融入STEM理念的高中化学实验探究课的教学策略研究

练凤玲

摘 要：高中化学实验教学及探究的过程融入STEM课程理念，拓展多种学习方式，强化教学过程中的实践性和学生的体验性，提高教学效能。实践这种模式下教学策略有助于学生高考化学知识点的掌握及应用，提升学生实际问题的解决能力，着重培养学生的化学核心素养，并逐步形成具有地方特色的校本课程。

关键词：STEM;高中化学;实验探究;教学策略

1. 问题的提出

STEM最初由美国发起并主导，主要针对基础教育改革。早在上个世纪80年代，美国国家科学委员会发表的《本科的科学、数学和工程教育》报告，标志着美国STEM教育的开端。[1]学术界普遍认为，STEM是科学（Science）、技术（technology）、工程（Engineering）和数学（Mathematics）各学科首字母的缩写，STEM课程则融合了这四门彼此独立又相互关联的学科，采取融会贯通的方式结合项目加以开展，以研究性学习为主，注重培养学生的探究能力，提升学生科学素养、技术素养、工程素养及数学素养等。化学是一门实验科学，以高中化学实验为载体，融入STEM课程理念，探索高中化学实验中的跨学科合作是很有必要的，然而我国对STEM教育和STEM课程的研究多处于理论阶段，仍然存在很多的问题与不足。

2.相关概念的界定

2.1 STEM课程：STEM是由科学（Science）、技术（Technology）、工程（Engineering）和数学（Mathmatics）四门学科整合而成的，它以设计和探索为目的，并对技术问题进行科学的探索。[2]STEM教育是一种新的教学理念，它不是简单地将科学、技术、工程、数学这四大学科内容进行排列组合或重新叠加，而是突破这四大学科之间的壁垒，通过跨学科的方式来综合运用这四大学科的相关知识，以使学习者通过实践解决真实情境中存在的问题，从而达到培养创新能力与实践能力的目的。

2.2小组合作：小组合作学习就是以合作学习小组为基本形式，系统利用教学中动态因素之间的互动，促进学生的学习，以团体的成绩为评价标准，共同达成教学目标的教学活动。强调人际交往对于认知发展的促进功能，学生依其学业水平、能力倾向、个性特征、性别乃至社会家庭背景等方面的差异组成若干个异质学习小组（每组3-6人）。

2.3实验探究：在老师的指导下，将一个相对独立的实验交由学生自己处理，信息的收集、方案的设计、实施及最终评价，都由学生自己负责，学生通过该实验探究的进行，了解并把握整个过程及每一个环节中的基本要求。“实验探究”最显著的特点是“以实验目的为主线、教师为引导、学生为主体”，具体表现在：实验的自主性和创新性;培训周期短，见效快;可控性好;注重理论与实践相结合。

3. 融入STEM理念的高中化学实验探究课的具体设计

3.1 现状与问题

化学是一门实验科学，以高中化学实验为载体，融入STEM理念，探索高中化学实验中的跨学科合作是很有必要的，然而我国对STEM教育和STEM课程的研究多处于理论阶段，仍然存在很多的问题与不足：（1）在国内的相关研究当中，重点以美国等国外的STEM教育和课程的研究为主，个别教育案例也是以国外教育案例为蓝本，照搬痕迹较重，没有形成适用于本土的具有本国特色的STEM课程;（2）STEM理念在高中化学实验探究课中的应用的相关研究存在明显的留白，没有形成可供参考的教学模式和实践操作，由于地域差异所造成的教育资源不平等的问题，大大阻碍了STEM理念在高中化学实验探究的推广与应用;（3）当前日益增长的教育需求与教师素质之间存在矛盾，在高中化学实验中融入STEM理念需要教师同时具备相关学科的综合知识与教学技能，对教师的要求较高，向以往的传统教学方式提出了挑战，而相关的教师培训工作和教师队伍的自我学习还存在很多不足。

3.2基本流程

融入STEM理念的高中化学实验探究课具体流程为：提出与分析问题→应用跨学科知识→团队合作→选择与应用适当的技术→探究与设计作品→展示与评价成果。

3.3 教学活动设计--以《金属的腐蚀与防护》为例[5]

