基于STEM教育，浅议促进化学深度学习的“一线四阶"课堂教学设计

曹建明 周春露 陆庭銮

摘要：概述STEM项目学习教与学的设计，促进学生深度学习。以沪教版九年级上册“金属矿物铁的冶炼”为例，基于学习进阶理论，划分STEM项目不同版块进阶的不同水平。STEM每一版块，内层孵化项目素养，中层践行学习目标、策略，外层彰显学习效果。结合“一线四阶”模式，课堂教学版块设计转换以学习目标进阶（基础知识、基本技能、基本方法、基本思想观念），驱动学习策略的进阶（自主建构、实践反思、逆向多问、整合迁移），引领学习外显成效的提升进阶。

关键词：STEM项目设计;深度学习;“一线四阶”实践型课堂模式

文章编号：1008-0546（2020）02-0011-04 中图分类号：G632.41 文献标识码：B

doi：10.3969/j.issn.1008-0546.2020.02.004

21世纪，在美国出现了一个新的术语——STEM，Science（科学）、Technology（技术）、Engineering（工程）、Mathematics（数学）。通过项目式STEM学习法来完成科学、技术、工程、数学的学习。

项目式的学习主要是由内容、活动、情境和成果四个因素构成的，项目学习通常以小组合作的形式进行。目的是为了研究和解决现实生活中的真实性问题，学生是项目活动的主导者和实践者。项目化的STEM学习培养学生的科技工科素养，保持创新的激情和不竭的竞争力。

深度学习相对于浅层学习。浅层学习的认知水平停留在识记和理解层面，深度学习的学习者能够批判性地学习知识和规律，并将其整合汇入原有的认知结构中，将已有知识迁移至新的情境，做出决策和解决问题。

阎乃胜认为“深度学习”是指“对信息予以深度加工，深刻理解和掌握复杂概念的内在涵义，建构起个人情境化的知识体系，以知识迁移推进现实任务的完成”。化学深度学习培养四种素养：信息素养、专注本领、学习能力、批判精神。化学深度学习具有自主性、调适性、关联性。

自主性：学生在自主学习中探究，根据元认知理论，一旦学生拥有高的自我认知和调控水平，且对学生进行元认知理论的培训，意识到自我意识和主观调控的重要性，可以积极地对自己的学习状况进行监控、调整，提升学习效率。

调适性：通过各种途径让学生暴露思维过程，让隐性的思维显性化，看到自己思维的不足，再进行归因、分析、矫正。引导学生主动养成自我纠错的习惯，优化思维过程。深度学习要求思维是严谨的、同时也是灵动的，并充满情趣地引导学生对知识进行应用与综合，识记与理解，迁移与应用，反思与评价。

关联性：强调学习内容的有机整合，已知概念与新概念放在一起进行比较和分析，在比较和分析中认识新概念。深度学习从深度思维出发，充分灵活巧借异常实验现象，能将已有的知识迁移到实际情境中，探索意外自主解决问题，解释自然现象内在关联。

“实践型”课堂以落实国家义务教育课程标准为目的，以教材内容为课堂教学主体，学习方式通过综合实践活动来学习新知识，提升关键能力，包括课堂的前置性、翻转性的实践学习活动，课后延伸的实践学习活动，具有课前伸、课后延的多向性、一体化特征。

一、促进深度学习的“一线四阶”STEM项目化设计构想

STEM教育要将能“引燃”学生思维的教学内容设计成实践问题创设教学情境，引导学生教学过程中参与、合作、创新、分享，培养学生动手、合作能力、探究意识、思维、表达沟通能力。

笔者结合多年教学实践，发现初中化学大多数课堂教学设计，都可以分为四项目版块，贯穿探究主线，形成促进深度学习的“一线四阶”实践型课堂教学设计（见图1）。

一阶：从科学问题出发，创设自主学习情境，建构化学基本知识和原理，引发深度学习;

二阶：用技术手段体验，开展实验探索，训练化学基本技能，触发深度学习;

