培养学生创新实验设计能力的项目式学习的开展研究

杨淑贤

【内容摘要】化学是一门以实验为主的自然科学，而且与能源、工程、数学、经济、环保等多个学科存在密切关联，因此，近年来，STEAM教育理念逐步渗透到高中化学实验课堂，旨在通过课堂实验环节，使学生熟练掌握化学反应原理，并将化学知识与多学科知识点融合到一起，为解决现实生活当中的化学问题做好铺垫。本文将基于STEAM 教育理念，就如何在高中化学实验课堂培养学生的创新实验设计能力所开展的项目式学习策略予以全面阐述。

【关键词】高中化学  STEAM教育理念  实验设计能力  项目式学习

STEAM教育是集科学、技术、工程、艺术、数学多学科融合的综合教育，在高中化学实验课堂引入STEAM 教育理念，不仅能够拓宽学生视野，培养学生的自主探究能力，而且也能够提高学生的创新实验设计能力。因此，如何在STEAM教育背景下，利用项目式学习方法，使学生对化学知识产生浓厚的学习兴趣，已经成为高中化学课堂的首要任务。

一、情境导入，兴趣激发

过去，在高中化学教学课堂，教师往往采取“满堂灌”式的教学方法，以理论知识传授为主，实验实践环节为辅，导致部分学生对化学知识失去学习兴趣，尤其在课堂实验环节，教师的演示过程占用了大量的时间，无形当中就限制了学生的想象力与创造力，课堂教学效果也大打折扣。为了避免这种情况的出现，化学教师应当及时转变教学观念，通过设置教学情境的方法将学生带入到真实的化学实验场景当中，并充分发挥学生的创造力与创新力，进而构建一个趣味性的化学教学课堂。

以《原电池》的单元知识为例，为了让学生参与到制作原电池的实验项目当中，在教学活动开始之前，教师首先设置一个教学情境：为了纪念学校成立50周年，学校举办了大型的文艺汇演，在汇演现场需要用到大量的氢气球，而制备氢气的任务正好落到了高三五班的身上，学校的实验当中有含Cu等杂质的粗锌以及较纯的锌粒，请同学们通过自主实验来验证是选取粗锌还是选取锌粒来制备氢气，并且如何加快反应速度。根据这一真实的情境，学生能够快速进入到自主实验状态。将Cu片插入稀H2SO4时，没有出现任何化学反应现象，将Zn片插入稀H2SO4时，Zn片上有气泡产生，将Cu片与Zn片同时插入稀H2SO4时，Zn片上有气泡产生，如果与电流计相连，发现Cu片上产生气泡，并电流计的指针发生偏转。学生通过自主设计实验，能够得出结论，在制备氢气时，应当选取粗锌，因为粗锌当中含有Cu等杂质，当与稀H2SO4以及导线构成原电池后，粗锌中的Cu就会与H2SO4发生化学反应而生成氢气。通过情境导入的方法，能够帮助学生对化学知识产生浓厚的学习兴趣，同时，对自主探究能力的提升也大有帮助。

二、融入生活，创设项目

STEAM教育理念所提及的多种学科都与现实生活有着密切关系，因此，在实践教学当中，教师应将教学过程与生活元素紧密联系到一起，创设一个化学实验项目，使学生在自主构建实验项目过程中，使学生的创新实验设计能力得到充分锻炼。

比如以“酿制米酒”的化学实验项目为例，在学生实践操作之前，教师应当对酒的成分与配制原理进行讲授。米酒的主要成分是乙醇，乙醇的物理特征是常温下为液态，而且无色透明，易燃，易挥发，沸点与汽化点是78.3℃，冰点为-114℃，因此，细菌在乙醇当中无法存活。米酒的酿造过程主要分为发酵与蒸馏两个部分。发酵时，需要用到糖与酶两种物质。其中糖分包括葡萄糖与麦芽糖，因为谷物当中含有大量的淀粉，而淀粉经过工艺处理生成麦芽糖，所以在配制米酒时可以选择谷物作为发酵物①。

