基于STEM理念的高中化学命题导向与教学改进

林海龙

摘   要：选取STEM理念相关的化学试题作为落脚点，直观分析化学试题考查指向、教育立意和发展趋势，进而反馈化学教学，推动化学课堂教学改进，探究STEM理念的教学模式，以期提高高中化学的教学质量。

关键词：STEM教育；STEM立意；化学命题；教学改进

2014年，教育部发布的《关于普通高中学业水平考试的实施意见》指出：学业水平考试命题应紧密联系社会实际与学生生活经验，在全面考核学生基础知识和基本技能的基础上，注重加强对能力的考查，促进高中改进教学，促进学生发展学科兴趣与个性特长，健康成长。而随着STEM教育在全球各地的迅速发展，基于化学学科的实验探究和学科融合的特点，适合在化学教学中融入并运用STEM教育理念。融合科学、技术、数学、工程于一体的STEM教育，可有效依托真实生活情境，促使学生解决实际问题，帮助学生达成知识再现、内容联结、知识应用和巩固。在以学生为发展主体的学科核心素养的导向下深化课程改革和课程评价，也推动了STEM立意的高中化学命题在课程评价中落地生根，且越发重要和关键。

本文以高中化学教学中的练习素材为基础，选取与STEM结合相对密切的试题，综合分析其考查指向、教育立意和发展趋势，探寻高中化学教学的改进方向和策略。

1  基于STEM理念的高中化学命题导向

STEM立意的高中化学试题可以分布在选择题、填空题、问答题、工业流程题、实验探究题、综合题等多种题型中，其中以选择题，填空题、综合题居多。该类化学试题满足跨学科知识表征需要，可综合考查学生获取信息、原理迁移、逻辑推理、设计创造、概括表达等能力，便于设定分析评价指标，促进教学评一体化。

1.1  选择题

例1 成语是中华民族灿烂文化的瑰宝，许多成语中蕴含丰富的化学原理，下列成语中涉及氧化还原反应的是（      ）

A.木已成舟 B.蜡炬成灰 C.铁杵成针 D.滴水成冰

【分析】 语文思维解决化学氧化还原问题，既要解读成语内容，又要明确氧化还原反应的特征是有元素化合价变化，属于常识积累，进而可以判断A、C、D均为物理变化，B属于燃烧反应，氧气从0价变成氧化物中的-2价，有价态变化，答案为B。

例2  南粤地区有很多国家级非物质文化遗产，如广东粤绣、剪纸、香云纱染整技艺和潮汕工夫茶艺等。下列说法不正确的是（    ）

A. 制作粤绣的材料——植物纤维布含有天然高分子化合物；B. 廣东剪纸在其裁剪的过程中不涉及化学变化；C.香云纱染整技艺过程去除丝胶所用的“纯碱水溶液”属于纯净物；D.冲泡茶叶时，茶香四溢，说明分子是运动的。

【分析】  真实情境多学科思维解决实际生活问题，B选项剪纸涉及艺术（Art），剪裁纸片为物理变化，B正确；D选项以茶文化为背景，考查化学及物理中分子热运动知识，D正确。A、C涉及轻工业，化学与生活密切联系，激发学生对化学学科的社会认可度。经分析，溶液属于混合物，非纯净物，考查物质分类，错误的为C。

例3  CuCl2溶液呈黄绿色，主要原因是溶液中存在黄绿色的[CuCl4]2-。现有深蓝色的[Cu（NH3）4]SO4溶液，向其中加入少量的浓盐酸，得到绿色溶液，则该绿色溶液中主要存在的离子是（   ）

正确选项：[Cu（H2O）4] 2+、[CuCl4]2-、NH4+、SO42-。

【分析】  该题为化学与物理、美学相结合的题目，首先利用配位化学，分析浓盐酸的加入，会将[Cu（NH3）4] 2+中的NH3消耗，进而Cu2+与Cl-配位形成黄色的[CuCl4]2-，Cu2+与H2O结合形成蓝色的[Cu（H2O）4] 2+，再根据物理或美术中的三原色，黄蓝混合形成绿色溶液，可选出正确选项。该题虽没有明显的STEM立意，却也恰到好处的实现跨学科知识的交叉考察，同时将化学实验生动地在文字中呈现，加以美学、物理等多元色彩，无形中增加题目的趣味性，将科学的魅力尽可能展示，考察的形式在选择的基础上还具备探究性，在思考的维度上也有一定深度，符合STEM的内涵，也是STEM立意化学试题的考察方向。

1.2  填空题

外出旅行时，有一种“即食即热型快餐”非常便携方便。该快餐的内层是铝箔包裹的并加工好的真空包装食品，外层则为分开包装的两袋化学物质，在使用时只需拉动预留在外的拉线，就可以使得两袋物质发生反应，对食物进行加热，完成自热过程。

（1）“两包化学物质”你认为是哪一组？

A.生石灰和水  B.Ba（OH）2·8H2O与氯化铵晶体

（2）写出生石灰和水的化学反应方程式：         ；反应物的总能量      生成物总能量（填“大于”“等于”“小于”），你能用反应过程与能量变化关系示意图来表示吗？该反应属于化合反应，那么化合反应一定是放热反应吗？

