基于STEM理念的初中化学主题式教学设计

陆萍 周春露

摘要：实验室制备二氧化碳后，在废物缸中有不少的残留物，其中的固体颗粒的成份是什么？液体的成份是什么？通 过设计教学过程，利用常规实验和数字化实验探究固体和液体成分，揭晓实验室“废液、废渣”的成分，进而讨论“废液、废渣”的处理方法，培养环保意识和社会责任担当意识。

关键词： STEM理念;数字化实验;实验探究;责任担当

文章编号：1008-0546（2022）05-0038-04中图分类号：G632.41文献标识码： B

doi：10.3969/j.issn.1008-0546.2022.05.008

一、教学分析

1.课标分析

化学课程标准要求学生能够通过亲身体验科学探究活动过程，激发学习化学的兴趣，增进对科学的情感，学习科学探究的基本方法，初步形成科学探究能力，并发展科学素养。

2.学情分析

在前面的学习中，同学们已经学习了沪教版九年级化学所有新知识。熟悉CO2的主要性质和用途，会用实验方法在实验室制备 CO2，初步了解自然界中的碳平衡，能用学过的知识来解释人呼出的气体中CO2 的相对含量与空气中CO2的相对含量有差异的原因，但缺乏综合分析和评价的能力，还未能构建化学学科大概念，更多的问题还停留在识记性的层面，质疑能力还较薄弱，环境保护意识和社会责任担当意识还有待进一步培养。

3.教学目标

①通过设计实验并动手操作来探究实验室制备二氧化碳后的固液混合物的成分，小结梳理碳酸盐和酸性物质的检验，培养学生设计实验方案的能力和规范的动手操作能力。

②通过观察残液成分探究的实验现象，分析数字化實验中溶液pH 和生成CO2浓度的变化的“即时”成像，增强对宏观、微观、符号和曲线四重表征的化学学科特色的理解。

③利用数字化实验和传统实验的融合，让同学们体验实验探究的乐趣，激发他们学习化学的兴趣和探究热情，学会用实验探究来解决实际问题，并基于证据进行科学推理的方法。

④通过对实验室“三废”处理方法的讨论，理解化学与社会、技术和环境的关系，培养责任担当意识。了解科学和技术的结合，促进了社会发展和社会文明，从而培养科学素养。

4.学习重点、难点

在任务驱动下学会设计、优化和实施方案。

从微观角度解释宏观现象，落实化学课程核心素养，构建化学学科大概念，如分类观、变化观、反应限度观。

5.教学方法

创设情境法、直观演示法、探究法、讨论法。

二、教学过程

【教师活动】展示烧杯中残留物。

问题一：同学们，这是你们在实验室中制备二氧化碳后残留的物质，残留的固体和液体分别含有哪些物质呢？实验后我们可不可以直接倒入水池中？

教学片断一（见表1）：

【教师活动】用镊子从残留物中取出一小粒固体。

问题二：同学们，既然你们猜想固体中有碳酸钙的存在，最有说服力的方法当然是实验，所以我们还是设计实验来进行探究吧，如何来进行呢？

教学片断二（见表2）：

【教师活动】从残留物中倒出液体试剂。

问题三：通过刚才的实验我们已经得出固体中含有碳酸钙，残留的液体中是不是真的像我们的猜想一样，不含有盐酸呢？还是让实验来说话吧！

教学片断三（见表3）：

【教师活动】继续从残留物中倒出液体试剂。

问题四：刚才的实验中我们已经得出残留的液体中含有盐酸，该液体中还有其它物质吗？如何设计实验来以证明呢？

教学片断四（见表4）：

【教师活动】分析以上的探究结论你有哪些想法？这样的想法与今天开始本节课时你的想法是一致的吗？

【学生活动】（在教师的引导下有下列想法），这样的想法与开始上课的想法有所不同。

1.今天上课前我们认为残留物中观察不到明显现象，因此碳酸钙和盐酸两种物质中只能剩余一种，而通过实验我们可以看出残留物中有碳酸钙，也有稀盐酸。

2.向氯化钙和稀盐酸的混合物中滴加碳酸钠溶液时，开始加入的少量的碳酸钠先与混合物中的稀盐酸反应，观察不到明显的白色沉淀，当盐酸反应后溶液中的氯化钙与碳酸钠发生反应。

3.传统实验与数字化实验结合后，可以进行实验数据的实时采集与分析，可以替代人工采集数据的模式，给化学实验带来巨大的变化。

问题五：残留物中有碳酸钙，也有盐酸，为什么看不到气泡呢？是本来就不产生气泡还是产生太少，以致于我们观察不到明显现象呢？如果不产生气泡，是什么原因呢？是因为酸的浓度太小吗？我们可不可以用实验来加以证明呢？

教学片断五见表5：

三、教学流程图

见图1。

四、教学效果与教学反思

进行本课题的教学设计时，我是基于这样的几点想法：

“格雷特·亚克门提出STEM教育的教学不以传授知识为主要任务，而以培养学生的问题解决能力和创新能力为目标”[3]。基于此，这节课我利用实验室残留物的真实情境，设计了问题链驱动学生活动，学生解决真实问题的能力在不断地猜想、设计方案、遴选、优化并实施方案、搜集证据、分析并得出结论的过程中得以螺旋式提升。

“学习者的态度比他存储在大脑中的很快就贬值的事实性知识更重要”“知识必须是‘可降解的’”[4]。在观察不到明显气泡后的固液混合物体系中同时验证到CaCO3和稀盐酸，以及用对比实验证明由于盐酸浓度降低了，虽然肉眼观察不到气泡，但 CaCO3和稀盐酸确实在缓慢地反应，这一次次的“认知冲突”，都使得学生的知识得以先“解构”再“重构”，学会用批判的眼光看待知识。

知识不能固化，思维不能僵化。那我是不是也可以引导学生从其他影响反应速率的因素继续进行探究呢？如果将残留固体粉碎，或将反应体系升高温度，是不是反应速率也可以加快，证明 CaCO3和稀盐酸在发生反应？除了可以验证盐酸的消耗，是不是也可以测定一段时间后固体的减少或二氧化碳浓度的增加来证明呢？笔者将会把这些问题的探究作为这个主题教学的补充和延续，也是笔者在后续教学中需要继续深入探究的问题。

通过学习如何处理实验室“三废”，同学们增强了责任担当意识和环保意识，认识到地球是我们目前赖以生存的唯一宜居星球，有毒有害物质不应该成为我们对大自然的回馈，保护环境，保护家园，就是在保护我们自己。

参考文献

[1]中华人民共和国教育部，《义务教育化学课程标准（2011年版）》[S].北京：北京师范大学出版社，2012.

[2]马宏佳.化学数字化实验的理论与实践[M].北京：人民教育出版社，2016：10.

[3]郑葳.中国 STEAM 教育发展报告[M].北京：科学出版社，2017：131.

[4]安德烈·焦尔当，杭零译.学习的本质[M].上海：华东师范大学出版社，2015：176.