在教师的辅助指导下，学生的脑海当中能够快速浮现出酿制米酒的场景，并在生活当中选取酿制米酒的原料。比如有的学生以糯米、酒曲、水作为酿制米酒的主要原料，选用的酿制器具包括容器、蒸锅、擀面杖、屉布等，然后进入到酿制工序。首先将糯米用清水淘3至5遍，将淘好的糯米放置在容器当中浸泡12小时以上，对泡好的糯米再一次进行清洗，清洗遍数以2次为宜，然后将糯米放入蒸锅内蒸至8分熟，取出后与酒曲混合。接下来进入到发酵工序，发酵温度应当保持在30℃左右，发酵时间以2～3天为宜，即可闻到酒香。学生通过自主创设与完成实验项目，能够从中汲取到化学知识养分，而且也能够掌握米酒的酿制方法。在日常生活当中，学生可以在家人面前大显身手，利用所学的化学知识为家人酿制香飘四溢的美酒，将进一步增强学生的自信心与成就感。

三、项目拓展，能力提升

借助于STEAM教育理念旨在帮助学生掌握多学科知识，进而培养全面型应用人才，因此，在高中化学课堂，教师可以将化学实验与其他学科之间建立起共性关系，使学生在熟练掌握化学实验原理的同时，能够学到更多书本上无法学到的知识点。为了突显教学成果，教师可以采取项目式学习方法，为学生布置一个课后实践项目，然后由学生本人将实践项目成果与其他学生进行分享，通过这种方法能够有效激发学生的个人潜质，同时，与STEAM教育理念也不谋而合。

比如近年来，大气环境污染现象日趋严重，尤其是汽車尾气排放量，随着汽车保有量的增加而不断攀升，全国多个城市出现了雾霾天气。因此，许多科研工作者也相继投身到研制新型环保燃料的事业当中，并取得了阶段性成果。教师以此作为项目创设的背景，让学生利用所学过的化学知识，自主设计一个“盐水动力车”，并将设计成果展示给大家。

学生在接收到这一实验设计项目后，首先对“盐水动力车”的化学原理进行研究和探讨，因为盐水的主要成分是NaCl的电解液，电解液当中含有大量的Na+和Cl-离子，正常情况下，这种离子能够在溶液当中自由移动，由于在动力车当中，设置了一个过滤装置，使其中的某一个离子透过过滤网而跑到另外一边，或者在盛放盐水的容器两边分别放置一块金属板，这样，Na+就更容易聚集在一端，而Cl-离子则聚集在另一端。此时，由于正负离子不平衡而出电势差，而电解液就相当于一节电池，在电池的驱动下，盐水动力车内部的微型直流电机就会旋转起来而带动车辆向前行驶。通过对“盐水动力车”化学原理的了解和掌握，学生可以自主设计一个能够跑起来的动力车。这种布置课后实验项目的方法，使学生对环保知识有了更加深刻的认知，同时，将化学知识与环保知识有机的融合到一起，不仅充实了学生的知识储备，而且对提高学生的创新实验设计能力也具有积极的促动作用。

四、结合教材，实验创新

在高中化学教材当中，设置的每一个实验项目不仅涵盖了化学知识点，而且与数学、工程、能源、环保等多个学科息息相关。基于此，教师应当以化学教材为出发点，结合教材当中的化学实验项目，培养学生的创新实验设计能力。在学生设计实验过程中，教师应当扮演辅助指导的角色，随时对学生提出的质疑予以解答，帮助学生顺利完成实验过程。