（3）为什么生石灰和水反应会伴随能量变化？

【分析】  本题选取学生熟悉的生活实例“自热快餐”作为情境背景，考察学生对吸放热反应原理的理解、解释与运用。（1）中A为放热反应，B为吸热反应，对比发现自热快餐需要的能量来源于A。题目巧妙地涉及社会民生食品问题，又普及化学科技，且在题目（2）设置时还让学生运用数学思维，采取图示表示能量变化，构建STEM解题框架。该类试题可以在题目信息中强调化学在生活生产中发挥的作用，有利于学生更为深刻地去理解化学与生活技术之间的关系，培养学生养成关心生活、学以致用的意识和能力。

1.3  综合题

地质学家曾于1911年在南极偶然发现了“血瀑布”，这条宛如鲜血般红色的瀑布经泰勒冰川流入麦克默多干河谷，当时地质学家认为瀑布里的“血液”是被红藻染红了，后来被证实“血瀑布”形成的原因与化学息息相关。原来，瀑布液体中富含铁元素，当铁元素接触到空气之后，会迅速被氧化为氧化铁，就变成了我们所看到的血红色。

（1）Fe3O4可以看成FeO·Fe2O3，属于_______（填“纯净物”或“混合物”），寫出其于盐酸反应的离子方程式____________________ 。

【分析】  从地理范畴科普化学常识，题目以“血瀑布”为背景展开对铁元素知识的考察，涉及范围由宏观现象推及微观反应，考察Fe3O4物质类别的同时还要求学生书写离子方程式，一题涉及多学科知识，在接下来的系列问题中实现多种考察角度，既可以加深题目深度，拓宽题目宽度，又可以多方面评价学生思维，题目的科学性跃然纸上。

（2）含铁元素的高铁酸盐在能源和环保等方面有着广泛的用途。

I 高铁酸钾（K2FeO4）在日常生活生产中是一种理想的水处理剂，并且高铁电池的科学研究也在进行中，图1为高铁电池的模拟实验装置。

①该电池放电时正极的电极反应式为_____________       ；若该电池维持电流强度为1A，工作时间为10 min，理论上电池消耗Zn的质量为_______g（已知F=96500 C／mol）。

②盐桥里面是盛有饱和KC1溶液琼脂，在该盐桥中Cl-向_____________      移动（填“左”或“右”）；如果改用阳离子交换膜代替盐桥进行实验，则K+向_____________  移动（填“左”或“右”）。

【分析】：题目设置再次实现跨学科知识交叉考察。题干涉及电池科技，说明化学科技在社会发展中的重要作用，考察电化学内容，其中包括电极反应式和离子在溶液中的移动方向，同时涉及物理电流计算，数学思维、物理思维关联化学反应中电子转移，再一次将STEM立意贯穿题目之中，综合性相对较强，难度也增加了一些。

③图2为高铁电池和生活中常用的高能碱性电池的放电曲线，由此可得出高铁电池的优点有_______ 。

【分析】  用数学坐标轴对比呈现高铁电池“放电时间长、放电电压稳定”的优点，直观明了，将科技带来的生活便利进一步体现，STEM立意明显。

Ⅱ 在工业生产中湿法制备K2FeO4的工艺流程见图3：

④请完成“氧化”过程中反应的化学方程式：

_____________FeCl3 +________NaOH +________NaClO

=________Na2FeO4 + ________NaCl +________H2O，

其中氧化剂是__________________________  （填化学式）。

⑤该工艺流程中加入饱和KOH溶液的目的是_____________。

⑥已知25℃时Fe（OH）3的溶度积Ksp为4.0×10-38，此温度下若在实验室中配制5 mol/L l00 mL FeCl3溶液，为使配制过程中不出现浑浊现象，则至少需要加入________mL 2 mol/L的盐酸（加入盐酸的体积忽略）。

【分析】  化学的工艺流程图其实在一定程度上运用的是工程的思想，除了解其中工艺步骤外，还渗透着技术问题和工业问题，每一道题目的设置都可以作为加深学生化学认可度的落脚点。通过流程图示，考察氧化还原反应的配平，要求学生理解氧化还原反应的本质，明确FeCl3为还原剂，Fe从+3价变化为Na2FeO4中的+6价，NaClO为氧化剂，Cl从+1价变化为NaCl中的-1价，并运用数学思维使其变价元素升降价总数相等，则可轻松得到配平系数，分别为：2、10、3、2、9、5。还利用物质溶解度、沉淀物溶度积以及配制溶液的实验操作等进行知识迁移，得出后两空的答案分别为：增大K+浓度，促进高铁酸钾晶体析出；2.5。纵观整道题，其STME立意实现了跨学科、多思维考察学生的意图，有一定的难度，却也适合多层次学生完成。此类型题目也具有非常足的生活气息，应该会成为STEM立意化学综合题的出题趋势。