三阶：拓工程生产应用，进行工艺流程研究，形成化学基本方法，激发深度学习;

四阶：融数学思维方式，跨学科联系与整合，成化学学科基本思想观念，活化深度学习。

二、促进深度学习的“一线四阶”STEM项目化“实践型”课堂教学设计案例

以沪教版九年级上册第5章第2节“金属矿物铁的冶炼”为例。

1.一阶起识：用发现的眼睛，在质疑问难中探究

此版块以科学素养为核心，科学素养即运用化学学科知识理解自然界并参与影响自然界的过程。项目运作变形换式：收集信息、览图片会意境、读懂表格、分析各种因素…借助于概念、判断和推理等认知方式，进行化学基本知识和原理自主性深度学习。深度学习根植于真实情境，强调反思和元认知的学习，形成一种主动的、批判性的学习方式，是实现深度意义学习的有效方式。

課前自主学习：学生收集整理金属的冶炼方法。

情境图片：我国大型铁矿基地，这些铁矿基地有哪些种类的铁矿石？

师：介绍常见的铁矿石。矿石主要成分在自然界中主要以化合物形式还是单质的形式存在？属于氧化物的有哪些？资料信息，见表1。

思维活动：表1中矿石不适宜用来炼铁的有哪些，原因？

生：黄铁矿。同纯度矿石黄铁矿含铁量低，其中的硫会产生有毒的SO2气体。

讲述：使金属矿物变成金属的过程，叫做金属的冶炼。

思维活动：对比Fe2O3与Fe的组成上的区别，如何实现从Fe2O3到Fe的转变？

生：Fe2O3和Fe的组成上均含有Fe元素，不同之处在于Fe单质少了O元素。

思维活动：要使Fe2O3转变成Fe，可从哪些方面人手？

生：（1）可在一定条件下，使Fe2O3直接失氧，转变成铁;

（2）可加入某类物质，让其与Fe2O3中的氧元素结合，主动夺取Fe2O3中的“氧”元素，使Fe2O3转变成金属Fe。

学生汇报：金属的冶炼方法。

热分解法：有些不活泼金属仅用热分解法就能制得。

电解法：在金属活动性顺序中，钾、钠、钙、铝等几种金属的还原性很强，这些金属都很容易失去电子，因此不能用一般的方法和还原剂使其从化合物中还原出来，而只能用通电分解其熔融盐或氧化物的方法来冶炼。

热还原法：多数金属的冶炼过程属于热还原法。常用的还原剂有焦炭、一氧化碳、氢气等。

金属铁的冶炼，是把它们的矿物跟易得氧的物质一起加热反应，以夺氧的方式还原铁的氧化物。

思维活动：我们以前所学过和接触过的物质中，哪些可以和氧结合，形成新的物质？

生：Mg、H2、C、CO等物质可实现以上变化。

师：金属铁的冶炼通常使用的还原剂是CO，依据是什么？

交流：从经济效益、环境保护、人体健康、安全生产等角度，工业实际生产一般选择cO。

设计意图：此阶段项目的主题是：金属矿物冶炼金属原理。依据初中阶段认知要求，资源情境图片的呈现，引导从物质存在启迪物质分类，引向组成区别，指向得氧失氧角度，导向氧化还原反应，学科物质元素观、分类观，变化观…逐步生长，建立在真实情境的认知和思维活动基础上的基本知识原理学习，引发学生深度学习。

2.二阶炼能：执思考的意识，在观察比较中探究

此版块项目以技术素养为核心，也就是使用、管理、理解和评价技术的能力。化学是实验为基础的自然科学，实践性是学科的基础属性，因而可以通过实验平台项目化操练技术技能，形成技能认知。实验效果提升依赖技术项目更新，为深度学习提供技术支撑。学生根据实验探究过程观察到的实验现象，通过对比、归纳、演绎等技术手段，产生新的问题，引发思考疑问，进入高阶思维深度学习。

