基于STEM的教学方案设计

摘要：STEM 教育是整合科學、技术、工程、数学等多方面的教育，自美国提出后在国际上也具有一定影响。本文以人教版《化学反应原理》中“原电池”教学为例，探究原电池的形成原理，让同学们深入了解多种多样的化学电源，并将 STEM 教育思想理念融入化学课程教学设计中，培养学生运用多种学科知识，提高解决问題和分析问题的能力。

关键词：STEM 教育;化学教学;教学设计

STEM是学、技术、工程以及数学相关的所有领域的交叉融合、他甚至与心理学、社会学和政治学有关，是一个偏向于理工科目教学的多学科交叉融合课程。2015年美国颁布了《STEM Education Act of 2015》，即从立法的角度保障了STEM教育法的实施，随着近年来的经济全球化，我国也越来越重视STEM的教育。

一、设计理念

（一）化学STEM教育

在化学教育中，化学不仅可以和物理、生物、数学等学科融合，也可以和地理学科进行融合。化学在日常生活中与人们的生产、生活息息相关，是材料科学、能源科学、环境科学、生命科学以及信息技术等科学技术的的基础学科。而这些科学技术的基础内容也同时体现在中学物理、生物以及地理的课程中。

例如，化学和物理的交叉内容即在能量转化过程中所涉及到的热能、氢能、化学能等，以及各种新颖的原电池、燃料电池和太阳能电池也是属于化学和物理的交叉内容。同时也是开发新型环保能源转化技术和装置的热点领域[1]。

（一）原电池设计理念

原电池是高中化学所要学习的重要内容，主要内容包括构成原电池的基本要素、化学能与电能的相互转化、正负极判断以及和生活息息相关的燃料电池。随着科技的高速发展，电池与生物燃料的结合势在必行，所以生物燃料电池也是学生需要掌握的内容，这就需要学生有相关的生物基础知识。且在整个原电池的授课中，要求学生能够掌握相应的数学计算的基础知识以便于计算原电池中的电子转移数目。在本节的授课内容中完全体现了化学与数学、物理、生物学科的融合，同时可以结合社会的生产实际进行授课让学生自己动手设计原电池，形成一定的科学素养，以此来培养学生的科技创新能力和工程思想。

（二）教学目标

（一）教学目标

1.通过对设计原电池装置必要性的论证，提升学生将化学知识应用于生产和生活的社会责任感，并逐步形成绿色化学观念。

2.通过对设计原电池装置可行性的论证，加深对氧化还原反应本质的理解，并能从多角度分析和利用化学反应中的能量变化。

3.通过对原电池形成条件的探究，锻炼学生的探究能力，并且深化学生对化学实验“提出假设一实验证实或证伪- +发现新问题-提出新假设-→得出结论”研究模式的认识，加强实验探究能力。知道可以通过分析、推理、实验等方法认识氧化还原反应的本质特征、原电池的构成要素及其相互关系，建立认知模型。

（二）教学重、难点

1.重点：理解氧化还原反应与原电池原理之间的关系，了解原电池的形成条件，分析简单原电池形成的原理

2.难点：原电池装置的设计

（三）教学资源

多媒体;有关原电池发展的化学史;现有市面上汽车所用的新型电池;锌片;铜片;稀硫酸;

（四）课时规划

本节内容共分为一课时，先介绍原电池并让同学们亲手设计制作原电池，从中了解原电池的构成要素、工作原理。再通过学生搜集资料、整理并讲述现代原电池的种类，了解现代生产生生活中原电池的工作状况从而更好的融合各学科以及化学与社会之间的知识。

（五）教学过程

（一）情境引入

【教师活动】有一部电影描述了没有电之后的生活。那么同学们你们想象一下没有电之后的生活么？

【学生活动】想象没有电之后的生活：不能看电视，不能听音乐，不能上网，不能打电话，不能用家里的各种电子产品，如微波炉、电冰箱、电饭煲、空调以及电灯，飞机火车停止运行，不能用电梯，商场超市将停止运作，无法收银

【教师活动】通过学生们的回答我们知道，在现代社会中没有电我们将寸步难行。点的使用早就已经进入了我们生活的每一个角落。火力发电由于原料来源丰富，建厂占地面积较小，成本和技术要求都比较低，所以在我国仍然占有总发电量的60%以上。那么同学再次思考一个问题，在火力发电过程中化学能是如何转化成电能的呢？

【展示】PPT展示活力发电厂的工作原理示意图，请同学们根据图示，分析并回答其中所发生的能量转换。

【学生活动】化学能转化为热能，热能转化为机械能，机械能转化为电能。

【教师活动】通过同学们的分析可以知道，由化学能转化为电能的过程中经历的很多的环节。那么每一个环节都能实现能量的100%转化么？

【学生活动】不能，因为每一个转化的环节都会有大量的能量损耗

【教师活动】实际上，我国目前的火力发电中，能源的有效利用率仅仅在30%～40%之间。同时，作为火力发电的主要物质—煤，是一种不可再生能源，总会有用完的一天，因此我们应该思考一下以下问题：1.能不能减少中间的能量转化环节 ，将化学能直接转化为电能？2.能不能找到一类物质来代煤进行发电？

