基于STEM理念的化学教学模式的探究

钟文莉 许应华

摘要：基于STEM-SOS教学模式，建构了STEM理念的化学教学模式。该模式以化学知识为基础、融合计算机技术、工程和数学思想，以解决问题和完成人工作品为目标。依据该模式，对初中化学“化学肥料”进行教学设计，学生的活动作品为“设计一个化肥查询程序”。教学实践表明，该活动能培养学生解决实际问题的能力和合作的意识，提高学生化学学习兴趣。

关键词：STEM化学教学模式;教学设计;化肥推荐谱

文章编号：1008-0546（2021）03-0055-04 中图分类号：G632.41 文献标识码：B

doi：10.3969/j.issn.1008-0546.2021.03.013

STEM教育是当前提倡的一种新的教育理念和模式，是一种重实践、跨学科，区别于传统的注重单一学科知识教学的教育概念。该模式的目标是培养学生的STEM素养，即学生通过在真实项目中的实践，从不同的学科和视角对一个科学现象进行探索与思考，以提升科学素养、技术素养、工程素养和数学素养，以达到培养学生跨学科素养的目标[1]。

化学是一门与社会、生活、技术密切相关的自然科学，在化学教学中融入STEM教育理念，能培养学生跨学科素养。初中化学“化学肥料”是与学生自身生活紧密相关的内容，由于视角不同，教师对该教学内容的设计也不一样，如潘程从STS理念出发对该内容的传统教学方案和STS的教学进行了对比设计[2]，朱纷从落实三维目标角度出发设计了该内容[3]，当前还没有发现从STEM理念出发对初中阶段该课程内容进行教学设计的研究。

一、基于STEM理念的化学教学模式

根据STEM教育理念，教育研究者开发出多种教学模式，不同的教学模式有不同的特点，针对的学科和教学内容也不相同。

LSTEM-SOS教学模式

在众多STEM教学模式中，STEM-SOS教学模式具有流程清晰，易操作，适合化学学科等特点，其发源地为哈莫尼公立学校（Harmony public school，简称HPS）。STEM-SOS模式的核心是基于项目的学习（PBL），其基本操作流程如下[4]。

这个教学模式严谨、跨学科、以教师引导，学生为中心，通过一系列的探究活动完成项目任务，学生在此过程中能力、品行都得到发展。该模式包括五个阶段，其步骤如下：（1）选择项目阶段。选择项目是学习的起点和关键。STEM-SOS模式将项目分为Ⅰ级项目、Ⅱ级项目和Ⅲ级项目三个难度级别，课程规定所有学生必须在完成Ⅰ级项目（必要项目）后，才能进入Ⅱ级项目（拓展项目），继而是更高一级的Ⅲ级项目[5]。（2）分析研究问题阶段。在选择项目之后，必须对项目进行分析研究，即完成该项目需要解决哪些问题，为探究提供方向指导。（3）探究解决方案阶段。该阶段以解决上述问题为目的，收集资料，提出各种方案，并针对问题整合出可行性方案，完成项目。问题是否能解决、项目能否完成的关键取决于这个阶段。（4）展示研究结果阶段。该阶段就是将探究成果公之于众，为后续的反思提供意见和指导。（5）评价和反思阶段。为检验项目的完成情况和探究的结果，需要对整个过程进行价值判断，即评价反思。学生可以反思整个学习过程，也可以根据他人的建议对项目解决过程进行改进，进而形成更合理的方案。

2.基于STEM理念的化学教学模式的建构

经过对STEM-SOS教学模式的分析，发现其探究性、协作性的特点可适用于中学化学教学。因此，以哈莫尼公立学校的STEM-SOS教学模式为基础，结合STEM教育的跨学科整合特征，即从解决问题或进入项目开始，到找到解决方案或者完成一件“人工制品”，建构了基于STEM理念的化学教学模式，如图2。

该教学模式主要分为“情景引入”“获得化学知识”“工程化设计”“展示评价”“测试改进”等5个阶段。各阶段操作如下。

（1）情景引入。首先为学生创造一个真实的、具有实际意义的问题情景，来激发学生化学学习的兴趣。“化学肥料”的教学情境，可以利用湖南卫视“向往的生活”将学生带入到化肥与生活的主题中，以激发学生的探究欲望，为后面的学习建立基础。再提出根据作物病症设计化肥推荐谱的任务，有利于学生明确研究问题，以便为下一步的工程设计做铺垫。

（2）获得化学知识。工程化设计和人工智能就是基于基础知识进行构建、扩充和完善，因此，获得知识是基础。这些知识可以是從书本、网络信息、专家教师等多种途径间接获得。对于初中生来说，最常用的方式就是从教师或书本中获得知识。

