基于STEM教育理念的“四线五阶”课堂模式的教学设计

张子豪 胡俊平

摘 要：作为教育界广泛关注的热门话题，STEM教育被世界各国的教育行业和领域所广泛认可。本课题以培养学生核心素养为目标，把“四线五阶”的课堂模式融入到高中化学反应速率的教学设计之中，以大象牙膏探究实验为例，帮助学生树立宏观辨识与微观探析等核心素养激发起学生对化学的学习好感，让化学学科核心素养融入到课堂教学中。

关键词：STEM教育;高中化学;教学设计

一、STEM教育理念

国外关于STEM的教育理念的探索和研究比较早，STEM的教育最初起源于美国， 我国在STEM教育方面虽然起步较晚，但是我国从根本上认识到STEM教育教学理念的重要性后，在高校、教育行政管理部门、社会组织等都广泛地参与了进来，开发整合STEM相关学科的课题项目和教学资源，深化了STEM课程综合化的覆盖范围和水平，促进了我国STEM相关学科课题教育的的发展[1]， 使我国在STEM教育方面取得突飞猛进。

综上所述，各个国家都认为课堂不应该单单的给学生传授知识，而是让学生把知识与生活相联系，STEM这一教育理念就运用各个学科的知识，让学生学会运用知识学会解决问题。

二、“四线五阶”课堂模式

“呈现事实，感知模型”是基于真实情境，从学生日常生活经验和已经学过的知识出发，感知概念模型的事实基础，“分析推理，假设模型”是从几个事实出发，以分析和推理的思维方式提炼出几个事实之间的共性特征，从而大致能假设科学概念模型，“实验论证，验证模型”是利用实验等活动，以实证的技术手段进行科学概念模型的验证，构建概念内涵中核心进阶变量关系，“分析评估，完善模型”是通过对概念的进一步分析和评估，从本质上揭示科学概念中各要素和变量之间的联系，特别是变量之间的“自变”和“共变”关系，从而进一步完善概念模型，“迁移预测，应用模型”是以概念模型来解释和预测新情境中的新问题，需要把新建构的科学概念融入整个学科观念之中[8]。科学概念建构的“四线”是情境线、问题线、活动线和目标线[8]。

三、设计实践

选于高中化学选修四“化学反应原理” （人教版）第2单元“化学反应速率和化学平衡”课题二“影响化学反应速率的因素”。“化学反应原理”中学生较难掌握的一个部分。“化学反应速率和化学平衡”为我们后面学习电离平衡和溶解平衡打下基础[2]。“化学反应速率和化学平衡”在每年高考生命题的重要性热点，一般在化学第十题分值大约在14分左右。可见化学反应速率对高中生的高考复习是很重要的。本节课将面对的是高二的学生，他们已经经过了初中一年和高中一年的化学学习具备了一定的化学基础知识，一定的实验操作能力，会观察实验现象并分析归纳实验的能力，采用合适的实验可以调动学生对化学学习的积极性，并且在必修2中学生已经学习过基本的知识，本节课将在必修2的基础上更加深入的学习。本节课要达到以下的教学目标：1.通过学习了解化学反应速率的概念以及影响化学反应速率的因素。2.通过探究实验学会控制变量的实验方法，能基本分析化学实验。3.培养对实验的观察、分析讨论的能力。基于以上的教学目标结合STEM教育理念和“四线五阶”课堂模式完成了化学反应速率的教学设计。

1.呈现事实，感知模型

（1）师生活动

展示“水溶洞、烟花绽放”两幅图片通过鲜明的图片，引起学生的兴趣;通过两者的对比引出化学反应有快有慢，那么化学反应快慢又用什么表示？如何定义的？以及定义式是什么？请同学们阅读课本找出答案，并推导出化学反应速率的单位是如何得出的。

（2）设计意图

直接讲解化学反应速率的定义以及表示方法太枯燥乏味，引用鲜明的图片来吸引学生的注意力，引出化学反应速率的相关知识，为下面影响化学反应速率的因素做铺垫。激发学生的学习兴趣，有利于提高课堂效率。

2.分析推理，假设模型

（1）师生活动

展示“钢铁生锈、废气处理、塑料分解”三幅图片。引出人们有时希望化学反应是快速的，有时却想化学反应是缓慢的，可是又该如何控制化学反应速率呢？控制化学反应的速率要知道有哪些因素可以影响化学反应速率，这样才能控制化学反应速率。请学生通过讨论说出实际生活中有哪些因素可以影响化学反应速率，并列举出例子。