基于对STEM理念命题的化学试题进行分析，不难发现，该类试题方便在一个考题中呈现多个知识点，且考点可以整合在一个真实客观的情境中，可单一知识点出现，也可整体以非连续性的文本信息连贯地考查多个分散的内容。考题灵活多样，设问形式宽泛，呈现样式多种（表格、坐标系、函数、图像、古文表达等），且能够多学科交叉，难度可高可低。在近年来STEM理念命题的化学试题呈现出了增长的趋势，命题总体也明显向高阶思维、高层次“统整”发展，说明STEM理论在教育发展中会逐渐成熟，也符合STEM教育政策的推进和实施。

STEM立意的化学试题，通常涉及生活常识，例如古诗词、酒文化等，有利于弘扬中华传统文化，提高学生文化自信；呈现高新技术，例如以航空、新能源等为背景，增强学生学科认同感；巧用社会话题，设计多维度问题，促使学生聚焦基础知识，进而分散思维，全面发展。在化学核心素养的导向下，命题在STEM的基础上，可以说是实现了学科评价与教育功能的统一。

2  基于STEM理念的高中化学教学改进

2.1  明晰题型，熟悉STME化学问题的来源背景

STME问题的设置，很多时候是将跨学科的事实、概念和原理用真实情境串联起来，最终呈现不同的题型供学生联系生活，思考解决。明晰题型，积累基础知识点，统筹构建多学科常识框架是顺利解决此类问题的前提，而问题的解决也可以进一步促进学生对化学知识的深度理解和巩固应用。

从STEM立意的化学综合题也可以看出，化学教学需要探寻更适合当今教育发展的教学手段和方式。正在推进的项目式学习、教学评一体化、基于单元整体的教学设计等先进的教学方式与STME理念在教书育人方面有很多不谋而合的契合点。化学教育工作者可以从以上方向努力，同时也可以在学习探索教学模式的基礎上多挖掘STME立意的化学试题，并将试题在日常课程教学中加以运用，不失为教学相长、改进教学的新尝试。

2.2  创设情境，体会STEM化学问题的解析过程

以真实情境作为背景进行教学设计，可有效揭示科学现象的矛盾，在遇到STEM立意的化学问题时引发学生内心的认知冲突，打破学生已经建立的知识结构平衡，促使学生在遇到相应问题对脑海中的经验储备和常识积累进行深度消化，激发学生学习内驱力，完成核心素养的培养。

案例1 “碳酸钠和碳酸氢钠的性质——从发酵粉说Na2CO3和NaHCO3”的教学设计。

任务：做馒头需要加入发酵粉，而发酵粉的主要成分是什么，请查找资料并做记录。

问题：

①发酵粉主要成分为NaHCO3，为何不选择Na2CO3？

②可能NaHCO3和Na2CO3的碱性有差别，学生进行探究。

③发酵粉除了有碳酸氢钠还有酒石酸→可能NaHCO3和Na2CO3分别与酸的反应结果不同，学生进行探究。

④蒸馒头，馒头会膨胀→可能NaHCO3与Na2CO3的热稳定性不同，学生进行探究。

⑤NaHCO3与Na2CO3如何相互转化？如何鉴别？

⑥结合NaHCO3的性质，设计“龙胆复方碳酸氢钠片”的使用说明书。

【设计意图】  学生在真实情境的STME问题探究中，先进行假设，再实验验证，若事实不符，则推翻前面的假设重新进行新的假设，再进一步验证，最终得到结论。探究过程中，存在认知冲突，且关联生活，对厨房中的化学、课堂中的知识、实验中的技能、探究中的流程等强化交错，综合性的迁移应用解决实际问题，帮助学生轻松地将NaHCO3与Na2CO3两者的性质进行记忆和比较，完成教学目标。问题由生活到理论，由简单到复杂，一步一步推翻假设，在矛盾升级中实现问题升级，引发学生对问题的深层次思考，最后由理论回归生活，将复杂问题理论化简单化。

2.3  项目学习，进阶STEM化学问题的自主解决

在STEM立意的化学试题的启发下，不难发现，推动学生进行项目式研究性学习，能够巧妙地将“真实生活情境、关键实际问题、设计实施和改进方案、形成理论和产品”的多种要素与化学教学的课程性质、实施过程、评价方法和教育功能相匹配。在学生层面，有利于学生在遇到STME化学问题时的自主解决；在教育工作者层面，则是完成核心素养教育的新尝试和新手段，也许能得到意想不到的优质的教育效果。

案例2 “生活中常见的有机物——乙醇”教学设计。

主题：乙醇的性质和用途。

任务：围绕乙醇，查询资料，提出问题，解决问题。

①乙醇有什么相关古诗词和典故？

②乙醇有什么用途？

③人喝酒为什么会脸红？酒驾如何检验？

④乙醇为什么能和水以任意比例互溶？

⑤乙醇有什么样的结构特点？

⑥工业上如何制造酒精？无水乙醇怎么获取？

【设计意图】  项目式围绕乙醇，学生自主提出疑问，并展开学习，完成任务。任务过程中，涉及多学科思维，配以科学、技术、数学、工程等任务驱动知识，可顺利引导学生掌握“乙醇的结构、性质、用途”等基础知识点，构建并关联STEM模型，促使师生教学相长。