STEM课程是以项目实践载体，学生通过探究学习去掌握相关的概念和技能，并尝试去解决真实世界中的问题。STEM理念下高中化学实验探究学习主要分为四个阶段：学生选择所需工具与资源阶段（准备）、学生设计实验探究方案（设计）、学生自主完成活动任务阶段（实施）、学生在探索中培养创新能力阶段（改进）、和巩固和完善学生的认知结构阶段（反思）。

3.3.1.教学目标分析

STEM是科学（Science）、技术（Technology ）、工程（Engineering）和数学（Mathematics）四门学科的简称，其强调学科间的交叉与融合，并形成有机整体，消除学科间存在的传统学习障碍，鼓励学生综合运用多学科知识，更好地培养学生的实践能力和创新精神。将STEM理念应用于中学化学教学中，学生不仅可习得及掌握化学学科的知识与技能，还能感受到化学学科与真实世界建立的联系，将化学教育与当前的社会生产生活等紧密结合，充分理解化学与科學、技术、工程与数学之间的交互关系，为提升学生核心素养及全面发展打下坚实基础。

3.3.2.教学内容及学情分析

《金属的腐蚀与防护》是人教版《化学反应原理》第四章第4节的内容，在学习了电解池和原电池的知识之后，结合实际问题对所学化学知识的应用。教材主要介绍了金属电化学腐蚀的本质，影响金属腐蚀的因素，简单介绍了金属防腐的方法.学好本节将， 是对所学电知识的综合灵活的运用，对前面所学的电解和原电池的知识起到巩固和提高的作用，。

由于本节内容紧密联系生活实际，学生有强烈的好奇心和求知欲，加上高二的学生已经具备一定的实验设计观察能力，以及比较归纳能力，所以学生具备主动探究的原动力。但学生对知识的学习只注重表面现象，缺乏生活经验，缺乏一定的深入理解和综合思维的能力，在高考复习和高考中仍然得分不高.

3.3.3教学设计思路

本节教学设计以“任务为主线，教师为主导、学生为主体”的教学方式呈现，教师在某一种教学情境下提出问题，将STEM学科知识整合到某一化学核心任务中，学生以小组合作的方式运用STEM四方面的知识思考、讨论与交流，从而解决化学问题，并最终获得相应的科学知识。学生在解决问题的过程中，教师发挥指导、检查、监督、和评价作用。

在本节教学中，教师以学生查找生活中的金属腐蚀现象为任务一，激发学生学习的兴趣，引导学生主动探究金属腐蚀的本质，同时根据调查全球金属腐蚀的严峻事实及数据统计，认识防止金属腐蚀的重要意义。教师再以任务二：学生自主探究钢铁发生吸氧腐蚀和析氢腐蚀对比实验，学会设计控制单一变量进行对比实验以及实验设计进行评价，得出金属腐蚀的本质、条件、原因和影响腐蚀速率的因素，从而知道利用原电池的原理--牺牲阳极的阴极保护法的金属的防护方法，最后通过亲自模拟海水中的船的保护实验加深原理的认识。教师再以任务三：学生自主查找展示金属防腐的方法，并用原电池和电解池的原理解释.最后，以任务四：课后延伸与拓展作业：将本小组设计的各种实验方案整理并形成实验小论文，形成研究性小论文并进行答辩，从而学以致用，拓展知识，巩固电化学的原理。

3.3.4.实施教学过程

【任务一】学生分组查找并展示生活中的金属腐蚀现象，激发学习的兴趣，引导主动探究金属腐蚀的本质，同时根据调查全球金属腐蚀的严峻事实及数据统计，认识防止金属腐蚀的重要意义。

【任务二】学生分组实验探究并展示实验结论：铁钉腐蚀的实验探究

实验用品：铁钉、煮沸过的水（除O2）、干燥剂（CaCl2）、植物油、试管、橡胶塞，还有食盐溶液和醋酸溶液。可以设计出至少五种实验方案来探究铁钉在什么条件下会锈蚀，什么条件下锈蚀的速度会加快。

