基于STEM教育下的中学化学教学模式初探

任 伟 李远蓉 马坤鹤

（西南大学化学化工学院 重庆 400715）

基于STEM教育下的中学化学教学模式初探

任 伟 李远蓉*马坤鹤

（西南大学化学化工学院 重庆 400715）

近几年，STEM教育在美国的教育中扮演着重要的角色。文章通过对STEM教育内容的理解和分析，初步探讨了STEM教育与中学化学教学结合的教学模式。

STEM教育；中学化学；教学模式

STEM教育是即科学（Science）、技术（Technology）、工程（Engineering）、数学（Mathematics）教育的统称。在人类科学技术日益发展的今天，四大领域教育的融合会逐渐成为科学教育的新航向。

一、STEM的产生背景

随着全球科技的竞争日益增强，美国意识到国家人才的短缺造成了科学技术滑坡。为了培养科技人才，同时提高学生的科学、数学、技术以及工程四个领域的表现，自上世纪80年代以来，STEM教育一直都备受美国政府的高度重视。

1986年，美国国家科学委员会（NSB）发表报告：《本科的科学、数学和工程教育》［1］。该报告被认为是美国STEM学科集成战略的里程碑，它指导了美国国家科学基金会（NSF）此后数十年对美国大学教育改革的政策和财力的支持。该报告首次明确提出 “科学、数学、工程和技术教育集成”的纲领性建议，因此也形成了STEM集成的开端［2］。

1996年，国家科学基金会（NSF）对美国大学科学、数学、工程和技术教育的十年进展进行回顾和总结，并提出今后的“行动指南”，发表了报告《塑造未来：透视科学、数学、工程和技术的本科教育》［3］。

2005年10月，由美国国家科学院（NAS）、国家工程院（NAE）、医学科学院（I0M）和国家研究委员会（NRC）向美国国会联合提出报告《驾驭风暴：美国动员起来为更加辉煌的未来》［4］。美国为确保在科学和工程方面占据领先地位提出了此报告，并有助于与其他国家竞争，该报告是美国进入21世纪关于科技教育发展的战略性报告。为了促进科学技术的研发与创新，提高美国国家的核心竞争力。2009年11月份，奥巴马总统宣布了“教育创新”运动［5］，此号召得到了美国各界的积极响应。此次运动是一个全美范围的教育活动，旨在使美国STEM教育达到新的水平，凝聚全美具有代表性的工业、数学、基金会和非盈利组织来一起提高美国学生的科学和数学能力，从而使科学和数学教育地位在未来的十年中进入到世界的前列。

2013年6月发布的美国 《新一代科学教育标准》（The Next Generation Science Standards，简称NGSS）中，明确要求在美国的科学教育中要整合技术、工程和数学教育。

我国近几年才开始关注美国的STEM教育，关于STEM教育的研究较少。随着我国新课程改革的程度逐渐深入，探讨STEM教育理念渗透到我国的科学教育中具有重大的现实意义。

二、STEM教育内容

STEM教育包含了四大领域的科学知识，科学、技术、工程、数学四者之间存在着相互补充与支撑的关系，同时STEM教育也相应培养了学生的综合素养。这四种素养对于学生的全面发展有着至关重要的作用。

表1 四种素养与涉及的领域和要素

化学作为一门科学学科，其包含的知识较为广泛，比如物理、生物、地理等学科知识。

与传统的教育体系相比，STEM教育的创新是将几门学科零散的知识有机地结合起来。学生获取知识的过程、方法较为系统化、多元化，能够使学生充分强化数理－逻辑思维、创新思维并有效地解决实际问题。目前我国高中的科学教育阶段中，学科之间划分明显，导致培养学生的能力较为单一，不能很好地全面发展，STEM教育对我国培养复合型创新型人才有着重要的启示。STEM教育是当下科学教育的一种指导思想，其真正的含义就是要重视学科之间的交叉，将交叉领域的知识运用一定的教学方法让学生掌握。如今在全球化教育改革的浪潮中，选择正确的教育发展道路对于国家的发展是至关重要的，21世纪的竞争就是人才的竞争，培养出全面发展型人才正是STEM教育所追求的目标。

三、STEM教育与中学化学教学模式初步构建及其案例设计

笔者根据STEM教育理念与化学学科教学特色初探化学教学模型，见图1。

图1 STEM教育与化学教学结合的教学模型

在STEM教育的课堂上更强调以学生为中心。在某一种教学情境下，教师提出问题，学生运用STEM四方面的综合知识和科学探究学习方式，让学生主动研究和设计问题、解决问题等，并最终获得相应的科学知识，在教学设计上突出知识的内在联系性，使学生能够综合运用所学知识。以此提高学生的设计能力和解决问题能力。在化学教学中，教学设计更显得尤为重要，STEM教育要求教学设计具有综合性、开放与动态性、回归性、实践性、多样性［6］。根据以上教学模型可将教学分为6个步骤执行，见图2。

