基于STEM理念的化学项目式教学设计和实践

摘要：项目学习是一种教与学的新模式，基于真实情境中问题的生成和解决，STEM理念的融合于教学能够促进学生在真实世界中探究发现，通过课例研究分析项目式教学的设计和实践，化学文化、化学史的融入其中能够更好提升学生的科学素养。

关键词：STEM；项目式教学；燃烧；问题解决

文章编号：1008-0546（2021）10-0060-03中图分类号：G632.41文献标识码：B

doi：10.3969/j.issn.1008-0546.2021.10.014

*江苏省中小学教学研究室基础教育课程教学改革重大项目《化学文化观照下的江苏地方教材的开发研究》（编号：2015jssjys-20）成果之一）。

基于项目的学习（Project-based，PBL）又称项目化学习，“PBL”可定义成一个使用各类探究性和挑战性问题来刺激学生掌握和改善各类技能的扩展学习过程。学科项目化学习的提出，运用项目化学习的方式来达到强化学科学习和促进学生学会学习，培养学生创造性、批判性为目的。STEM教育是以Science（科学）、Technology（技术）、Enginering（工程）和Mathe？ matics（数学）为主的创新教育课程，它不是四类学科的简单组合，而是通过跨学科方式综合多学科的相关知识。

基于项目的学习是以学科的概念和原理为中心，STEM教育理念与学科教学融合，凸显在真实世界中借助多种资源开展探究活动，并在一定时间内解决系列相互关联着的问题的一种新型的探究性学习模式，不仅培养学生创新实践能力，还发展学生的批判性思维、创造力，协作能力及强有力的口头和书面交流技能[1]。本文以上教版“常见的化学反应——燃烧”为例来剖析项目式化学教学的应用。

一、项目式教学课例分析和设计

1.课例的选择

“常见的化学反应——燃烧”蕴含着科学史、探究实验、等方面的教学内容，涉及化学、物理学科内容，是便于开展项目式教学，深化STEM教育理念的选题。通过项目化学习来聚焦概念性知识，学生正确理解燃烧，意味着他不仅知道定义还能理解燃烧的特点，运用概念来分析新的情境。概念性知识超越了事实层面，指向思维，促进各种事实性知识的整合。

通过本课例拟实现的目标：

（1）搜集有关燃烧理论的化学史料，培养学生分析、整合信息的能力；

（2）学会探究实验的设计，掌握探究的方法，发展科学思维、方法论；

（3）认识到随着技术进步，科学理论是不断发展的，培养批判性思维。

2.本课例项目学习的主线：

①前置任务资料收集②关于“燃烧”的提问③探究实验活动④燃烧的拓展认识⑤反思与评价

3.项目前置任务的设计

项目的前置任务通过文献法收集资料：火药的发现、燃素说的兴衰、燃烧理论发展等。

（1）化学文化的渗透：火药的是中国的炼丹士发明的，然后用于军事再传向西方，在《美国大百科全书》写道：中国文明与其他的文明世界扩大了交流，欧洲从中国获得了黑火药、印刷术和指南针，如果没有这些就没有欧洲人后来在海上的扩张。这证明了火药源起中国，但是近代中国科技发展的滞后，激发学生学科学、爱科学、用科学的热情。

（2）回顾化学史培养批判思维

1703年德国施塔尔燃素说1771瑞典舍勒实验制得“火气”（氧气）1774年英国普利斯特里制得“脱燃素空气”（氧气）1777年拉瓦锡提出燃烧的氧化说，近代燃烧理论发展涉及到数学、物理、化学、热力学、传热学、流体力学等学科。

燃烧是一种急速、剧烈的发光发热的化学反应过程。学生对燃烧的认识源于生活中的观察其中有着认知误区，阅读化学史了解科学家认知燃烧的曲折过程，科学理论是进化发展的，怀疑和批判精神对于科学发展恰恰是不可或缺的，有利于学生树立正确的科学观、世界观和方法论。

二、项目式教学实践过程和反思

1.创设情境，激发学生问题

提问者不仅是教师，更多应是学生。如何教会学生提问，让提问成为学生进行思考和交流的方式，将会促进学生高阶思维能力的发展。创设学习情境，让学生来提出真正的问题。思维固化是影响学生思维发展的主要原因，学生习惯于“被问”，通过一组提问的起始词来帮助学生观察事物、产生联想，催生出更多问题（表1）[2]。

2.问题驱动下的探究活动

项目学习的主线是指向核心知识的，问题解决驱动着学习进展，由学生主动发现问题、筛选、归纳问题，教师要在教学中引导学生关注本质问题，它是指向学科核心，体现化学概念、规律和原理的问题[3]。

（1）探究实验：燃烧的条件

学习内容一般以学科逻辑为顺序，现在遵循学生的认知发现来探究问题，更好激发学生的学习。学习任务设计围绕着本节的核心问题，学生在真实的情境中去解决复杂的、具有挑战性的问题，他们需要探讨解决方案，考虑实验是否具有操作性。

