基于STEM 教育理念的高中电化学知识教学设计

付峻锋

（天水师范学院化学工程与技术学院，甘肃 天水 741000）

STEM 是基于科学（Science）、技术（Technology）、工程（Engineering）和数学（Mathematics）等多学科的一种新的教育模式，目的是提升学生学习及应用的综合能力，STEM 是全球发展在教育中的反映[1]。随着互联网、人工智能等现代技术的高速发展，我国需要更多科技、工程及数学等方面的综合性、创新型人才。教育实践证明，STEM 教育有助于培养学生未来所需的技能和思维能力。陈丽东[2]认为，探究教学研究表明，完全探究活动有利于培养学生的探究能力，部分探究活动则适合于学习概念、原理和规律；探究性教学作为培养学生科学素养的最有效的教学模式之一，不仅是时代发展的需求，科学教育的需求，更是学生发展的需求。傅骞[3]等认为，STEM 教育作为一种教学策略，能够通过基于设计的学习、基于项目的学习和探究性学习等方式，培养学习者解决实际问题的能力。为了更好地将STEM教育融入教学，培养学生的创新思维能力，本文探究了将STEM 教育融入高中电化学教学。

1 STEM 教育理论

STEM 教育主要以建构主义理论为基础，其认为学生所学的知识不是直接通过教师传授而得，而是学生在一定的社会文化背景中通过教师及同伴给予的帮助，利用身边必要的学习资料，通过进行意义建构的方式而获得的[4]。在STEM 教育活动中，教师要引导学生构建起自己的思维模式，提升学生独立解决问题的能力。STEM 教育还强调学生在已有知识基础上的再次建构，强调学生在学习时应打好基础，以便在新知识的学习中能更好地转化知识。因此，STEM教育虽然涉及领域较多，但其关注的重点是学生在学习过程中对知识的理解性建构，这与建构主义理论阐述的学习思想颇为相似。

2 高中电化学知识在高考中的重要性

电化学是2019 版普通高中教科书化学（选择性必修1）化学反应原理的教学内容。根据新高考改革的趋势，目前学生选择最多的理科组合科目仍然为（物理+化学+生物）。（物理+化学+生物）组合更有利于学生对大学专业和就业方向的选择。因此，此部分内容尽管安排在选择性必修课本中，但却非常重要。普通高中化学课程标准（2017 年版2020 年修订）选择性必修模块主题1 中也明确了对化学反应与电能的教学要求及学业要求，由此可见，电化学及实验的重要性。

作者对近五年高考全国卷中的电化学知识试题进行了统计，结果见表1。

表1 2017～2021 年全国卷电化学知识试题统计

由表1 可知：在2017～2021 年的高考化学试卷中都出现了考查电化学知识点的试题，且该试题在试卷中出现的位置较为固定，主要在试卷的选择题部分，填空题中个别年份会出现一小问，2020 年全国Ⅰ卷和全国Ⅱ卷将考查的电化学知识设置成一个整题，试题的分值也较为固定。所有试题的情景设置都与生产生活紧密联系，如，在疫情暴发期间使用的消毒剂就可以用简易的设备在家自己制备，体现了电化学知识在生活中的重要性。用STSE 教育理念命题。STSE教育理念，即“综合地看待科学、技术、社会与环境发展相互影响的问题，正确认识科学与技术的区别和联系，认识科学技术的社会化问题，合理协调科学、技术与社会、环境之间的关系，使科学、技术与社会、环境四者协调发展[5]。”电化学试题可以归属于STSE 中的T（Technology）即化学与技术。

由此可见，高考电化学试题设计的STSE 理念与STEM 教育理念有相同之处，为STEM 教育理念融入电化学教学打下了基础。

3 “制作简单电池”的STEM 课程教学设计

3.1 教学分析

（1）学生能力分析。此次教学对象为高二年级学生，通过初三和高一年级化学知识的学习，学生已掌握化学基础知识和基本计算的技能。在上本节课前，学生已学习了物质的量的计算和氧化还原反应，具备了一定的观察能力及化学实验动手能力，为本节乃至整章的教学打下了基础。

（2）教学内容分析。以“简单原电池的制作”为例对原电池进行教学。原电池是选择性必修1 第四章化学反应与电能第一节的内容。本节课基于STEM 教育理念设计了演示实验和小组实验，让学生在教师的引导下整合科学、技术、工程及数学方面的知识，以小组为单位进行实验操作。教学中教师带领学生回顾与本节课相关的知识点及基本计算，使学生在学习中能有效关联相关知识点。

3.2 教学设计

基于教学分析，将STEM教育理念融入“简单原电池的制作”教学。在演示实验中，教师积极引导学生，激发学生兴趣，发挥学生主体性。在做演示实验时，教师适时提问，引导学生在已有知识的基础上进行知识的建构及迁移。整节课以演示实验为辅，学生动手为主。保留足够时间让学生通过小组实验亲自动手体验，更好地理解知识。学生通过实验，逆向回顾并总结本节课所学的知识点，教师根据学生的总结进行更正和补充。

