融合STEM理念优化基于学习共同体的初中化学课堂教学

赵国华

摘要： 用学生学习共同体活动的视角，对美国杰森课堂STEM教育“这是一个爆炸”项目进行解读。探索融合STEM理念的初中化学课堂教学，以学生学习共同体活动为基础，基于真实情境实施项目学习，基于自主合作开展探究活动，基于迭代学习优化研究过程。实现为素养而教育，为创新而学习。

关键词： STEM; 学生学习共同体; 初中化学; 课堂教学; 项目学习

文章编号： 10056629（2020）06004305  中图分类号： G633.8  文献标识码： B

STEM是科学（Science）、技术（Technology）、工程（Engineering）、数学（Math）的字母缩略词，有时还加上艺术（Art），合称STEAM。 STEM教育可以从两方面理解： 一方面，STEM是为解决真实世界的问题，有目的、有方法、有系统地将四门学科进行融合而形成的一门综合性课程;另一方面，STEM是以科学或工程问题的课程为主线，为学生提供一系列关联性学习经历的一种学习方式或教学策略。本文所采用的是后一种。

学生学习共同体是学生以完成共同的学习任务为载体，以促进成员全面成长为目的，以自主学习为基础、探究学习为核心、合作学习为手段，互为学习伙伴，互求互助，互帮互暖，分享彼此的情感、体验和观念，有共同目标和明确责任分工的学习团体。主要是以小组学习共同体为基本载体与重要形式。

2017年教育部首次把STEM概念融入课程标准。STEM教育与核心素养在人才观、创新观与知识观等方面有高度的契合性，和学生学习共同体活动的内涵与形式有广泛的相似性。本文尝试通过对美国杰森课堂STEM教育的项目解读，就实施融合STEM理念的初中化学课堂教学做初步探讨。

1 杰森课堂简介

“杰森课堂”STEM教育是由美国学区教育长协会、三立国际集团和杰森课堂三个机构共同打造的项目。项目根据上述机构多年在世界各地培训STEM师资的理念、方法和实践，结合中美两国基础教育的特点，通过演示、实验、操作、互动等方式提升教师能力。“杰森课堂”STEM教育（初中综合）每年暑期在中国各地实施培训教师项目，每期5天。培训主要内容有： 如何激励并促进学生对STEM的兴趣，培养学生自主研究和课堂合作;基于问题的学习方法，创新培养与最优设计;科學与工程实践的关键所在——建模及建模的作用;多媒体、多形式的教学方法与翻转课堂;学生作业布置，课程计划与排序的技巧等。培训过程中，参训教师以学生身份分成小组学习，每天以不同的核心内容为重点，接受STEM教育的核心内容、实践和技术。在多媒体教学环境中，亲身体验各种注重科学和工程实践的探究式动手实验和活动，探索并讨论多课程整合和实施的最佳做法，促使参训教师深入理解如何培养学生的创造力与创新精神、批判思维与动手能力、沟通能力与合作精神，加深对各自任教学科知识的理解，不断提高授课技能，并将此引入自己的课堂运用于实际。

2 项目课例解读

“这是一个爆炸”是“杰森课堂”STEM教育（初中综合）中的一个项目，从基于学生学习共同体的初中化学课堂教学的视角可以展开以下解读。

2.1 榜样力量

播放视频剪辑： 了解Kobie Boykins。2011年秋天，NASA喷射推进实验室的机械工程师Kobie Boykins和他的团队焦急地看着Atlas V 541向火星发射，这是因为他们参与设计的“好奇号”探测车是Atlas运载火箭和其他航天器的一部分。

STEM教育非常重视积极的榜样力量。STEM教育中的“榜样力量和基于现象”的教学可以理解成基于真实情境的教学。在初中化学教学中可通过学科榜样的正能量和基于有价值的真实情境解决真实的问题，避免情感教育的虚无化，体现学科知识的实用性，激励学生参与学习探究。

2.2 锚定现象

科学家是怎么解决如何将航天器送上火星的问题的？或者如何将火箭送上太空？如何模拟“登陆火星情景”创造和测试火箭运动的？

“杰森课堂”STEM教育认为：“当学生面对科学和工程实践研究领域的令人信服的自然现象或工程领域从事有意义的设计问题时，教学顺序便显得更加连贯，这些现象和设计问题称为锚”。“锚定现象”可以理解为设置驱动性问题，真实而有价值的驱动性问题的提出可以刺激探究的热情和动力。核心问题的提出应根据教学内容和学科特点并建立在充分了解学情的基础上，化学课堂教学中可以让学生根据情境先提出感兴趣的问题，然后教师引导学生将生活化或工程性的问题转化提炼为关键的学科问题以便展开教学。