在学到“设计一座硫酸厂”的知识点时，教师可以根据化学反应原理，为学生提出一些设计方案。比如SO2+O2、H2S+CuSO4、SO2+Cl2+H2O、S+O2、FeS2→SO2→SO3→H2SO4、CaSO4→SO2→SO3→H2SO4这六种方案，教师首先选择学生代表找出无法实现的方案，然后予以排除。学生：“方案1中，在自然界当中并不存在现成的材料，方案2和3当中，很明显存在H2S、Cl2两种有毒气体，如果用于制备硫酸，不仅对生态环境造成影响，而且也会引发中毒事故。因此，在设计硫酸厂时，可以选择4、5、6方案。”在教师的引导与提示下，学生能够快速确定制备硫酸的方案。接下来，为了增强课堂互动性，活跃课堂气氛，教师可以将学生划分为四个合作小组，每一个小组分别扮演在四个不同地点建设硫酸厂，并制订出一套完整的硫酸厂建设项目计划书。

当赋予学生“设计师”的角色后，四个小组开始选定硫酸厂的建设位置，第一小组选择离居民区较近的地方，第二小组选择在风景区附近，第三小组选择在近海的地方，第四小组选择在交通便利的城市郊区。在各小组确定硫酸厂的位置，并编制好项目计划书后，教师应当及时对各小组的选厂位置进行点评。因为硫酸制备属于高危生产行业，在制备硫酸过程中，将产生大量的有毒有害气体以及工业废水、废渣，第一小组选择的厂址，离居民区较近，这样容易影响居民的正常生活。第二小组选择的厂址，离风景区比较近，生产过程中排放出的有毒有害废水会给风景区造成严重污染。第三小组选择的位置靠海，一旦工业废水排放到海水当中，就会污染海里的生物。而第四小组选择城市郊区，由于交通发达，人力资源成本低，因此，第四小组的选厂位置比较合理。通过教师的点评，各小组及时对设计方案进行修改，进而设计出一座符合城市发展需要的现代化硫酸加工厂。这种自主创设实验项目的方法，使学生增强了社会责任感，树立高度的责任意识与环保意识，同时，也将化学知识转化为与工业生产相关联的综合性应用知识，学生在自主探究过程中，创新实验设计能力也得到大幅提升②。

五、借助工具，激发创意

目前，多媒体设备已成为化学教学课堂不可或缺的教学演示工具，这一工具的实际应用不但提升了课堂教学效率，而且也使整个教学过程变得清晰直观，学生在学习过程中，也容易快速吸收相关的化学知识点。因此，在教学过程中，教师可以将化学实验项目的演示过程呈现在学生面前，使学生通过观看演示步骤，学会自主创设化学实验项目，进而提高学生的自主创新能力。比如在学到“纯碱制造技术”的知识点时，教师首先将纯碱的主要用途利用视频影像的方式播放出来，然后对纯碱的制造过程进行演示。工业制造纯碱一般采用联合制碱法，其化学反应原理是：

这种方法的优点是食盐的利用率能够提高到96%以上，而且生成物中的NH4Cl可以用做氮肥。当纯碱制备过程演示完毕后，教师可以给学生布置一个学习任务，让学生结合视频演示过程，自主设计一个制造纯碱的方案，然后比较哪一位学生的方案更具可行性。通过这种方法，能够引发学生的情感共鸣，帮助学生快速吸收化学知识点，而且对化学实验在工业生产方面的用途也产生了深刻认知，对培养学生的化学实践应用能力将大有裨益。

結束语

综上，基于STEAM教育理念，教师将项目式学习方法引入到高中化学课堂，这种新型的教学模式不仅是培养应用型人才、全面型人才的一条有效路径，同时，也是提高课堂教学效率的一项重要举措。因此，在实践教学当中，教师应当紧紧围绕学生的主观需求，以培养学生的创新实验设计能力为主抓手，整合丰富的教学资源，为学生搭建一个施展个人才华、体现个人魅力的广阔发展平台。

【注释】

① 林兆霞、陈霞. 基于“项目式教学”的普通高中化学实践教学研究[J]. 考试周刊，2020（44）：139-140.

② 袁欢、姜建文. 鲁科版新教材“微项目”模块分析与教学建议——以高中化学必修教材为例[J]. 中学化学教学参考，2020（2）：10-13.

（作者单位：山东省平度师范学校）