基于STEM教育理念的初中化学“金属材料”教学

刘丹阳　亓英丽

摘要： STEM教育强调跨学科整合，在真实情境下指向问题解决能力的培养。初中化学“金属材料”内容与社会生产生活联系紧密，基于STEM教育理念开展“金属材料”教学，在深入分析课程内容的基础上设置真实情境问题，让学生分别从化学家、技术人员、工程师三个角度拆解问题并进行分析解决，培养学生的跨学科素养和解决真实问题的能力。

关键词： STEM教育； 跨学科； 金属材料； 铝合金； 钛合金

文章编号： 10056629（2023）08005606中图分类号： G633.8文献标识码： B

跨学科实践是初中化学课程首次提出的课程内容，要求通过跨学科主题学习活动加强学科间相互关联，凸显了初中化学学习的综合性和实践性。STEM教育是当今国际教育界公认的跨学科教学与实施的典范，强调利用科学、技术、工程、数学等学科相互关联的知识解决问题。初中化学“金属材料”课程内容涉及化学、技术、工程等多个学科，依据STEM教育理念开展教学，可以较好地落实初中化学课程的要求，充分发挥化学课程的育人功能。

1 STEM教育的核心理念

1.1 强调跨学科整合

STEM教育的提出源于美国，提倡将原本分散独立的科学、技术、工程、数学四门学科集合成一个整体开展教学活动，以提升学生的STEM素養［1］。因此，跨学科整合作为STEM教育最突出的理念与特征，强调以整合的课程内容和教学方式让学生掌握概念、知识或技能，并运用它们来解决实际问题。教师在进行跨学科整合时，需要在深入分析知识的基础之上，找到其在不同学科之间的联结，再将分散的课程知识按跨学科的问题逻辑作结构化整合［2］。为了避免在STEM跨学科整合的过程中出现学科知识结构化的缺失，需要对STEM模块设置进行总体规划。

“金属材料”中核心知识包括金属与合金的物理性质及用途，寻找其在科学、技术、工程、数学学科领域的联结点，通过梳理分析可以得到STEM具体模块内容设置，如表1所示。

1.2 注重真实情境的选择运用

情境是STEM教育重要而有意义的组成部分，情境素材的选择与问题解决，可以让学生体验真实的生活，获得社会性成长。STEM教育能够为学习者提供适合的学习情境，让他们积极地建构知识，从而强化对知识的记忆并促进其迁移［4］。所以在基于STEM教育理念进行教学设计时，教师要把知识与生活相结合，为学生创设真实的问题情境，并在多种情境下迁移应用。

将课程知识按跨学科结构化整合以后，应当考虑STEM模块中的情境任务如何设计、情境素材怎样选择。根据金属材料内容的特点，本次教学选取了“飞机上的金属材料”作为支点和教学情境，从化学家、技术人员和工程师三种视角出发设置多项真实情境问题，以激发学生积极思维。

1.3 指向问题解决能力的培养

问题是多学科知识融合的交叉点与整合点，是学生学习与探究的触发器，是学生开展STEM学习的重要载体［5］。问题解决能力是学生发展“实践创新”核心素养的基本要点，也是STEM教育培养的关键能力。指向问题解决能力培养的STEM教育倡导学生在教师创设的情境中，整合科学、技术、工程、数学等领域的知识与技能合理而有效地解决问题。在解决问题的过程中，不仅落实了知识技能的应用，学生还能学习解决问题的方法，在科学态度、价值观方面也会受到良好的教育。

在初中阶段，由于学生自身的知识储备量不足，面对真实的、综合性的问题往往无从下手。为此本次教学将学习的目标拆解为几个次一级的子目标，通过子目标的实现使问题获得解决。本节课的主要问题是“飞机上如何应用金属材料”，这个问题比较宽泛，教师应引导学生分别从化学家、技术人员和工程师的视角进行拆分。通过每个环节任务的完成逐步让学生了解、掌握应用金属材料的性质，最终解决课堂最初提出的主问题。整个问题的解决经历了一个综合、分解、再综合的过程。学生在问题解决的过程中明晰金属材料的科学利用，也能够进一步了解金属材料在生产生活其他领域的应用。本节课的问题分解及解决思路见图1。

2 基于STEM教育理念的“金属材料”教学设计

2.1 教学主题内容及教学现状分析

本节课选自山东教育出版社《义务教育教科书·化学》第九单元“金属”第一节“常见的金属材料”第一课时的内容。“金属材料”相关知识属于新课标“物质的性质与应用”主题“金属与金属矿物”部分，而在“化学与社会·跨学科实践”主题中，也多次提到材料的科学利用。金属材料作为最贴近中学生生活、国家和社会发展需求量最大的材料之一，在新课标“内容要求”和“学业要求”中都有重要体现。