2.3 确定模型

教师演示胶卷筒火箭实验： 将Alka Seltzer泡腾片和水放入塑料胶卷筒中，塞好塞子倒放，片刻后胶卷筒升空。

“杰森课堂”此环节中教师利用常见的泡腾片、胶卷筒等生活化实验素材开展演示实验，利用教师演示确立实验模型。化学教学中也应引导学生从生活走进化学，从化学走向社会，将化学知识“溶解”于生活实际再“结晶”出来，使学生在基于日常生活的“化学世界”中开始探究，启迪学生学科思维，培养学生探究意识、创新意识和实践能力，促进学生终身发展。

2.4 合作探究

学生四人一组，猜想影响胶卷筒火箭升空的因素（寻找自变量和应变量），学生先独立思考，初步假设并解释原因，然后小组合作探讨并进行实验验证。

引起思辨是实质性探究的开始，此环节中教师创设情境确定项目后，使用了思考配对分享策略，即学生先独立思考，再组内交流探讨。根据驱动性活动任务开展合作学习是小组学习共同体活动的关键环节。由于认知方式和学习风格存在差异，不同层次的学生会从不同角度提出个性化的解决方案，在小组合作初步实验探究后会得到多样性的方案，对于学生个性化学习空间的释放和多样性研究成果的孵化均能取得良好的效果。

2.5 交流分享

每个小组发言，全班交流后确定4种主要影响因素： 水的质量、泡腾片的质量、泡腾片状态、火箭形状。

初步探究后各小组之间的交流既可以拓宽研究思路，也可以在实验证伪或被质疑后及时调整方向，更可以通过归纳分析得出探究的初步规律和结论，体现教师在情境性探究思路上的引导作用。值得注意的是，在真实的化学课堂教学中，真实问题情境中的实验探究是复杂的，实验证伪和试错也是科学探究组成的一部分，学生可以在失败中学习，从错误中吸取经验并提出新的思路，体会现实世界中的科学家们真正的研究状况。

2.6 深入研究

每小组重新确定一种影响因素后单独展开深入研究，同时确保班级内每种影响因素至少有两个小组进行研究。

这里采用了STEM教育中的循环（Round Robin）策略。深入研究环节中小组成员对方案设计不断进行改进修正和优化完善，学生在知识理解和动手操作两方面循环并行或串行展开的过程中，实现了螺旋式上升的科学探究形态，体现了工程设计中迭代的特点。每种因素至少有两组独立展开新一轮探究，鼓励学生从多个视角思考问题，设计出不同的方案，凸显学生的个性化，产生多样性的学习结果，体现了STEM教育培养的“发散性”。

2.7 团队会议

根据测试的变量来组织大组团队会议，即研究同种影响因素的几组人员集合讨论分享研究发现，并研讨以下问题： （1）虽然各组的实验可能不同，但是怎样才能比较各组的数据;（2）是否有数据支撑总体模式;（3）基于收集到的证据你能得出什么结论。然后根据教师提供的自变量和应变量关系如何表示资料，各团队根据研讨结果，结合各组数据画出应变量与自变量的相关图像。

活动过程至此环节，学生已历经“独学组学群学”的学习过程，由浅入深，由点及面，形成了多层次的学习共同体，也体现了杰森课堂团队合作策略中的合理分工、民主决策、群学攻关的特点。活动中，通过讨论和分析、类比和归纳，基于证据得出结论，合理表达形成图表;借助数学思维对研究对象进行分析、描述、计算和推理，解决科学、技术、工程领域的某些问题;促使学生的认知思维从横向、纵向不断发展延伸，达到对各学科知识与技能的整合与应用，实现对知识的构建、加工、生成和迁移，体现了STEM教育培养的“综合性”。

2.8 大组展示

每大组用3分钟时间进行分享。分享应包括以下内容： （1）测量了哪个变量;（2）描述团队对于变量有哪些假设，如何处理不同意见;（3）简述不同的实验和结果;（4）根据实验探究，分析数据并总结规律得出结果;（5）解释下一步打算做什么。每个大组分享完毕后必须回答其他组同学对此提出的2～3个问题。

展示与分享环节呈现出成果充分展示、团队有效互动、教师高效点拨的情景。不仅帮助学生知识最大限度内化，也培养了学生的表达与沟通技巧，内容（5）更促使学生对实验设计和探究过程的整体把控和反思，对知识更深入的理解与思考。根据此前学生和教师共同制定的小组活动规范和团队合作评价标准，结合学生自评、团队互评和教师点评，统筹个人评价与团队评价，兼顾实验评价、展示评价和创新评价等。主体多元、内容多维、形式多样的发展性评价在此环节得到集中体现。

