STEM教育理念下化学工程思维培养的教学设计研究——以“燃烧和灭火”为例

袁立丽，胡月，葛妤，罗发宝

（合肥师范学院化学与化学工程学院，安徽 合肥 230601）

工程思维是在工程的设计、研究和实践过程中形成的思维，其关键是运用各种知识及方式解决现实中的问题，具有实践性、设计性、构建性的特点[1]。在国家实施“中国制造2025”背景下，教育界也越来越重视培养学生的工程思维。教育部2016 年发布的《中国学生发展核心素养》把实践创新确定为中国学生发展的核心素养之一，工程思维是实践创新的重要内容[2]。国内针对工程思维培养的研究大多基于高等教育阶段的工程类课程，但基础教育中开展工程思维能力的培养并不多见[3]，这主要是因为缺少培养工程思维的课程载体。STEM 教育（Science，Technology，Engineering，Math⁃ematics）则是一种跨学科融合的教育，学生应用科学、技术、工程、数学等学科知识，以真实问题和建造产品为驱动，在工程实践中创新性地解决实际问题。STEM教育具有实践性、综合性和开放性的特点，是培养工程思维的有效载体。学生在解决现实问题、开展工程设计和制造产品等活动中，能够实现培养工程思维的目标[4]。

当前我国新课标要求在教学中提升化学学科核心素养，STEM 教育理念与化学课程结合，正是提升核心素养的有力途径。在初中教学中，化学课程内容丰富，其中不乏诸多有趣的实验，且初中化学所学内容大多与生活息息相关，有许多值得探究的问题，就STEM 理念本身特性而言，正是需要由问题引领。因此，化学教学中实验部分和STEM理念拥有可以结合的基础[5]。本文探讨了STEM理念与初中化学结合的合理性和有效性，并提供教学方案，为教师教学提供参考，培养适应信息化时代的学习者[6]。

1 STEM教育理念下初中化学教学的界说

STEM 教育由科学、技术、工程和数学四门学科融合而成，注重分享，强调让学生在这一过程中获得多元化的体验，通过创造的过程有所收获[7]。化学是一门以实验为基础的自然科学学科，其中科学知识在生活的各方各面都有迹可循，此为“科学”的体现。生活日常和化学实验室进行实验都要运用技术知识，此为“技术”的体现。数学是定量分析工具，化学学习对数学知识和思维有需要，此为“数学”的体现。工程是STEM教育的跨学科、综合性的集中体现，是将其他元素综合运用的渠道，中学化学教学中，仪器创新、小组分工都是“工程”的体现。STEM 教育的四大学科在现实教学中被整合成了完整的知识体系，具有系统性，与化学教学相结合具有合理性。

2014 年以前，教育工作者对STEM 教育关注极少，2014 年以后有关研究逐年递增，《教育信息化“十三五”规划》与《小学科学课程标准》都曾提出过相关建议[6，8]。在“教育信息化2.0”的进程中，新课标明确要求提升化学学科核心素养，初中化学教学中的实验是STEM 教育理念的落脚点，若能结合运用，对提升素养大有裨益[9]。

2 STEM教育中化学工程思维培养的教学设计

通过对STEM 教育理念在初中化学教学中应用的剖析，结合资料文献和案例分析，综合学习及实习的实践经验，根据当前中学生的特点及初中化学教学实况，以“燃烧和灭火”为例，开展课程设计，培养学生的化学工程思维。

2.1 教学专题价值

实验是化学学科的基本要素，是与STEM教育理念协同融合的切入点。本节教学过程中，对于计算、实验设计和实验操作都有所要求，STEM 教育理念适用于本节课程。

2.2 教学设计

2.2.1 教材分析

本节课选自人教版初中化学教材上册第七单元，包括燃烧的条件、灭火原理等。通过燃烧现象，对燃烧进行深入探究，得到灭火原理。本节旨在深化已学概念，对后续学习物质反应能量变化构建基础。本课时主要通过探究灭火原理，让学生结合所学知识进行灭火器的设计。本节课的知识地图分析如表1所示。

表1 知识地图分析Tab.1 Analysis of the knowledge map

2.2.2 学情分析

（1）学习者知识起点分析：通过日常生活及此前学习，学生已知燃烧基本概念及简单计算，但对控制变量等科学思想有待加强。

（2）学习者技能起点分析：学生已具备基础实验技能，能尝试自主设计探究方案，具备一定的分工合作和工程设计能力，总结归纳能力仍需锻炼。

（3）学习者心理起点分析：初中学生对实验充满兴趣，实验可提高学习积极性。

2.2.3 教学目标

（1）了解燃烧条件的宏观现象，探究其中化学原理，知道构成燃烧的要素。

（2）了解燃烧的化学变化，知道涉及的相关反应原理及实验现象，能够构建模型解释可燃物燃烧的相关条件及现象。

（3）通过完成学习任务、制作灭火器的过程，知道如何使用相关装置，进一步加强数学等跨学科知识的掌握，激发对科学探究的兴趣，提高小组合作和工程设计能力。

（4）体会化学学科知识在生活中的作用，加深对化学的学习兴趣，培养利用化学为社会作贡献的意识，激发关注社会的责任感。

2.2.4 教学重难点

教学重点：燃烧的条件、可燃物和着火点的概念、灭火原理。

教学难点：理解灭火原理，并运用原理进行灭火器设计。

2.2.5 教学方法

问题—探究法、讨论法。

2.2.6 教学准备

课本实验及创新实验的相关仪器药品。

2.2.7 教学过程（表2）

2.2.8 板书设计（图1）

图1 燃烧与灭火板书设计Fig.1 Blackboard writing design of burning and extinguishing

2.2.9 教学反思

本节课突出学习者的主体地位，注重学生自主意识，将STEM 教育理念注入传统教学。通过小组合作，激发学生学习积极性，培养化学工程思维，在实践中感受新知。多主体、多元素、多角度、多元化的点评也让课堂更加饱满立体。

3 结束语

通过对比国内外研究现状、分析文献资料、剖析教学案例等方式，对STEM 教育特点、意义及在我国初中化学教学领域实施的背景进行分析，并进行教学设计，提供可参考方案，以促进理论与实践结合的发展。通过STEM 教育理念下化学工程思维培养的教学设计，有利于提升学生研究实践和综合思维能力，充分体现学生的主体地位，增加自我效能感。

表2 教学过程