【学生活动】进入情境，分组讨论，思考化学能直接转化为化学能的可能性

（二）问题导入

【教师活动】我们能不能利用某一类反应将化学能直接转化为电能？如果可以，该反应属于哪一类反应？

教师观察学生情况给予适当的提示：

1.根据我们初中所学习的物理知识思考电流产生的实质是什么？

2.我们已经学过化学反应都哪些类型，不同类型的化学反应的特点是什么？

3.哪一类反应最有可能实现将化学能转化为电能的设想？

部分学生可能会认为离子反应可以直接将化学能转化为电能，因为离子反应中有阴阳离子，他们可以起到导电的作用。此时教师要做适当的引导，让学生认识到电流的产生是因为带电粒子的定向移动，但是离子反应中的离子的移动柜一般是没有规律的，是不定向的。由此可以让学生认识到只有氧化还原反应才有可能被设计成原电池。

【学生活动】根据教师的提示思考，交流后得出结论：如果想要产生电能就需要产生电流，而想要产生电流就需要带电粒子的定向移动，根据学生以前所学习过的化学反应中，氧化还原反应都具有这一类特征，电子定向的从还原剂转移至氧化剂。

【教师活动】演示锌粒与稀硫酸的反应，提问学生们是否观察到电流产生？为什么？

【学生活动】只有无色气体产生。没有观察到电流的产生，因为电子是要在导线上进行定向移动的，所以电流也应该在导线上产生，而老师所做的实验中并没有外电路所以没有电路产生。

（三）实验探究

【教师活动】通过同学们刚才的分析，我们知道化学能转化为电能会有电流产生，但是刚才的实验中我们并没有观察到电流。那么我们如何检测反应中有没有电流产生呢？请同学们以反应Zn + 2H+ =Zn2++H2↑。为学生提供锌片、铜片、碳棒、稀硫酸、烧杯、导线、灵敏电流表。

【学生活动】思考交流之后画出不同的装置简图，并用实验验证。汇报实验事实。

【教师活动】通过实验我们知道使用锌片，铜片（碳棒）和稀硫酸等可以形成原电池。但是刚才大家所设计的实验装置中，不是所有的装置都产生了电流，这说明原电池的形成是需要一定的条件的。请大家分析刚才的装置，分析原电池的形成都需要哪些条件。

【学生活动】分析交流讨论后回答：原电池的形成需要闭合回路。

【教师活动】电极材料除了锌、铜和碳棒以外是否还可以是别的材料？反应溶液除了稀硫酸之外是否可以是别的液体？请同学们设计实验方案，探究原电池形成的其他条件。绘制表格，记录学生汇报的实验信息，询问选择该实验药品以及设计该原电池的理由。

【学生活动】设计并实施实验，整理、记录实验信息并汇报。

【教师活动】根据学生的汇报，用电子表格的形式筛选整理实验信息，并由同学对刚才产生电流和未产生电流的装置进行对比分析，总结形成原电池的其他条件

【学生活动】根据汇总的实验信息总结形成原电池的其他条件。即有自发进行的氧化还原反应和正负极材料。

【教师活动】我们已经设计出了完整的可以产生电流的原电池装置，成功实现了化学能向电能的直接转化。那么原电池是如何实现这一转变的呢？以锌铜原电池为例，指出反应的正负极，并分析两电极上肯=可能发生的化学反应并尝试写出两极的电极反应式。

【学生活动】讨论交流并分析原电池的工作原理，书写电极反应式。

负极Zn ： Zn -2e-=Zn2+

正極Cu ：2H++2e-=H2↑

【教师活动】分析Zn - C - CuSO4原电池中，正极上可能出现的实验现象。

【学生活动】碳棒上附着一层红色金属

（四）课后思考

【教师活动】原电池装置给我们的生活带来了巨大的便利，也为我们研究氧化还原反应提供了重要的研究手段。我们生活中的大量化学电源就是以原电池为雏形的。那么从简单的原电池到各种各样的化学电源，我们还有多远的路要走呢？请大家选择一种或几种自己感兴趣的化学电源，查阅相关资料，了解其中的化学原理。

【学生活动】查阅资料，了解一种或者多种化学电源的工作原理。

参考文献：

[1]刘丽.融合STEM教育理念的初中化学教学设计与应用研究[D].青岛大学，2020.

[2]周军燕.基于STEM理念的化学概念思维教学案例的比较分析[D].华中师范大学，2020.

作者简介：赵伟怡，1998.01.21，女，汉，黑龙江省哈尔滨市，硕士研究生在读，研究方向：中学化学教育。