播放视频：制取一氧化碳与氧化铁反应演示视频。按照课本所给的装置来完成，CO直接在实验中制取。

思维活动：

（1）实验中为什么要先通一段时间CO，再加热Fe2O3？

（2）实验结束前应如何操作？

（3）实验过程中为什么需要尾气处理？尾气如何处理？

（4）澄清石灰水的作用是什么？实验中会出现什么现象？

生：实验中先通一段时间CO，再加热Fe2O3的目的：排出装置内的空气，以免加热时CO与空气混合，可能会发生爆炸。实验完毕后继续通一氧化碳的目的，让灼热的铁在CO的环境中冷却。

小组讨论：如何验证实验中产生了铁？

交流分析：炼铁产物的复杂性和验证方法。

设计意图：实验原理是实验的核心，实验设计的起点和依据，遵循可靠性、简洁性、安全性、可行性原则，符合实验的目的要求。采用引导一探究范式，有意义的实践活动情境引入，调动孩子感观兴趣。根据实验原理和实验过程，理清实验操作的步骤，抓住实验方法要点和关键顺序。从单一走向融和，从发散走向聚合，感性认识理性融通，从理性判断散发出诱惑力驱使学生发展高阶思维，训练思维深度。

综合实践活动：教学中，几次实验后我们发现了几个问题：装置多仪器复杂、耗时很长、用气量大效果差、有污染等。对这个实验。我校化学组老师与“绿色风暴”STEM社团学生一起，运用项目化模式，综合各方面知识，尝试将装置改进为如图2所示。改进后的装置与原装置相比有哪些优点？

交流总结：在使用后，有如下的优点。

评析：实践性是STEM教育根本属性。

一是实验用品是生活常用品，变废为宝，装置中储气瓶、导管、酒精灯、铁架等实验用品是生活中日常物，物品都是资源可再用;

二是改进后反应物变色、石灰水实验现象明显;

三是节约药品，实验过程安全、污染小，反应前不需要先通CO，實验后不需要继续通人气体，CO用量和排放到空气中的少，符合“绿色化学”的理念;

四是微型化。装置简单，组合利用，实验过程短，学生插入必要的实验基本操作辅以必要实验技术，学生易于操作。

设计意图：STEM教育注重引导学生自主发现问题，探索分析问题，学生根据实验中观察到的现象，完善方案，更能依据探究目的优化实验方案或改进实验的设想，在质疑和批判中提出问题。知识与实践的结合是项目化学习的特色，对照课本装置设计方案，对比分析实际操作实验效果，教师借机挑起认知冲突，由“冲突点”扩大到“冲突区”。从原料、现象效果、操作、环保、简洁…多维度创新改进实验，验证假设，得出结论，促进深度学习。

3.三阶实效：鼓实践的勇气，在矛盾冲突中探究

此版块项目核心工程素养，即对技术工程设计与开发过程的理解。化学来源于生活，又服务于生活。STEM教学倡导模拟真实的应用情境，引导学生从实际角度分析解决生产、生活或实验室中的问题，体验学科原理观念在化学研究和工农业生产中的应用价值。而当学生发现知识的实际价值和社会意义时，他们是最想学习，他们的学习最有深度。

播放视频：关于高炉炼铁的演示过程。

课堂开放实践活动：新建一座炼铁厂，如何着手？炼铁原料：铁矿石、焦炭、石灰石……

资料卡片：焦炭是把一定品种的煤在炼焦炉中隔绝空气加强热——干馏，而得到的一种坚硬多孔性固体。高炉炼铁时使用焦炭，一是用作热源，焦炭在燃烧时放大量热;二是生成的二氧化碳在高温下与焦炭反应得到还原剂一氧化碳，一氧化碳使铁矿石还原成铁。焦炭硬度大、多孔、在高炉不易压碎，容易使气体通过，且发热量比煤大，所以高炉用焦炭而不用煤。