（2）设计意圖

通过学生已有的生活经验推出有哪些因素可以影响化学反应速率，将学生已有的经验与所学的知识相联系，加深学生的印象。

3.实验论证，验证模型

（1）师生活动

以上的几个因素是否真的可以对化学反应速率有影响，只有通过实验根据实验现象才能证实，实验具体方案如下。

①5%过氧化氢5mL + 碘化钾 2mL + 洗洁精1mL（常温）

②15%过氧化氢5mL + 碘化钾 2mL + 洗洁精1mL（常温）

③30%过氧化氢5mL + 碘化钾 2mL + 洗洁精1mL（常温）

④15%过氧化氢5mL+ 碘化钾 2mL + 洗洁精1mL（55℃）

⑤15%过氧化氢5mL + 碘化钾 2mL + 洗洁精1mL（95℃）

⑥15%过氧化氢5mL + 高锰酸钾2mL + 洗洁精1mL（常温）

请同学分析这六个实验怎么分组进行探究实验，最终分成三组实验，观察实验现象，第一组实验是实验①②③，探究浓度的影响，实验现象（见图4.4探究温度现象）;第二组实验是实验①④⑤，探究温度的影响，实验现象（见图4.5探究温度现象）;第三组实验是实验②⑥，探究催化剂的影响，实验现象（见图4.6探究催化剂现象），并分析实验结果，得出可以影响化学反应速率的因素。

（2）设计意图

通过实验探究得出实验结论，实验视频可以吸引学生的注意力，直观的实验现象不仅通过事实诠释了实验结果也加深学生对知识的理解和印象。学生自己分析实验加上教师引导得出的结论，这样可以培养学生分析实验能力，加深了学生对知识的印象，教师的及时引导可以发现学生的问题时可以及时指出。

4.分析评估，完善模型

（1）师生活动

通过提出问题，引出化学反应本质，提出问题：是否发生碰撞就一定会发生反应？接着通过类比投篮，解释化学反应的微观现象，并解释有效碰撞、活化能、活化分子、反应热的概念[9]。通过反应过程-能量的图像来解释活化能、反应热以及活化分子与反应速率之间的关系。

（2）设计意图

提出问题，引起学生兴趣，引发学生思考。通过类比，解释微观现象更通俗易懂，使学生更容易理解微观解释。通过图像来解释各个反应的概念，更加直观，学生更容易接受。

5.迁移预测，应用模型

（1）师生活动

首先回归之前的问题，请学生思考如何解决钢铁生锈、废气处理、塑料分解的现象。其次为教师选择一些有针对性的题目让学生自主练习。

（2）设计意图

让学生尝试解决实际问题，培养在实际生活中遇到可以联系到所学知识。适量的习题可以巩固学生所学知识，让学生掌握的更加牢固，及时的复习可以减少知识的遗忘。

四、教学反思

本节课用图片展示及关键问题提问来吸引学生的注意力，从而使学生有更高的积极性参与到课堂当中。学生将已有的知识和将要学习的知识进行联系，并通过实验进行探究，观察到了直观现象，进一步证实了影响化学反应速率的因素，又通过类比的方法从本质上分析为什么会影响化学反应，使宏观与微观相结合，通过图像来解释各个反应的概念，更加直观，学生更容易接受，并且进一步使学生了解化学反应速率，课后通过练习巩固知识。

对于本论文的教学研究，首先从分析什么是STEM教育理念、基于STEM教育的教学目标、本着“四线五阶”课堂模式的教学思路以及具体实施流程等四个方面出发。选取的课例也是教育教学中的重点，较切近生活并且可操作性强，也符合当地教育的实际教学。本节课中学生也可自行设计探究实验方案，条件允许的情况下，可以让每个学生证实自己的方案是否可行，由于暂时条件有限，本节课我采用了视频演示实验。

“化学反应速率”是化学原理这部分在高考中是非常重要的内容， 该节课在传统的课堂模式中内容抽象而枯燥，知识点之间环环相扣，而每个知识点的逻辑性强。大多数学生在学习本节课时，枯燥乏味，不易理解知識，更不知道如何运用知识。而基于STEM教育理念下“四线五阶”课堂模式下的“化学反应速率”这节课，首先通过联系学生的实际生活，引入课堂环境当中，接着通过创新实验，最终得出影响化学反应速率的结果，最后再回归实际生活当中。这样不仅可以加深学生对知识的印象，还可以锻炼学生的思维模式。

参考文献

[1]杨亚平.整合性STEM教育理念下工程类高职数学教学模式的建构[D].上海：华东师范大学，2016.

[2]刘娟娟.“化学反应速率和化学平衡”学习难点成因分析与教学策略研究[D].武汉：华中师范大学，2013.

[3]龙威.“化学反应速率的影响因素”的突破与提高[J].数理化解题研究，2017（04）：82-83.

[4]宋巧颖. 基于STEM教育理念的中学化学教学设计与实践[D].闽南师范大学，2018.