2.9 最终挑战

利用实验中所学的知识以及其他团队的经验，設计一枚能够登陆火星的火箭，并测试火箭性能。即在墙上的适当高度贴上火星图案，火箭从地面升空后最高高度位于火星图案中部即为成功。共计10分钟时间。

此为实践应用环节。利用新知识解决具有关联性的新问题或解释新现象，引导学生参与讨论、协作交流和合作探究。作品制作过程中不断试验、反思、改进、创新，实现知识的融会贯通、迁移运用和进一步内化，培养他们团队协作、问题探究和科学创新的能力，不断提升综合素养。

3 课堂教学启示

实施融合STEM理念的化学课堂教学，不是对传统学科教学的彻底否定，而是基于国家课程根本地位的坚守。在依据当前学校日常教学制度安排、尊重课堂教学基本规范的基础上进行有机链接和整合，基于学科，适度融通，指向学科核心素养。因此，融合STEM理念的基于学生学习共同体的初中化学课堂教学，应以学生学习共同体活动为抓手、化学课程内容为核心目标，利用真实问题情境来驱动学习;以科学探究为教学活动的中心并贯穿于整个教学过程，凸显STEM教育实施的“探究性”，体现STEM教育过程的“迭代性”，落实STEM教育培养的“发散性”。

3.1 基于真实情境实施项目学习

STEM教育常常基于真实问题的解决开展探究学习。各版课程标准中关于创设情境有过如下表述： 创设生动而有趣的情境（2001实验版《义务教育化学课程标准》）;创设真实而有意义的情境（2011版《义务教育化学课程标准》）;创设真实、有价值的问题情境（2017版《普通高中化学课程标准》）。核心素养是学生在面对真实、不确定的问题任务时所需要的关键能力、必备品格和正确态度。化学学科核心素养一方面需要在真实问题情境下才能表现出来，另一方面也只有在分析和解决真实问题任务的过程中才能得到培养和发展。由此可见，以发展学生核心素养为目标、真实问题情境为载体、解决实际问题为目的、利用学科知识为工具展开课堂教学是化学教师的应然追求。

项目式教学被认为是最具有核心素养融合发展效力的教学方式。《中共中央国务院关于深化教育教学改革全面提高义务教育质量的意见》中提到： 探索基于学科的课程综合化教学，开展研究型、项目化、合作式学习[1]。项目式学习是学生在一段时间内通过研究并应对一个真实、有吸引力和复杂的问题，以学习共同体的形式，历经提炼问题、设计方案、合作探究、成果形成、展示交流、评价改进等各个阶段直至解决问题。学生在共同体活动中，经过调查、实证、推理、思辨、迁移等问题解决过程，掌握重点知识和技能，形成学科观念和思维方法，逐渐成长为创新型、复合型人才。

化学课堂教学中开发和整合基于STEM理念的项目活动时，项目的确立应基于《义务教育化学课程标准》、教学内容和学生经验;来源于当前社会热点、工农业生产和身边所要解决的问题;以贴近社会、贴近生活和具有可操作性为特征;承载化学学科核心知识、思想观念和核心素养。教学中通过真实有意义的问题情境开展体验性、开放性、综合性、实践性学习，符合初中学生解决真实世界中复杂问题的需要，实现知识从拼盘式结构走向立体性融合。例如： 以“寻找地球以外的生命”探究水的组成、以“神奇的天气预报员（天气瓶）”学习溶解度、以“探秘鱼浮灵”熟悉我们周围的空气、以“双效复合泡打粉制作糕点”复习厨房中的化学等。教学中可根据实际学情适当降低项目或问题的大小与综合性，更有利于灵活实施。

3.2 基于自主合作开展探究活动

《义务教育化学课程标准》倡导“自主、合作、探究”的学习方式，以小组团队形式开展自主学习与合作探究是学生学习共同体与STEM教育开展活动的主要方式。其中，自主学习为共同体学习启航，合作学习为共同体学习护航，教师的指导引领为共同体学习导航;学生个体学习与团队合作兼顾，学习过程由被动学习转变为主动探究，学科知识由平面碎片到形成基于关键概念或能力的立体网络，实现共同体成员的共享共生共成长。

基于自主合作開展探究活动的教学设计要指向学生核心素养，围绕学科核心知识，设计高质量的驱动性问题，确保探究任务的真实性与开放性、探究内容的复杂性与挑战性。活动过程中互动性与生成性共生、情境性与新颖性并存、探究性与创新性兼顾、思辨性与实证性统一，有效促进不同层次的学生从不同角度参与讨论、探究和解答以解决实际问题。

