融入STEM 理念的初中化学复习课教学实践研究——以“再探带火星木条复燃与氧气体积分数的关系”复习课为例

陈晓雪

（南平剑津中学，福建 南平 353000）

一、研究背景

《义务教育化学课程标准（2011 年版）》把科学探究设定为一级主题，在各个主题中创设了丰富的生产生活情境，提出了探究性活动的有效建议，指明了各主题科学探究的学习要求。科学探究是学生积极主动获取化学知识、认识和解决化学问题的重要实践性活动，是一种重要而有效的学习方式。［1］

STEM 教育强调的是跨学科内容的有机融合，注重引导学生思维构建，而非简单模仿记忆，重在学生意识创新、质疑精神的培养，发展学生科学探究及信息技术等未来社会必备的能力和素养。［2］文章以“再探带火星木条复燃与氧气体积分数的关系”实验复习课为载体，融合STEM 理念，通过任务驱动完成相关内容的复习，建构网络化知识的同时发展学生解决综合问题的能力，增进学生对化学实验的整体理解。［3］

二、教学思路

该课例是一节初三实验复习课，以“探究使带火星木条复燃氧气体积分数最低值所在的范围”为问题导向，利用数学、科学、技术和工程等相关联的领域内容进行探究（如图1），激励和培育学生的质疑精神，培养学生的实践合作、创新能力以及证据推理的综合素养。融合STEM 教育理念，通过完成科学探究，搭建起定量收集不同体积分数的氧气、实验方案评析以及实验误差分析的探究体系，旨在增进对学科的整体理解，实现科学理论与科学探究的深度融合。

三、教学目标

根据知识内容的选取以及STEM 教育理念的理解，具体目标为：

图1 基于STEM 理念的探究式实验复习课

一是通过开展使带火星木条复燃的氧气体积分数最低值所在范围的实验探究，初步学会开展分组和对比实验的方法，了解科学探究的一般过程，增进对科学探究的理解和体验。

二是从定性和定量两个视角，探究收集不同体积分数氧气的方法及氧气体积分数对带火星木条复燃的影响；结合数字化实验数据的分析对比，培养证据推理和跨学科知识综合运用的能力，诊断并训练定量分析的思维能力和逻辑推理能力。

三是通过对实验误差的反思，实验装置的优化，体会科学质疑精神和求证的态度，学会用发展性的眼光认识物质的性质，建构科学探究的认知模型。

四、教学流程

教学流程如图2 所示。

五、教学实录

（一）创设情境，提出探究问题

［视频播放］“神奇的泡泡”：用带火星木条触碰肥皂泡，发现木条复燃。

［课堂活动］展示便携式氧气瓶，阅读标签：氧气≥99.6%，并演示氧气罐的使用方法，用排水法收集125mL 氧气。带火星木条放在瓶口，观察到带火星木条复燃。振荡集气瓶，再次将带火星的木条放在瓶口，发现木条仍会复燃。

图2 教学流程图

［提出问题］将带火星木条放在瓶口，检验氧气是否收集满，该方法是否可行？氧气的体积分数为多少时，能使带火星木条复燃？

［设计意图］鼓励学生对实验中的异常现象进行实证探索和理性思考。

（二）环节一：在已有实验基础上，定量分析研讨实验方法，展开实验并得到初步结论

［问题1］我们该如何在有效的氧气体积分数范围内设置分组呢？

［设计意图］组织学生研讨实验的分组方案，调动学生学习积极性的同时引导学生独立分析问题，形成团队合作意识。

［问题2］收集不同体积分数的氧气用哪种方法更合适呢？

［问题3］展示多功能瓶。若瓶中装50%的水，水排尽后，瓶内氧气的体积分数是多少呢？

［学生讨论］

学生1：多功能瓶中50%的水排尽后，瓶中氧气的体积分数应该是50%。

学生2 补充：不对，不能忽略剩余50%空气中氧气的体积。所以瓶中氧气的体积分数应考虑两部分，即50%+50%×21%=60.5%。

［设计意图］引导学生利用STEM 教育中的数学建模的手段，找到定量收集不同体积分数氧气的思路。

［小组任务发布］各小组收集的氧气体积分数如表1 所示。

表1 各小组收集的氧气体积分数

［课堂活动］展示实验装置并用热胀冷缩法检查装置气密性。

［学生实验1］组装装置并检查气密性；关闭分液漏斗的活塞，往多功能瓶中装水至浸没长管下端，双手紧握试管的外壁，观察到多功能瓶中长管液面上升，松开手后，液面回落，说明装置气密性良好。