生：写出高炉炼铁中焦炭变化的化学方程式。

师：石灰石的作用？

CaCO3=CaO+CO2↑

CaO+SiO2=CaSiO3（炉渣——可用于制水泥）

思维活动：进料口、进风口、出渣口、出铁口…安装在高炉的位置？

图片展播：法国画家卡米耶·毕沙罗的《蓬图瓦兹附近的瓦兹河》，画中有画家引以为傲的家乡附近表现城市和工厂的高炉烟囱。

师：尾气主要成分？如何达标处理排放？

课后学生拓展训练：画高炉图形。标注高炉设备各部位名称（进料口、进风口、出渣口、出铁口…），并在各区域写出相应的化学方程式。

课后学生创意物化：绘制炼铁厂工艺流程图，开展模型认知学习。

设计意图：学生以炼铁厂负责人的角色进行生产规划，从生产设备、原料选择、工艺流程…多角度谋划，跨学科知识交错呈现。从质变、量变、能量角度判断生成物;关学角度：高炉弧形外壳，高度确定;物理密度，出渣口、出铁口位置，热学角度高炉内膛材料;环保效益：厂址选择、尾气处理、炉渣再利用;历史文化：画家名作，学生像工程师一样做产品。主题体验式STEM项目化学习引导学生思维进阶，使学生走向深度学习、思考，自然是丰富的，改造自然的方法和过程，可以是艺术的。各学科知识、社会生活“邂逅”，彰显学科价值。

4.四阶创新：拥思想的新境，在问题解决中探究

此版块项目的核心是数学素养，也就是学生发现、表达、联系与迁移多种情境下的问题的解释和解决能力。定量观是高层次基本思想观念。让学生在躬身操作、亲身体验、有感化悟中构建化学定量观。凸显项目化教学综合性、创造性，融多学科、多角度、多形式于同一平台。STEM的精髓在于沟通交流、协作，明辩性思维。教者要突破学科的单一性，将多学科知识与教师、学生的经验、学科价值结合起来，学生尝试学习的迁移运用和问题解决，在相似情境中举一反三，新情境中分析、判断差异，并将原思路模型迁移运用至新情境。解决认知冲突的过程就是学生自我否定，自我建构的逻辑思维进阶生长的过程。

生：工业上用含氧化铁480t的赤铁矿为原料炼铁，得到含杂质4%的生铁。求（1）氧化铁质量，（2）纯铁的质量，（3）生铁的质量。

设计意图：STEM教育不是简单的数学计算，是对化学概念、化学原理量的理解，依据化学基本理论，运用数学方法解决物质组成、结构、变化中“量”的问题的能力。

合作交流：已知在不同的温度下，CO与铁的氧化物反应能生成另一种铁的氧化物（或铁单质）和C02。现利用图3的实验装置进行实验，反应过程中管内的固体质量随温度的变化曲线如图4。

注：图3中的仪器甲是一种加热仪器，图4中A、B点的固体组成分别是FeO、Fe3O4中的一種。

（1）查阅资料发现，酒精灯加热时玻璃管的受热温度是400-500°C，酒精喷灯加热时玻璃管的受热温度是800-1200°C。实验室要利用图3来制取金属铁，仪器甲应选用的加热仪器是（填“酒精灯”或“酒精喷灯”）;图3装置明显存在的不足之处是。

（2）利用图4显示的相关信息，回答如下问题。

①在O～400℃温度范围内，管内固体质量不变，其原因是

。

②图中x=__。

③试据图计算并推断A点固体的合理化学式__。

设计意图：对炼铁原理总结，操作流程反思，装置的美化优化创新，借助坐标数据，同步呈现生产实际，厘清可测量与目标量的量化关系，理解实验原理，或从有关的数据坐标图标中找出推论、分析、解释结论所需的信息，综合应用分析训练评价，提升创新运用知识解决问题的能力。STEM项目化教学的质效，不仅体现在实验操作过程中，实验现象或实验数据是化学原理的外在表现，要善于找出影响实验成败的关键以及产生误差的原因;更体现在对收集的数据进行分析和解释反思中。通过这种反馈，学生不断调整认知，建立宏观和微观之间的交互认识，加深对概念的理解。培养凌驾于学科之上的未来职业和终身学习所需的能力和素养。

（指导老师：泰州市教育局教科所高兴邦）