基于STEM理念的高中化学项目化学习研究

【摘要】为顺应课程改革的需要，进一步提高高中化学教学效率，文章以STEM理念为核心，首先介绍了该教育理念的内涵和特点，其次指出基于STEM理念的高中化学项目化教学流程，最后以“简单燃料电池的制作与原理循证”为例，详细阐述了项目化学习的实施方法。研究表明，将STEM理念融入高中化学项目化学习中，能深化学生对于化学知识的理解，有利于培养学生的综合素养。

【关键词】高中化学；项目化学习；STEM理念；特点；流程；方法

【中图分类号】G633.8【文献标志码】A【文章编号】1004—0463（2024）15—0068—04

新课标指出，要注重培养学生的创新意识和能力，促进学生科学素养的发展。新课改要求教师合理组织教学内容，尤其重视跨学科主题的选择，加强化学与其他学科之间的联系，以拓宽学生的视野和思路。新形势下，STEM理念在我国教育领域得到推广应用，既符合新课程改革的相关要求，又利于培养学生的核心素养，促进学生全面发展[1]。以下结合笔者实践，探讨STEM理念在高中化学项目化学习活动中的应用。

一、STEM教育理念的内涵和特点

（一）STEM教育理念的内涵

STEM指的是科学、技术、工程和数学这4门学科，STEM教育理念是一种重视实践的跨学科教育理念。该教育理念认为单一技能的运用无法支撑起未来人才发展的需求，教学过程中打破学科界限才能培养出综合型人才。笔者认为，STEM理念是一种基于问题和项目的教学策略，通过创设真实情境，采取体验式、探究式、项目式教学方法，培养学生的解决问题能力和创新能力。

（二）STEM教育理念的特点

1.综合性。我国教育工作在改革推进中，分科教学模式凸显出诸多弊端，STEM教育理念刚好是有效的解决策略。该教育理念的综合性，体现在教学过程中淡化甚至消除不同学科的界限，学生学习化学知识的同时，和科学、技术、工程、数学等学习知识联系起来，进而更好地解决实际问题，培养学生的综合能力。

2.情境性。基于STEM教育理念，教师的教学活动不仅为学生传授知识，还要引导学生运用知识解决现实问题，达到知识内化与迁移运用的效果。STEM教育理念的情境性，要求教师讲授化学知识时创设真实情境，促使学生全身心投入其中，通过自主探究或小组合作解决预设的问题。

3.体验性。STEM教育理念要求学生掌握知识的同时，能动手操作、动口交流、动脑思考，调动多个感官更好地参与到学习活动中[2]。化学知识与实际生活密切相关，基于STEM教育理念，教师应设计丰富的项目活动，而不是局限于教材和课堂，让学生放飞思维，在参与、体验的过程中获得化学知识，促进综合能力的提升。

4.合作性。STEM教育理念还应加强师生之间、生生之间的交流互动，鼓励学生开展合作学习。尤其针对部分抽象性、复杂性的化学知识或实验，单纯依靠学生个人力量学习起来有困难，STEM教育理念突出教师的指导作用、同学的辅助作用，在合作学习中明确每个成员的责任和分工，在思想碰撞中构建化学知识体系，提高学习效果。

二、基于STEM教育理念的高中化学项目化教学流程

基于STEM教育理念形成了多种教学方法，例如5E教学法、项目教学法、情境教学法等[3]。其中，项目教学法与STEM教育理念最为接近，主张设置真实的项目任务，让学生在做中学，教师给予必要的引导，最终学生掌握知识、收获成果，并且培养学生的交流合作、批判思维、实践探究等能力。STEM教育理念下，高中化学项目化教学流程是选择项目→制订计划→活动探究→成果展示→评价总结，每个环节师生的活动内容如下。

（一）选择项目

教师根据教材内容、教学目标、学生实际情况及发展需求，合理设计项目任务，向学生介绍项目情况，并指导学生选择项目。学生根据自己的兴趣和能力，自主选择合适的项目，作为本次学习活动的主线。

（二）制订计划

教师根据项目情况提供指导材料、工具，明确研究方法，指导学生制订项目活动计划。学生则以小组为单位，确定组长和组员，明确各成员的职责和分工，协作制订项目活动计划，为后续活动开展打下基础。

（三）活动探究

学生根据项目活动计划进行自主探究和小组合作探究，大胆发言表达自己的想法和见解，在小组内分析讨论，找到解决问题的最佳方法，并最终完成作品。教师对整个探究活动进行组织和管理，控制好项目进度，引导学生正确思考，并为个别学生提供针对性帮助，以便学生生成高质量的作品。

（四）成果展示

每个小组选择代表汇报项目活动的实施情况，展示作品成果，如图文展示、视频展示、动画演示等，并回答其他学生的提问，确保其他学生听清弄懂。教师组织交流活动，确保各个小组有秩序地展示成果，并且总结学生提出的问题。

（五）评价总结

学生分享本次项目探究活动的体会和感悟，然后开展自我评价、小组成员评价和组间互评。教师组织评价活动，并总结本次活动，一方面指出成功经验和不足之处，为下一阶段的教学改进提供支持；另一方面对表现优良的小组、个人予以表扬，采取合适的奖励措施。