（3）工程化设计。工程化设计是多学科融合的有效纽带，是以科学原理为基础、以技术手段、数学方法为解决实际问题的根本途径。为得到最终的“人工制品”，让学生自己动手进行设计、建造，完成一件“人工制品”。在此过程中，学生需要绘制设计图，有能力者可以自己建造产品，从而提升学生的工程素养。如果学生无法自己建造“人工制品”，可寻求他人协助。在这个阶段，当学生面临设计瓶颈时，教师要给予引导，同时也要提示学生设计的完整性和美观性，避免设计偏离学习目标。

（4）展示评价。产品展示分为原型设计图展示和模型展示。原型设计图展示是设计者根据一定的知识和要求设计出产品图，然后对设计图的流程，预想功能进行阐述。模型展示是将设计成果转变成真实可操作的产品，并且对产品的外观、实际操作等做出详细的展示，让别人了解设计成果。在操作展示过程中去收集他人对产品的价值判断和优劣评价，进而判断上述得到的初步“人工制品”是否可行。

（5）测试改进。为检验“人工制品”是否达到目标，需要通过测试去发现设计的不足并反思。通过相互分享，吸收不同同伴的优点，发现新的问题，改进自己的设计。工程设计就是这样一个不断设计、操作测试、发现、改进问题的一个过程。

二、化学肥料的STEM的化学教学设计

1.设计准备

（1）教材分析

九年义务教育化学课程标准对本部分内容的教学要求多属于“知道川了解”的层次。该部分的化学知识和生产生活密切相关，教师应避免单纯知识介绍的讲授式教学。如果能结合数学、计算机软件等知识将本节内容应用于学生的生活实践，那么学生更能体会化学在生活中的作用，能更好地培养学生对化学的热爱。

（2）学情分析

学生在生活中已经了解过化肥的相关内容，有一定的基础，但本课题侧重让学生了解化肥的应用以及掌握不同化肥鉴别，从而完成本课的学习。这个阶段的学生对计算机的热情比较高，同时具有较强的动手能力和求知欲，把化学知识与信息技术结合在一起，可以将枯燥的科学知识生活化，利于学生知识的掌握。因此通过该STEM课程学生更能体会社会、生活、化学之间的联系，活学活用化学知识，提高化学学习兴趣。

2.设计思路

根据STEM教育理念，将化学知识、计算机技术、工程设计和数学四者结合起来设计，设计思路如图3所示。首先是创设情景，学生带着问题学习化学和其他相关知识，体现STEM的S（Science）。接着，学生查找不同化肥的作用和性质，对软件进行设计。依据教师的讲解和自己的创新完成设计图，展示交流，体现工程层面E（Engineering）。然后，师生根据设计的软件图，共同开发软件，或者可以运用现成的相关软件，进行改进，体现工程技术T（Technology）。最后，为完善化肥推荐谱的设计，借助数学统计、数据分析、计算来完成定量化肥的设计，体现数学的应用M（Mathematics）。

3.教学过程

（1）情景引入

教师活动：最近湖南卫视的“向往的生活”节目让明星们去到农村过一种自给自足的生活，他们自己种植农作物，体验农民伯伯们的生活。在种植的过程中他们犯难了，有的作物叶片发黄，有的伏倒，于是他们给作物施加了化肥，那么究竟该施加哪一种化肥呢？

设计意图：明星效应引入课题，激发学习兴趣，明确本节课的研究问题是化肥与生活。

（2）化学知识（Science）的学习

教师提问：生活中的化肥种类有很多，其性质也有所不同，而这些化肥中有钾肥、氮肥、磷肥和复合肥四大类。（1）这四大类化肥分别含有哪些化合物呢？它们的作用又是什么？（2）使用这些化肥的利弊是什么？（3）使用不同类型化肥的时候应该注意什么？（4）如果这些化肥混合在一起，我们该怎么去区分？

学生活动：阅读教材回答问题，查找资料，总结归纳形成答案。

设计意图：引导学生在已有知识和生活经验的基础上探索。通过物质的分类，让学生形成物质分类意识，培养宏观辨识的学科素养。通过阅读教材，提取相关信息，培养学生总结、归纳、提取信息的能力。用问题激发思考，学生自己努力找到的答案更能加深印象，便于记忆。小组分工合作培养学生的交流沟通能力和合作意识。

