基于STEM的高中化学教学模型建构与探究

孙磊

【摘要】鉴于STEM教育在美国教育取得的重要成绩，我国也越来越重视基于该理念进行复合型人才的培养。高中化学作为理科中极具交叉性的学科，在教育理念上可以发挥STEM教育优势，将多个相关学科有机结合，培养学生在多元化、系统化及实践性等方面能力的培养。结合对STEM理念的理解，通过高中化学“原电池”的教学案例实例，探讨了高中化学教育模型的构建方式，以期对我国STEM教育理念的推广提供参考。

【关键词】STEM理念 高中化学 教学模型

STEM教育理念是科学、技术、工程以及数学等四个词汇的英文首字母组合，体现了上述四大“元学科”对于人才培养的重要性与未来方向性。STEM理念最早由美国国家科学委员会于1986年提出，经过几十年的发展并在2013年公布的《新一代科学教育标准》（缩写NGSS）中成为美国科学教育中的重要标准。我国学者于近些年才开始逐步学习并重视美国的STEM教育理念本地化。高中化学作为理科中交叉性非常强的一门科学，非常适合探索基于STEM理念的教学模型。探讨高中化学STEM教学模型的构建对于指导我国科学教育中实现STEM理念具有非常重要的实际参考价值。

一、STEM理念的概念

作为自然科学四门基础学科英文首字母缩写，STEM的理念与界定也是多维度的概念。主要可以从以下几点对STEM概念进行理解与界定。

首先，STEM教育从本质属性上可以理解为一类课程，即包含四大所谓“元学科”的一种课程。STEM教学实践过程中，将上述四门“元学科”以完整的知识体系展示。STEM的课程门类方面也处于持续发展过程中，例如部分学者建议增加医学、教育学以及农业或者艺术等，提高该课程解决实际问题的能力。

其次，STEM教育从教学形式上可以理解为一种教学策略，体现多学科思想的融合。通过基于现有标准及学科基础，增加后设学科并整合成新的教学策略。同时，将问题的发现、设计、解决以及探索等多种研究策略融合的教学方式。

第三，STEM教育从内容组成上可以理解为学生培养的素质内容，即所谓的科学、技术、工程以及数学等四方面素质。从这个角度理解，STEM素养的经验对于落实我国学生发展核心素养方面具有一定的经验参考价值。

二、高中化学STEM教学模型的必要性

化学涉及的知识非常广泛，与生物学及物理学等具有很大的交叉。而我国当前高中阶段教学实践中，对上述学科间划分过于明显。同时，化学课堂教学实践与工业生产及科技进步剥离严重，这都将无法吸引学生足够的学习兴趣，教学效果不理想。

相比于传统的化学教学，STEM理念重在如何将多学科合理结合，并在教学过程中培养学生多学科思维习惯，重视实际问题解决效果，非常适合交叉学科创新人才的培养。在当前全球一体化教学中，如何在高中化学教学实践中合理借鉴国外优秀的教学理念设计出适合我国国情的教学模型，对于提升我国人才竞争力具有非常必要的战略意义。

三、基于STEM的化学教学模型建构

笔者结合多年高中化學教学经验以及对STEM教育理念的理解，提出以学生为中心的STEM教学模型。在具体的教学过程中首先由教师提出问题，学生基于STEM综合知识对问题进行研究分析并思考解决方案，从而在实践中获取对应的科学知识。在高中化学教学实践中，教学设计应更加注重知识的交叉性、开放性、实践性以及动态性等特征。具体步骤如下：

（1）教师基于教学内容构建便于学生接受的教学情境。

（2）教师基于教学内容设计难度适中的具体问题。

（3）引导学生以小组形式，综合利用STEM知识研究问题相关的技术问题及数据。

（4）引导学生基于知识网络，构建完整的知识体系。

（5）学生基于知识体系分析数据并获取解决方案。

（6）组内学术交流探讨研究成果。

四、基于STEM的化学教学模型案例设计

笔者基于本文探讨的教学模型及相应步骤，以高中化学“原电池”章节为主题，设计基于STEM的化学教学模型如下。

1.教师基于教学内容构建便于学生接受的教学情境

教师可以从生活相关的电子产品展示吸引学生关注课堂，强调“原电池”与实际生活的相关性，提高学生学习热情。例如，教师可以设计一个情景，手机没电了且周围没有电力设备供电，如何设计出稳定的充电器供电。

2.教师基于教学内容设计难度适中的具体问题

教师应基于“原电池”的教学内容，从STEM课程内容四方面向学生提出例如“如何选择适合的电极”“如何完成闭合电路设计”“如何保持原电池电流稳定持久”以及“如何完成化学转换效率计算”等问题。教师需激发学生积极性，引导学生利用提供的实验器材完成上述问题。

3.引导学生以小组形式，综合利用STEM知识研究问题相关的技术问题及数据

基于课程前期内容，学生具备基本的电化学知识并能设计出简单的Zn/Cu电池。教师可以安排学生以小组形式，对电池组装及实现现象进行仔细观察。例如，要求学生观察随着时间进程电流变化，观察锌片表面变化等。并依据实验现象，询问学生该设备是否可以为老师手机提供稳定且持久的供电，并解释原因。学生小组讨论后，认为电流不稳定，也不持久，主要因为Zn与CuSO4溶液接触后，Zn片上有Gu金属析出，无法维持持久电源供应。循序渐进的，教师提出难度稍大的问题，如何保证电池供电更加稳定长久呢？教师可以要求学生借助网络、书籍等多个渠道全面搜集相关的知识内容及技术等。

4.引导学生基于知识网络，构建完整的知识体系

学生带着问题对教材进行重新审视，并借助网络来源的部分内容，丰富了教学课程的理论及实践内容。学生通过组内探讨后，基于电化学相关知识提出利用不相互接触的氧化剂与还原剂充当两个电极。教师则可以继续对学生进行引导，学生按照讨论及指导结果重新设计原电池，从而顺利成章地提出了所谓“盐桥”的概念，丰富了自身的知识体系。

5.学生基于知识体系分析数据并获取解决方案

教师应指导学生基于STEM的高中化学教学模型现有知识，分析问题并设计合理的解决方案。具体而言，教师引导学生对教材相关部分内容进行仔细阅读，熟悉原电池工作原理，并让学生通过实验验证书本原理，并汇报相应的实验结果。例如，学生小组可以按教材内容安装双液原电池，观察电流变化及电极变化等。

6.组内学术交流探讨研究成果

组织学生通过小组合作，总结各自小组的解决方案，并与其他小组探讨完成学术交流，这也是STEM教育理念的基本要求。通过课堂的学习，学生将问题与工程用途联系，寻找提高实际转化效率的方法。课堂上学生完整的思考过程、研究过程则可以让学生加深对科学、技术、工程和数学等四大学科间内在联系的理解，从而更自如地综合运用知识。

五、结语

STEM教育理念已经从美国逐渐推广到其他国家，已然成为当前科学教育方面非常重要的一种思想潮流。STEM教育理念关注建立完整并联系性强的知识体系，同时也对学生个体在具体运用知识的方式有较高要求。高中化学教育作为高中理科教育非常关键的一个环节，如何构建科学的STEM的高中化学教学模型对于STEM教学理念在我国科学教学的成功有积极作用。高中化学教师也需要按照STEM理念全面提升自身知识，从而培养出更多优秀的复合型人才。

参考文献：

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