在对一线教学进行观察后发现，教师在对第九单元“金属”教学时，往往把第一课时的核心知识一带而过，并且把金属的冶炼相关知识与其进行合并，将重点放在“金属的化学性质”新授课及习题讲解中。究其原因，是教师和研究者认为课时紧张，且该部分知识在中考中占分比例不大，因而忽略了让学生在了解金属材料的过程中树立“物质性质决定用途”的观念和认识金属材料的科学利用的意识。在学校教育中，将学科前沿知识与其他学科知识整合实施STEM教育，有助于发展学生的跨学科素养［6］。C919飞机上应用的金属材料属于前沿性科学知识，可以在当前跨学科实践的课程理念背景下从STEM视角深入探讨这部分内容的教学。

2.2 教学目标

根据上述分析，制订如下教学目标：

（1） 通过“化学家眼中的金属材料”了解金属单质的构成，发展微粒观。并学会应用物质构成的化学观念初步了解金属共性，深化“物质结构决定性质”的化学观念。

（2） 通过完成一系列真实情境下的任务，以小组协作的方式，从技术人员的视角依据金属材料的性质分析和评价金属材料的实际应用。

（3） 以飞机制造为情境，能够从工程师的视角提出对飞机材料的看法，培养工程思维。并能基于“物质性质决定用途”的观念，初步分析和解决生产生活相关的综合问题。

（4） 思考科学、技术和工程的关系，综合运用化学、数学等学科知识解决问题，发展对化学学科的兴趣。结合我国自主研发大飞机这一事件增强民族自豪感和社会责任感。

2.3 教学思路

根据STEM教育理念，结合本节内容的特点，本节课将以我国首次自主研制的C919飞机为情境载体，以一系列问题为引导，通过化学家、技术人员、工程师三种视角设置多种教学活动。具体教学思路如图2所示。

3 教学实录

本节课以公开课的形式在山东某市某所城区中学实施，期间经过多次打磨试讲，最终完整呈现。教学实录如下：

3.1 创设情境，引入新知

［主问题］我国首款具有自主产权的大型喷气式民用飞机C919即将投入商用。有人说“一代飞机，一代材料”，在飞机上如何应用金属材料？

3.2 化学家眼中的金属材料

环节一化学家眼中的金属

［教师］大家拿起手边的C919飞机模型，凭借生活经验猜测一下这个外壳的材质？

［学生］金属材质。

［教师］真正的C919飞机部位与组件离不开金属材料。金属在日常生活中有着十分广泛的应用。

生活中有哪些常见的金属制品？它们主要由什么金属制成？

［学生］回答（略）。

［教师］金属如果应用到飞机等生产生活各领域，首先要对其有充分了解。化学是一门研究物质的学科，首先从化学家的视角出发认识金属，大家可以结合生活经验从它们的物理性质入手。物理性质要考虑颜色、状态、密度、熔沸点、硬度。除了这些方面，金属的物理性质一般还要认识它们的光泽，导电性、导热性以及延展性。请大家填写金属共有的物理性质的表格。

［学生］完成金属共有的物理性质的表格。

子问题1：为什么大多数金属之间会存在相似的物理性质？性质是由结构所决定的，能从一定程度上反映结构。下面从化学家的视角出发了解金属的微观结构。

［教师］在之前的学习中，金属单质是由什么构成的？

［学生1］金属单质都是由原子直接构成。

［教师］展示金原子和铜原子的微观示意图，说明原子间排列方式相似，所以金属结构相似。

［追问］为什么金屬都具有导电性？大家可以回忆一下金属原子的核外电子排布都有什么规律。

［学生2］金属原子最外层电子数目一般小于4，同时金属原子对电子的束缚能力不强，所以金属中有很多可以自由移动的电子。当通电后，金属中自由移动的电子就会定向移动，所以金属易导电。

