验能力、表达能力)和工程设计能力，落实了核心素养。