（1）STEM 教学目标定位。STEM 教学不仅要发挥自身的特点，更要结合普通高中化学课程标准培养学生的化学学科核心素养，全方位提升学生能力（见表2）。

表2 “简单原电池的制作” STEM教学目标及应培养的核心素养

（2）实验活动设计。以“简单原电池的制作”对原电池理论进行教学，让学生了解原电池的构造，以设计、实践、完善装置、观察总结和小组实验五部分开展教学。学生5～6 人一组，分工明确，具体活动设计见表3。

表3 活动设计表

3.3 学生学习评价

采用教师评价和学生互评相结合的方式进行。通过综合评价学习小组评出表现最优的同学，班级评出最优小组，并进行奖励。评价标准：（1）反应快。能快速联系已有知识，并根据已有知识作出相应判断。（2）动手能力强。能搭建原电池装置，能观察到灵敏电流计指针偏转，用时最短。（3）计算用时最短。能运用电子转移数计算相应物质的量。采用综合评价提高了学生的学习积极性，培养了学生合作学习的意识，构建了良好的师生关系和课堂氛围。

3.4 实践过程

情景导入：同学们，在生活中我们常常会用到各式各样的电池，但同学们了解电池工作的原理和构造吗？接下来让老师带领大家一起走进电池的世界一探究竟。（T 表示教师，S 表示学生）

T：同学们，请注意观察老师手中电池的内部构造，再结合物理知识思考，如何将电池联结成一个完整的电路。

T：在本节课前，同学们已经学习了氧化还原反应，已经能够辨别氧化还原反应及书写氧化还原反应方程式。在此基础上，我们一起来做原电池的制作实验。

T：首先同学们观察一下，桌上所准备的实验仪器和药品有哪些？

S：活动性顺序不同的金属条；烧杯；稀H2SO4溶液；灵敏电流计；导线。

T：接下来老师带领大家观察原电池的构成。在电路中怎样才能产生电流？

S：电路中需要有电源并构成闭合回路。

T：现在老师拿出两根金属条，插入装有0.1 mol/L稀H2SO4的大烧杯中，并用导线将两根金属条与灵敏电流计连接，观察灵敏电流计指针是否转动？

S：灵敏电流计没有转动。老师这是为什么呢？

T：同学们观察两根金属条有什么特征？

S：两根金属条是相同的金属条。

T：接下来老师换一根金属条，再观察灵敏电流计指针是否偏转。

S：灵敏电流计指针偏转，老师这是为什么呢？

T：同学们观察一下两根金属条有何不同？是的，两根金属不同，金属的活动性顺序也不同。同学们能否将金属活动性顺序排序呢？

S：Zn>H>Cu

T：灵敏电流计偏转是有电子流动，即有电流。同学们思考一下在体系中发生了什么反应使得电子发生了流动？请小组讨论，并写出相关反应方程式。

S：2H++2e-=H2↑ Zn-2e-=Zn2+

T：通过电极反应方程式可以判断原电池的正、负极。负极发生氧化反应，正极发生还原反应。将电极反应方程式组合可以得到此原电池的离子反应方程式Zn+2H+=Zn2++H2↑

T：通过以上实验请同学们总结组成原电池的基本条件？小组讨论并推选代表发言，小组其他成员可补充发言。

S：两种金属活动性不同的金属或一种金属和另一种非金属导体；电解质溶液；氧化还原反应能自发进行；形成闭合回路。

T：整个过程消耗的Zn 的量是多少？产生了多少量的H2？如果通过了4 mol电子需消耗多少质量的Zn，产生多少体积的H2（标准状态下）？

S：通过4 mol 电子，需消耗2 mol Zn，根据公式n=m/M，代入M，可以得出Zn 的质量。

通过4 mol 电子，产生2 mol H2，根据公式n=V/Vm，代入Vm，可以得出H2的体积。

T：接下来，请同学们运用实验桌上的仪器和药品搭建原电池装置。看哪一组完成得最好、最快，且能使灵敏电流计指针转动。

T：根据实验情况师生共同评出表现最好的小组，各小组评选表现最好的同学，并给予奖励。

T：复习巩固本节课所学知识及实验操作，布置作业。实验结束后学生清洗、整理仪器，打扫实验室。

3.5 教师及学生对STEM 教学的反馈

教师反馈：（1）需要教师具备一定的STEM教学技能；（2）在进行教学设计时教师需要考虑课程内容与STEM 教育理念的结合。深圳市、江苏省已开始建设STEM特色课程，而西部地区建设较为缓慢，大部分高中教师对STEM 教育理念还处于认知中，部分青年教师开始从理论认知走向教学实践，但在实践中仍然缺乏经验。

学生反馈：（1）STEM 教学课堂氛围更加活跃，学生真正成为课堂的主体，参与度大大提高。（2）STEM教学通过实验方式让学生理解了书本中晦涩难懂的知识，减少了学生课后投入的时间，学生对STEM 课堂教学更为喜爱。

4 结语

作者将STEM 教育理念嵌入“电化学”知识教学，获得了良好的教学效果。在开展STEM 教学时教师还应积极进行自我评价，黄家群提出，教师只有对自己的教学经常进行有意识的积累和反思，才能较快地提高自身的教学能力，促进教学水平的提高[6]。教师要积极将STEM 教育理念融入教学，促进学生知识体系的自主建构，促进学生学习能力的提高。