探究实验：白磷和紅磷的对照组实验（图1）。

学生们讨论交流各组方案，从操作和比较评估方案，

方案1操作简单，但是污染空气；方案2从安全性角度考虑，白磷燃烧放热试管塞会冲出；。在分享交流中激发出更多创新方案，比如方案2可在试管上方套一个气球，防止空气污染；方案3中白磷放置在水中，试管倒扣在白磷上方，生成五氧化二磷白烟被水吸收，方案4同理。

实验过程中学生们发现方案3实验成功率不高，白磷在热水中熔化容易散开，方案4用气唧鼓气，漏斗开口大效果较好。

反思：本实验不仅探究燃烧的两个条件，而且也回答了学生提问：燃烧都需要点燃吗？显然只有温度达到可燃物的着火点即可。在亲历实验中感知问题、修正方案，培养归纳和反思能力。

（2）探究实验：长短蜡烛熄灭问题

探究实验：点燃的长短蜡烛分别放置在烧杯中和钟罩中（体积大于烧杯），如图2、图3。

学生提出猜想：

①短蜡烛先熄，生成二氧化碳密度大于空气，聚集在底部；

②长蜡烛先熄，氧气耗尽。

实验结果：图2长蜡烛先熄灭，图3短蜡烛熄灭

解释：由于烧杯杯内上部空气受热膨胀，气体密度变小，氧气量不足。体积大的钟罩则主要是生成二氧化碳集聚在底部。

反思：本实验涉及到物理、化学知识的应用，条件改变实验结果发生变化，引导学生思考在化学领域里量变引起質变的例子，比如碳在氧气充分条件下生成二氧化碳，不足的条件下生成一氧化碳等等，培养学生辩证思维能力。

3.跨越200年的“蜡烛之问”

科学进步改变着人类认识世界的角度和方式，从燃素论的诞生到推翻都说明技术进步推动着科学的发展。1860年科学家法拉第开设了著名讲座“蜡烛的故事”，他以蜡烛燃烧为题提出系列问题，其中有：火焰的不同部位温度相同吗？蜡烛火焰形状是什么样的？为什么呈这个形状？

学生的蜡烛之问：为什么要用外焰加热？为什么酒精灯燃烧时，灯芯不会被烧掉？蜡烛火焰为什么是水滴状？离开地球燃烧会是什么样？

实验：用数字探头测定酒精灯的三层火焰温度实验结果如图4。

解释：查阅资料得到棉布的燃点：495℃，如图所示酒精灯焰心温度是低于500℃，因为灯芯处于焰心部分没有达到燃点。

视频资料：微重力条件下的燃烧（图5，源自美国NASA官网发布）

解释：法拉第对于火焰的形状解释是对流将火焰拉成长椭圆形，火焰的颜色与火焰的温度以及火焰中的固体颗粒有关。视频解说是这样的，地球上泪滴形状相似的火焰是由重力引起的。热空气升起并吸引新鲜、凉爽的空气，这被称为浮力。在微重力下，火焰燃烧的方式不同，它们组成小球体。当它们需要更多的燃料时，火焰球会大大膨胀，让氧气来到它们身边。

学生们惊奇地发现自己的许多提问与两百多年前的法拉第“不谋而合”，1860年的科技水平是相当低的，对很多现象仅仅是停留在宏观描述的层面，但是法拉第已经能够对蜡烛燃烧做出这么多的阐述，还是证明了这位科学家非凡的洞察力。随着技术的日新月异，我们对燃烧的认识逐渐深入，燃烧是一种复杂的物理化学现象：流动，传热，传质和反应的相互作用。燃烧学的进一步发展将与湍流理论、多相流体力学、辐射传热学和复杂反应的化学动力学等学科的发展相互渗透、相互促进。

项目学习的评价具有以始为终逆向设计的特点，项目评价是持续、过程性的。从提问开始，学生的提问单都属于过程性评价。以小组为单位，每个项目组的计划、资源包、调查记录及作品都上传至网络平台，学生能够留言评论，各小组在互动互评中汲取经验不断进步。

STEM教育提倡跨学科融合，化学项目式教学也需要不拘泥于学科本身，应当面对真实问题。学生不仅在探究实验中去发现问题、解决问题，而且回眸化学史，重温科学家探索过程同样能够得到启发，科学的发展之路是曲折的、螺旋上升的。项目学习并非是偏向于拓展，同样需要聚焦学科核心知识、本质问题。项目学习强调生成与体验，基于真实问题的提出、解决，学生将生活的体验和所具备的知识进行加工和重组，在学习中不断生成知识，丰富的体验是促进学生积极主动学习的动力。

参考文献

[1]夏雪梅.项目化学习设计[M].北京：教育科学出版社2019

[2]卡洛·凯什兰，桑迪·兹万.会问才会学习[M].戴华鹏，王婷婷，王唯真，译.重庆：西南师范大学出版社，2017

[3]邱激扬.项目学习模式下初中化学校本课程的设计和应用[J].化学教与学，2017（2）：27-28