［小结］金属之间存在共性，是由其结构所决定的。

环节二化学家眼中的合金

子问题2：在飞机上所用的合金是应用最广泛的金属材料，在生活中也随处可见。什么是合金，合金有什么特殊的性质吗？

阅读展示的铝合金资料卡片，获得有关合金的信息。

［学生3］铝合金除了铝外还有其他金属，要通过热处理等工艺熔合在一起，具有金属性质。

［小结］合金就是在某种金属中加热熔合其他金属或非金属后形成的、具有金属特性的物质。金属和合金统称为金属材料。

［教师］合金与纯金属性质有哪些差异呢？

［实验1］观察铝片、铝合金、铜片、黄铜片、锡、焊锡的光泽和颜色，并将它们相互刻划或摩擦，观察现象，填写表格。

［学生4］回答（略）。

［实验2］观看焊锡、锡、铅的熔化实验视频。

［学生5］最先熔化的是焊锡，其次是锡，最后是铅，说明焊锡的熔点低于两种纯金属的熔点。

［小结］合金比纯金属更具金属光泽；合金的硬度大于组成它们的金属；合金的熔点低于组成它们的金属。

［教师］化学家视角中“结构决定性质”，纯金属的原子排列十分规整，但是加入其他金属变成合金以后，合金内部的原子排列就发生了变化，它们之间的相互作用也会发生改变，从而导致合金的微观结构发生了改变。

3.3 技术人员眼中的金属材料

子问题3：站在化学家的视角对金属材料的组成和结构等进行审视了解，明白金属材料确实是C919飞机需要的一类材料，只有真正重视金属材料的研发和应用，才能实现我国飞机自主研发上的跨越式发展。转换到技术人员的视角，金属材料应当如何应用？飞机领域比较陌生，可以先从生活中的其他领域入手。

［任务一］根据金属性质表格，小组合作找出金属特有的物理性质，并联想生活中有哪些应用。

［学生1组］大部分金属都是银白色的，但金是黄色的，经常做成饰品。大多数金属的密度都较大，但是铝的密度只有2.7克每立方厘米，一般用它制作易拉罐。

［学生2组］铁的熔点相对较高，家庭做饭选择铁锅，铁锅在高温下形状一般不发生变化。

［教师］通过刚才的学习，可以看出不同金属具有各自的特性。比如铂的延性好，可以抽成直径仅有1/5000mm的细丝。金的展性好，可以压成厚度只有1/10000mm的薄片。钨则由于熔点高，被爱迪生在6000多种材料中挑选出来制作灯泡中的灯丝。所以性质的差异决定了金属的不同用途。

［任务二］银的导电性比铜好，为什么技术人员建议电线用铜制而不用银制？

［学生6］银的价格比较昂贵，但导电性和铜却相差不大。

［小结］为了将金属广泛应用于生产生活，技术人员往往需要综合考量多方面因素。首先明确各种金属材料的性质，再根据金属的价格、资源储量、废料是否易于回收、美观性等对材料进一步选择，将其应用到各个领域。

［任务三］作为技术人员应当对合金等金属材料进行充分了解和分析，才能为后续生产生活的合理利用奠定基础。铁的合金是各个领域应用最广泛的合金，C919飞机也大量应用了铁合金。

［教师］如果你是技术人员，面对以下两个问题你该如何解决？小组讨论一下。

问题一：生铁和钢是应用最广的两种铁合金，区别在于含碳量不同，生铁的含碳量为2%～4.3%，钢的含碳量在0.03%～2%之間。大家根据金属性质表格信息，分析这两种合金该如何应用于生产生活？

问题二：大多数金属在自然界中都是以金属矿物的形式存在，铁也不例外。磁铁矿（主要成分Fe3O4）、赤铁矿（主要成分Fe2O3）、菱铁矿（主要成分FeCO3）、黄铁矿（主要成分FeS2）是四种主要的铁矿石，炼铁你会选择哪种铁矿石？

［学生3组］根据表格给出两种合金的性质，我们小组认为没有塑性的生铁可以用于铁锅、暖气片等，而钢的韧性好，可以再加工，用于机器的零件、机械制造等领域更合适。

［学生4组］黄铁矿不能选择，其余都可以，因为黄铁矿的主要成分中含有硫元素，炼铁后产物可能会有污染。

［学生5组］如果想要得到纯铁，我们认为应该选择赤铁矿和磁铁矿，因为它们的铁元素占比较高。经过计算发现两者都在50%以上，而另外两种铁元素质量分数在50%以下（运用数学知识）。

［总结］通过上述三个任务发现，如何从技术人员视角应用金属材料：物质的性质决定用途，但也要综合考量该领域的其他影响因素。

例如，C919飞机的主体结构必须极其牢固，含有碳和其他金属的钢是制造这些部件的最佳材料。想要选用适合飞机的金属材料，技术人员要首先通过分析各种金属材料，了解它们的性质及用途，再不断优化，结合具体情况为飞机工程师进行推荐选用。

3.4 工程师眼中的金属材料

子问题4：我国首款具有自主产权的大型喷气式民用飞机C919即将投入商用，而材料和飞机是互相推动发展的。第一代飞机以莱特兄弟为代表，材料方面采用木制的梁条、翼肋、机翼包裹帆布，利用钢索固定维持机身的刚度，很显然和现代飞机有很大区别。如果你是飞机工程师，在此基础上设计更先进的飞机，要从哪些方面改进材料？