【动画模拟】探讨回忆原电池的原理，指出铁钉其实是铁碳合金，含2～4%的碳，这样就组成了铁碳原电池，动画模拟讨论铁碳在酸性条件下和中性及弱酸性条件下的反应。

实验探究：钢铁的析氢腐蚀和吸氧腐蚀。

负极（Fe）：Fe - 2e- = Fe2+

正极 （C）：2H++2e-=H2↑（析氢腐蚀）

2H2O + O2 + 4e- = 4OH-（吸氧腐蚀）

铁锈的生成：Fe2+ + 2OH- = Fe（OH）2↓

4Fe（OH）2 + 2H2O + O2 = 4Fe（OH）3

生成的Fe（OH）3，失水生成Fe2O3·xH2O就是铁锈 。

【模拟试验】模拟海水中的船的保护实验设计，深入掌握原电池的原理--牺牲阳极的阴极保护法的金属的防护方法在生活中的应用。

【 任务三】学生自主查找并展示金属防腐的方法，并用原电池和电解池的原理解释，学以致用，拓展知识，巩固电化学的原理。

【 任务四】课后延伸与拓展作业：将本小组设计的各种实验方案整理并形成实验小论文，形成研究性小论文并进行答辩。

【课堂小结】这节课我们通过试验探究了金属腐蚀的本质、條件、原因和影响腐蚀速率的因素，其中需要注意的是，金属的腐蚀有化学腐蚀和电化学腐蚀两种，但是以电化学腐蚀为主，电化学腐蚀又包括吸氢腐蚀和吸氧腐蚀两种。同时又了解了基本的几种金属防护的方法，学会用书本知识去解决实际生活问题。

3.3.5.教学反思

本节课我打破常规，大胆融入STEM理念，以项目实践为载体，以任务模式让学生先自学，并通过探究学习去掌握相关的概念和技能，并尝试去解决真实世界中的问题，再传承传统教学，进行动画模拟和模拟试验，解决了金属腐蚀的相关问题，独立思考与讨论相结合，培养学生的思维能力和实验探究合作意识、创新能力。然后利用电化学知识对金属进行防护是电化学知识的综合应用，让学生自主学习金属腐蚀措施的选择和设计，促进学生对电化学知识的深入理解，同时也会使学生在情感态度和价值观方面体会化学的实用性，增加学习的兴趣。本节的重要知识点有两个：一是金属的析氢腐蚀和吸氧腐蚀，二是牺牲阳极保护法和阴极电保护法，教学中既融入了STEM理念，又传承了传统知识的教学，做到了“任务为主线，教师为主导、学生为主体”的教学方式呈现，教师在某一种教学情境下提出问题，将STEM学科知识整合到某一化学核心任务中，学生以小组合作的方式运用STEM四方面的知识思考、讨论与交流，从而解决化学问题，更好地培养学生的实践能力和创新精神，并最终获得相应的科学知识。学生在解决问题的过程中，教师发挥指导、检查、监督、和评价作用，收到较好的教学效果。同时通过后延伸与拓展作业，将本小组设计的各种实验方案整理并形成实验小论文，形成研究性小论文并进行答辩，形成研究性学习的校本课程。

4. 实施策略

4.1组建实验探究学习小组

学校高一、二在周五的第八节可以开设化学实验探究，通过组织课题组成员学习与STEM课程相关的理论知识以及优秀案例，制定研究计划及方案，确定课题组日常工作的相关事宜。

4.2 基于问题或者教材难点开展研究

对有关高中化学STEM课程相关文献资料进行梳理、分析与研究，并通过研究历年高考实验题和流程题，结合高中化学实验的教学情况，学生高考得分情况，结合我校化学课程教学中培养学生核心素养的实际情况以及现有条件，确定适合高中化学实验探究的STEM课程理念的应用案例;其次，确定STEM课程理念在高中化学实验探究课中的应用实施方案，让师生都成为化学实验课堂的主动参与者，拓展化学实验的教学，运用建构理论、积极心理学等理论，促进核心素养提升。

4.3 综合多种研究方法，形成便于应用的研究成果

本研究采用行动研究法、文献分析法、案例分析法、问卷调查法，以行动研究法为主，通过一系列的研究去检验STEM课程理念在高中化学实验探究课中的应用研究效果，并形成可参考的STEM课程理念在高中化学实验探究课中的应用实施方案，并汇编成可供参考的研究报告。

参考文献

[1]穆鑫楠.21世纪以来美国高中STEM课程发展研究[D].天津师范大学，2015.

[2]李函颖.美国STEM教育的困境与走向——《美国竞争力与创新力》报告述评[J]. 比较教育研究，2014，36（05）：53-58