归纳总结：教师引导学生用思维导图列出化肥的种类、存在、作用，如图4。

设计意图：以思维导图的形式加深印象，使得零散的知识系统化，便于理解记忆，为后面化肥推荐软件的制作做铺垫。

（3）工程化的设计

根据“向往的生活”节目组遇到的问题，如何设计一个化肥管理软件来帮助他们呢？如何快速寻找不同化肥的性质，以及针对不同作物的化肥推荐？设计一个能够快速查询的界面或软件。

设计意图：通过情景提出问题，更具有真实感，让学生明确工程设计的任务。

设计提示：教师讲解查询界面的设计（Engineer-ing的实现）。

①确定作物信息和症状。

②查询不同化肥的性质。

③选择不同种类的化肥，出现不同作物的化肥推荐。

④优化化肥推荐谱和软件，丰富软件的功能。

设计意图：引导学生进行工程设计，在本阶段，学生运用STEM中的科学知识、计算机技术、工程思想和数学统计分析，进行化肥谱编制，小组合作解决问题。在进行化肥谱规划过程中，更能快速掌握化肥与生产生活的关系。

（4）展示评价

教师展示原型设计图（Technology的应用）：打开软件，设置作物信息，点击确定，了解各种化肥的性质，如图5。

弹出不同化肥的性质表作为参照，选择化肥类别，出现化肥推荐谱，如图6所示。

设计意图：体现STEM中的技术方面，学生真正地动手操作，体会科学与技术的关联，通过操作发现问题，进行改进。计算机软件辅助技术可以节约我们制定计划的时间，并且精确、科学。软件操作对于学生来说是一个新鲜事物，所以需要教师先进行演示。

（5）测试改进，反思问题

学生提问：前面设计的软件仅仅是定性的推荐化肥而没有定量，如何做到定量的推荐呢？即如何在限定面积，规定作物，给出化肥准确的量呢？

【实例】在小麦生长过程中发现小麦植株矮小，叶片发黄，该症状说明小麦需要含氮元素的化肥。根据小麦生长所需要的肥料需求来看，每亩需要施纯氮10公斤，根据计算公式：化肥质量=作物所需元素分量÷化肥中所含该元素的比重。尿素含氮量为46%，则每亩小麦实际需要尿素的质量为=10÷46%=22公斤。碳酸氢铵含氮量为17%，每亩小麦实际需要碳酸氢铵的质量为10÷17%=60公斤。复合肥中含氮量为15%，则每亩小麦实际需要复合化肥的质量为=10÷15%=66.67公斤。因此，化肥推荐为（1）施加22公斤尿素;（2）施加66公斤碳酸氢铵;（3）施加66.67公斤复合肥。

设计意图：通过定量问题的设计，将数学知识和化学结合起来。通过教师举的实例使学生理解如何进行定量化肥的制作。通过计算、再设计、再操作，学生建立S-T-E-M的联系，促进对STEM教育的深层理解，培养STEM素养。

4.教学设计反思

让学生做到学以致用，解决生活中的问题，培养创新意识是化学教学的目标，STEM教育理念下的项目教学能有效实现该目标。为此，我们采用STEM教育模式对“化学肥料”进行教学设计，并实施。教师在教学活动中，渗入计算机技术，数学知识，让学生展示自己的设计成果，根据自己的意愿来设计、开发。学生在教学中需要完成一件人工制品，即“化肥推荐查询软件”，该作品以化学知识为基础，融合农学，计算机科学，数学而设计。教学实践证明，该教学设计能激发学生的化学学习兴趣，提高学生综合应用知识解决现实生活问题的能力，学生也真实感受科学和技术的魅力。

该教学模式也可以应用于其他与学生生活相关的教学设计，例如“人类重要的营养物质”“化学元素与人体健康”等内容，可以说，此教学模式非常实用。

参考文献

[1]傅骞，刘鹏飞.从验证到创造——中小学STEM教育应用模式研究[J].中国电化教育，2016，351（4）：76-83+110

[2]潘程.在初中化学教学中渗透STS理念——基于“化学肥料”的两种教学设计对比研究[J].化学教与学，2014（11）：12-14+23

[3]朱纷，潘程.如何在初中化学教学中整体落实三维目标——以“化学肥料”为例[J]北学教育，2013，34（1）：28-31

[4]杨华平.美國哈莫尼公立学校STEM教学模式（STEM-SOS model）研究[D].成都：四川师范大学，2017：17-18

[5]张志新，夏颃淇，刘静.美国STEM-SOS教学模式的特点及启示[J].教学与管理，2019（16）：79-82

*本文系重庆市高等教育教学改革重点项目“基于学科核心素养的卓越化学教师培养模式的探索”（编号：182013）阶段性研究成果;重庆师范大学——重庆市大学城第一中学校教育硕士研究生联合培养基地成果。

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