［学生6组］经过讨论，我们认为传统的木头和钢索不足以支撑长途飞行，所以飞机的制作材料首先应该强度大，并且还需要耐高温，刚刚说过的铝合金就比较合适。

［学生7组］和上面电线的案例一样，飞机要大规模生产使用，需要考虑成本。另外，太重了也会影响飞行，所以最好质量轻一些，成本低廉一些。

学生汇报展示的内容见图3。

［教师］总结下来，大家认为飞机的材料需要具备耐高温、强度大、低成本这些特点，大家的思路非常接近工程师的思路。同时也要让飞机更加安全，尽量帮飞机减重。现在飞机材料向着安全可靠、轻量化、强度韧性大、经济环保、低成本方向发展。以C919飞机为例，如图4所示，除了刚刚提出的铝合金外还应用了很多种金属材料。

大家可以对照表2，了解真正的C919飞机工程师是如何根据适合的性能为各部位/组件选择金属材料的。

［数学任务］钛合金用量的多少，已成为衡量当代飞机制造先进性的重要标志。我国C919飞机用量达9.3%，超过了美国的波音777。请大家计算一下，C919单机自重约42.1吨，含钛量约9.3%，按照现有数据815架订单计算，损耗率大约为80%，C919飞机所需钛合金的总量有多少？

［学生7］42.1×9.3%×815÷20%＝1.6万吨。

［教师］仅仅是C919飞机钛合金的需求量就这么庞大，说明金属材料的应用和发展前景非常广阔。同学们应当努力学习科学知识，把科技与工程结合起来，将来可以投身于相关领域，为我国的科学及工业发展做出贡献！

［总结］飞机上如何应用金属材料？C919飞机工程师从全局出发，考虑各项因素，根据不同金属的性质与飞机材料需要具备的用途进行对应匹配，呈现出目前我们看到的飞机上的金属材料。但是工程师的工作并不是一蹴而就的，离不开化学家和技术人员对金属材料的研究与分析。

4 教学效果与反思

在教学结束之后，学生对“性质决定用途”的化学观念，应用化学、技术、工程融合解决问题的思路以及从不同角度评价实际问题的能力都得到了较大的发展。同时，学生对于生产生活中应用金属材料的知识兴趣明显增强，愿意积极主动地去了解生产生活中金属材料的应用，这些可以从学生课后绘制的手抄报及课后访谈中体现出来。学生绘制手抄报见图5。

与部分学生在课后进行访谈交流，部分摘录如下：

在我原来的脑海里，金属材料就是铜和铁，现在知道了原来金属材料包括纯金属和合金。而且通过老师布置这些关于飞机上的金属材料的学习任务，我才知道合金比金属在生活中应用得更多。我的眼镜就是钛合金的，钛合金不仅用在飞机上，我们的日常生活中也有广泛应用。

我原先以为，等当了科学家以后才能解决这么高端的问题，没想到这节课我就可以解决飞机上的问题了。化学确实是和生产生活密切相关的学科。

基于STEM教育理念，本节课以我国首次自主研制的C919飞机为情境载体，借助化学家、技术人员、工程师三种视角引出与金属材料相关的问题，设置多种类型的教学活动，引导学生初步分析和解决与金属材料相关的生产生活中的综合性问题。然而，本次教学仅仅通过观察学生的表现衡量教学效果，后续还可设计更全面的评测方式，甚至进行延时评测，以检验基于STEM教育理念的教学效果。

参考文献：

［1］赵中建. STEM： 美国教育战略的重中之重［J］. 上海教育， 2012， （11）： 16～19.

［2］［5］余胜泉， 胡翔. STEM教育理念与跨学科整合模式［J］. 开放教育研究， 2015， 21（4）： 13～22.

［3］马玥， 莫尊理. 基于中华传统文化的STEAM项目式初中化学教学探索——以马家窑彩陶为例［J］. 化学教学， 2023， （3）： 41～47.

［4］张屹， 赵亚萍， 何玲， 白清玉. 基于STEM的跨学科教学设计与实践［J］. 现代远程教育研究， 2017， （6）： 75～84.

［6］乙若梅， 龚正元. 高中化学开展STEM教育的实践尝试——以“纳米Cu2O的制备及处理染料废水性能测试”为例［J］. 化学教学， 2021， （12）： 43～47.

［7］吴光辉. 大飞机引领先进材料发展［J］. 现代交通与冶金材料， 2021， 1（5）： 1～5.