［设计意图］利用物理学科与压强相关的知识，运用装置气密性检查的思维模型，完成组合装置气密性检查，体现学科的关联性，渗透STEM 跨学科融合的教育理念。

［学生实验2］定量收集不同体积分数的氧气

［问题4］为了能更准确地找出使带火星木条复燃的最低体积分数值所在范围，我们在实验过程中需要控制哪些条件呢？

［学生讨论］木条的规格、木条的材质以及伸入集气瓶中的位置等。

［设计意图］引导学生利用“控制变量”的思想分析问题，思考如何在实践中提高对比的有效性。

［学生实验3］将带火星木条伸入已收集好氧气的集气瓶中，记录实验现象，分析使带火星木条复燃的最低体积分数值所在的范围。

［实验记录］如表2 所示。

表2 实验记录

［得出结论］使带火星木条复燃的最低体积分数值应该在39.96%～49.44%之间。

［设计意图］该环节注重让学生体验解决问题的过程。以问题链为载体，激发学生的学习动机，通过任务驱动，强化学生的互动参与。

（三）环节二：呈现数字化实验结果以及论文资料，分析实验误差，优化实验装置

［展示资料］

资料1：论文《使带火星木条复燃的氧气浓度极限的实验研究》（宋时雨）中研究显示：当氧气浓度达到50%左右时，带火星的木条可再次燃烧。［4］该定量实验结果较为粗略。

资料2：论文《测定带火星木条复燃的氧气浓度的实验改进》（姜小争）利用手持技术进行测定，研究显示：当氧气浓度达到46.5%左右时，带火星的木条可再次燃烧。［5］该实验数据更精确。

［教师活动］模拟资料2 的实验装置（如图3），利用手持技术精确测定带火星木条复燃的体积分数。

［学生活动］分析氧气浓度和温度曲线图，查找最低值，发现与资料2 的值基本一致。

图3 数字化测定实验装置

［问题］比较文献、数字化实验以及课堂的实验数据，分析实验误差的可能原因。

［学生讨论］

学生1：实验中发现，过氧化氢反应比较剧烈，试管壁发烫，收集的氧气中混有较多的水蒸气。

学生2：论文中是用氯酸钾制氧气，可以减少水蒸气对氧气浓度的影响。

学生3：可以降低过氧化氢的浓度，减缓反应速率，避免因温度过高产生过多水蒸气。

学生4：可以在发生和收集装置间添加一个装有浓硫酸的多功能瓶，除去氧气中的水蒸气。

［发展性学习］扫描学案上的二维码可查看《如何正确使用便携式氧气罐》。

［设计意图］环节三运用资料查询、化学实验、图像分析等方法进一步实施探究，在半定量探究的基础上，将传统实验与数字化实验进行优化整合，让学生感受数字化实验的直观准确和多样性，为高中阶段进一步了解和使用数字化实验设备做好认知储备。引导学生从浓度控制、气体净化和装置改进等技术性层面尝试实验优化，真正实现了STEM 教育理念的融合，使化学学习从课堂走向生活、从知识走向实践，旨在帮助学生掌握科学的学习方法，让化学更好地服务于生活。

六、教学效果及反思

该课例引领学生沉浸式体验了科学探究的一般过程，帮助学生构建问题解决的基本思维模型。课堂观察中发现，学生对基于真实问题的化学复习课的学习积极性和参与度都比较高。实验探究过程中设置的问题情境很好地启发了学生的思维，有效培育了学生的证据推理能力，促进了思维的进阶。有同学表示：“平时对多功能瓶的使用总分不清该如何连接长短管，该实验探究能很好地帮助理解相关知识。”“平时在气体制取装置的设计中只关注了发生装置和收集装置，现在会综合考虑使用气体净化装置。”“实验研究除需关注定量方面的变化，让结果更严谨。”等等。笔者通过对平行班的学习情况进行综合测评，评价结果显示：实施该探究性实验复习模式的班级在实验技能以及知识的迁移和应用能力方面均优于采取传统实验复习模式的班级。

该课例研究融合STEM 教育理念，通过创设与学生原有认知相冲突的问题情境，激励和培育学生的质疑精神，引领学生在真实情境下，通过对所学知识的深度加工，较大程度地调动学生的主观能动性。同时获得更完整的知识体系和思维模式，并能运用到实践中去，最终全方面落实和发展化学学科素养，为学生今后的科学、工程之路奠定基础，更有利于学生未来的发展。