（1）教师依据教学内容建立一定的教学情境，易于学生接受。

图2 STEM教育模式的教学过程示意图

（2）教师基于教学内容提出问题，问题难度适中。

（3）学生以小组为单位，运用STEM四方面知识进行研究问题并收集相关问题的解决技术和数据等。

（4）教师引导学生建立起四大领域的知识网络，建构相应的知识体系。

（5）学生利用相应的技术和分析的数据，设计出解决问题的方案。

（6）小组共同交流和沟通，分享研究结果。

结合本文的教学模型，笔者根据人教版化学《选修4》“原电池”为主题，设计教学过程如下：

（1）教师建立教学情境。以生活情境引入，化学R教师以电子产品展示会为课堂引入，吸引学生的关注，学生带着极高的学习热情进入本节课的学习。假设在没有其它电力设备供电的情况下，R教师的手机没电了，于是R教师想请同学们帮他设计一个可以提供稳定、持久电流的充电器装置用来给手机充电。

（2）教师提出问题。 本节课以“原电池”知识为中心展开，设计闭合电路、不同金属电极的选择、解决形成稳定、持久的电流的技术、化学转换效率的计算为本节课的综合问题（问题已涉及STEM四个方面的知识）贯穿课堂。基于第一步骤的教学情境，学生带着极大的兴趣开始了化学学习，教师通过引导学生，要求学生利用现有的实验器具完成本节课的学习任务。

（3）小组学生研究问题，收集技术、数据等。基于学生已有的电化学知识，大部分学生可以设计成简单的锌铜原电池。教师进一步指导学生小组合作学习，进行原电池的组装并指导学生对装置进行观察。学生经过小组分工合作观察实验现象：随着时间的推移，电流计指针的偏转角度逐渐减小；锌片表面有铜析出。教师继续提出问题：学生设计的原电池装置是否能满足R教师手机的充电要求吗？学生经过讨论得到结果：此原电池装置不能满足R教师手机的充电要求，因为不能提供稳定持久的电流。教师接着提问：造成这个原电池不能提供稳定、持久的电流的原因是什么？让学生进行讨论。在教师的进一步的引导下，小组学生讨论后得出原因：锌与硫酸铜溶液直接接触，在锌片上析出铜。教师最后提出问题：如何使原电池产生稳定、持续的电流呢？教师要求学生搜集相关解决问题的知识与技术。

（4）引导学生知识建构。学生针对性地带着问题进行讨论，学生根据已具备的电化学知识水平得出讨论结果：把氧化剂和还原剂分开，两者不直接接触。教师继续引导学生设计解决问题的学习思路，再共同构建新的原电池，以此提出盐桥概念。

（5）学生分析数据，设计解决问题方案。 学生基于已有的知识水平设计解决问题的相关方案，教师组织学生阅读教材相关内容，理解装置工作原理，并通过实验（小组学生组装一个双液原电池，并观察电流计指针是否偏转以及金属片状的变化）进行验证，学生汇报实验结果。教师对之前提出的问题给予解答。教师抛出本节课最后一个问题：R教师的手机电池大小是2000mAh，请帮助R教师计算一下，如果用此装置给手机充满电需要多长时间 （假如锌片的消耗速率为1×10－3mol／s并知元电荷e＝1．6×10－19库仑）。教师给出此原电池电池反应的焓变，并指导学生使用电能表测出5分钟内消耗的电能以及消耗的锌片和铜片的量，计算出化学转换效率。

（6）小组共同交流和沟通，分享研究结果。以小组为单位，向全班展示设计解决问题方案的思路。与其他小组进行思想碰撞，交流研究成果。

此教学设计体现了STEM教育的基本要求。课堂最后让学生思考如何找到提高此原电池的转化效率的方法，是将问题与工程学联系起来。学生思考、研究问题的过程可以让学生更好地感受和理解科学、技术、工程和数学四大领域之间的紧密关系，并帮助其全面掌握知识和运用知识。

四、结语

STEM教育作为美国当今科学教育思想的潮流，越来越受到世界其他国家的关注。STEM教育注重知识的整合与联系，也重视学生综合运用知识的能力。化学教育中体现STEM教育是未来的发展方向，值得我们去认真思考与研究。基于STEM教育下的化学教学模式不仅符合我国目前科学教育研究的新思路，也为我国中学化学课堂注入新的活力。中学化学教师只有不断地提升自我，才能在三尺讲台上展示出最动人的教学风采。

［1］National Science Board．Undergraduate Science，Mathematics and Engineering Education，1986

［2］朱学彦，孔寒冰．科技人力资源开发探究—美国STEM学科集成战略解读［J］．高等教育工程研究．2008，（2）

［3］National Science Foundation．Shaping the Future：Strategies for Revitalizing Undergraduate Education．Proceedings from the National Working Conference，1996

［4］National Academy of sciences，National Academy of Engineering and Institute of Medicine of the National A-cademies．Rising Above the Gathering Storm：Energizing and Employing America to a Brighter Economic Future．2005

［5］White house：Remarks by the President on the”Education To Innovate”，Campaign．2009．11．3

［6］黄晓，李扬．论STEM教育的特点 ［J］．江苏教育研究．2014，（5）：5－7

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*通讯联系人：李远蓉，E－mail：hxliyr＠swu．edu．cn