自主学习时教师提供学习资源，学生与文本对话，独立思考，构建自己的内化经验。学生在自主学习的基础上，通过与他人的对话、开展同桌两两对学、互学互帮、互补互促，解决基本问题，初步了解知识。教师作为助学者，既是资源引导者，又是任务咨询和监督者。

经过学生独学和同桌对学未能解决的中等难度问题，教师可组织4～6人小组学习共同体展开组内群学、优生帮学、进阶合作、互动共进。对于需动手操作解决的问题，教师可设计驱动性活动，激发学生积极参与，并采用组内分工进行合作探究。例如，6人小组可以作如下分工： 组长（分配任务并协调关系，确保活动能按时高质量完成）、实验员（负责动手操作实验等）、影像采集员（负责实验时的影像采集、编辑小组交流汇报资料）、文字记录员（负责记录实验现象、讨论的主要结论、填写学案等）、成果汇报员（整理采集的信息，小组汇报交流）、纪律监督员（负责督促学习进度和学习检测质量）。学生合作探究时教师是旁听者、记录者、鼓励者和引导者，通过多层次的合作学习产生深层次的对话，进行深度学习，促进学生核心素养的发展。

3.3 基于迭代学习优化研究过程

在融合STEM理念的基于学生学习共同体的化学课堂中，师生围绕一个真实有意义的情境，以驱动性问题贯穿项目始终，由教师提供支架[2]，开展深层次的对话、多样化的活动，将真实问题转化为化学学科问题。以自主与合作的学习方式作为学生探究的行为载体，促进学生参与到小组学习共同体中去开展深入的研究和创新，建构模型解决化学学科问题，根据模型的抽象概括最终形成实际问题的解决方案或产品[3]。整个学习过程不是一蹴而就的，一个探究点结束可能触发新一轮的探究过程，需要多次设计、修改和完善。证伪也是探究，要允许学生试错。研究过程体现了循环学习、迭代优化的特点，如图1所示。

展示分享结果是研究过程中迭代优化的重要环节。学生可自主选择展示分享方式，但一般应包括四个内容： 做了什么、怎么做的、分析和解释得到了什么结果、下一步打算做什么;并且每个小组分享完毕后必须回答其他组同学对此提出的2～3个相关问题，增加观点交锋;教师适时进行评价与点拨，促进创造性思维的发展。在师生、生生之间进行的内容多维、主体多元、形式多样的发展性评价中，学生对研究中获得的经验、观点与成果等进行思考与辩驳，思维发生碰撞，由此发现新问题、着手解决后续问题，不断迭代优化，最终达成共识解决问题。

当原有的教学课时不能满足学生不断的迭代学习和探究过程时，教师应努力提升自身化学课程的整合力，包括将单元教学中的目标整合、知识整合、情境整合、活动整合，以系统化思维实施单元主题式教学设计，推动课堂教学的深度转型。因此，在项目化研究过程中，学生通过学会“问题解决”培养了学科关键能力[4]，通过学习共同体中“团队合作”发展了必备品格与价值观念。

4 结语

融合STEM理念，优化基于学生学习共同体的初中化学课堂教学，应从初中学生的学情出发，以学生学习共同体活动为基础，以发展化学学科素养为核心，围绕身边的一些自然现象或者真实事件，采用项目式学习，基于设计、问题解决、发现和探索性等学习策略，以解决实际问题的逻辑顺序为主线来组织教学内容。融合STEM理念的教学，不仅为小组共同体合作学习、项目学习找到了落地的载体与平台[5]，而且它更关注整体认知、更重视实践体验、更突出思维创新、更强调主体自觉，更注重问题驱动与素养迁移，实现了为素养而教育，为创新而学习。当然，需要注意的是，教学方式的选用应与具体的学习内容相适应，并非所有的初中化学知识都适合融合STEM理念。

参考文献：

[1] 中华人民共和国国务院. 中共中央、国务院关于深化教育教学改革全面提高义务教育质量的意见[Z]. 中华人民共和国国务院公报， 2019.

[2] 赵呈领， 赵文君， 蒋志辉. 面向STEM教育的5E探究式教学模式设计[J]. 现代教育技术， 2018，（3）： 106～112.

[3] 吴晓红， 田小兰， 蒋思雪. 以培养学生STEM素养为目标的项目式学习设计——以“爱护水资源为例”[J]. 化学教学， 2017，（12）： 38～43.

[4] 申燕， 陈尚宝， 邹志谱. 基于STEM理念下的项目式学习课例设计——以“探秘人体的呼吸”为例[J]. 化学教学， 2019，（9）： 50～55.

[5] 卢苗苗， 郑雅君， 占小红. STEM教育理念在高中有机化学教学中的渗透——以“柠檬精油的提取工艺”为例[J]. 化学教学， 2018，（7）： 45～50.