三、“简单燃料电池的制作与原理循证”项目化学习的实施方法

“简单燃料电池的制作与原理循证”来源于“化学电源”章节，介绍了具有代表性的三大类电池的基本构造、工作原理、性能和适用范围，要求学生了解生活中常用的化学电源，正确区分一次电池、二次电池和燃料电池，会书写化学电池的电极反应式，培养学生观察、分析、整理、归纳总结和探究能力，增强学生的环保意识。在STEM教育理念下，“简单燃料电池的制作与原理循证”项目化学习的实施方法介绍如下。

（一）明确核心化学知识

课程标准中要求学生了解化学电源的工作原理，认识化学能与电能转化的意义，制作简单燃料电池是学生必须开展的实验。从这一角度看，化学电源是高中化学的核心知识，而且实验探究在教学活动中具有重要地位[4]。本节课程之前，学生已经学习了氧化还原反应、离子反应、原电池等相关知识，但部分学生对于电极材料与反应、离子导体、电子导体等基本知识存在认知上的偏差，分析电化学问题时缺少合理的思路。对此，开展项目化学习活动，能帮助学生深入理解原电池的工作原理，构建完善的电化学认知模型，并运用所学知识解决电化学问题。

以探究氢氧燃料电池的工作原理为例，学习小组如此设计实验过程：向三颈烧瓶内注入0.5 mol/L的Na2SO4溶液，电极选用两根石墨棒。先接通直流电源电解一段时间，再断开电源生成的H2和O2组成燃料电池，驱动小风扇运行。使用氧气传感器测定电源正极附近O2浓度，使用pH计测定电源负极附近溶液中的H+浓度，结果显示前者减小、后者增大。小组通过分析，判断电源负极附近的H2失去电子成为H+，H+经导线从负极流向正极，正极附近的O2获得电子成为H2O，此时氢氧燃料电池产生电流，带动小风扇转动。学生在实验操作中，观察实验现象、测定相关数据，在此基础上推理分析，利于理解电化学系统的基本要素，从而掌握原电池的工作原理，形成正确的分析思路。

（二）不同学科交叉融合

本次项目化学习中，不仅包含多个化学知识，也涉及跨学科知识。其中，化学知识包括化学能与电能的相互转化、氧化还原反应、原电池的电极反应及离子移动方向、原电池的基本要素等。跨学科知识包括：①物理方面的左手定则，用于判断运动电荷所受的洛伦兹力。②技术方面，主要是实验操作能力、检测设备仪器的使用能力等。③数学方面的数据分析、图表绘制，用于实验数据的统计分析。④艺术方面，主要是实验装置的设计与审美。实践操作内容包括：制作简单的燃料电池、创新设计实验装置、探究离子的移动方向、绘制原电池的认知模型图等。学生在实验探究中，结合物理学规律，运用检测仪器设备，合理设计实验装置，采集数据并利用数学方法分析，通过跨学科交叉融合最终完成项目任务。

以探究金属燃料电池中离子的移动方向为例，实验方案如下：第一步，选择1根镁电极、1根石墨电极作为电极材料，在培养皿中间固定石墨电极，沿着内壁固定镁电极。第二步，将培养皿放置在一块N极向上的环形磁铁上，下方垫上白纸以便于观察。第三步，向培养皿中加入一定量的饱和食盐水，再滴入几滴酚酞溶液，将2个电极用导线连接起来。学生会观察到，石墨电极附近的溶液颜色从无色变为红色，且颜色逐渐加深，向外呈逆时针旋转。利用左手定则，可知镁-空气电池中，电解质溶液里的阳离子Mg2+向正极运动，阴离子OH-向负极运动。该实验过程中，学生借助于左手定则明确镁-空气电池中离子的移动方向，实验设计非常巧妙，不仅充分利用了相关知识点，而且实验现象更加直观。

（三）开展项目探究活动

项目化学习的关键环节是探究活动，教师要结合学生的认知能力和学习目标，提供必要的指导和帮助，让学生以小组为单位，逐步开展资料查询、方案设计、实验探究、数据分析、交流评价等活动，整个探究活动是化学知识迁移运用、多学科知识相互融合的过程，最终实现预期学习目标。学生在探究活动中，通过小组合作完成各自的任务，可建立正确的电化学问题分析思路，如此学生既能掌握知识，又能培养能力。本次项目探究活动因学习内容较多，需要分两个课时完成，为保证探究过程合理有序，教师应分解为多个项目任务，让学生开展持续性、丰富性的学习活动，具体如下。

任务一：认识燃料电池，属于项目选定环节，学生活动主要是列举生活中常见的燃料电池和应用场景，认识燃料电池的重要性。

任务二：利用生活物品制作简单的燃料电池，属于初步探究环节，学生活动包括两个：一是结合已有知识体系和教材内容，了解原电池的构成要素和工作原理。二是设计实验方案制作简单的燃料电池，如氢氧燃料电池、铝-空气电池、镁-空气电池等。

任务三：探究氢氧燃料电池的工作原理，属于深入探究环节，学生活动包括两个：一是合理设计实验方案，绘制实验装置图，确定需要的材料和仪器。二是观察实验过程和现象，收集数据进行分析推理，掌握氢氧燃料电池的工作原理。

任务四：探究金属燃料电池中离子的移动方向，属于创新设计环节，学生活动包括三个：一是合理设计实验方案，绘制实验装置图，确定需要的材料和仪器。二是观察实验过程和现象，收集数据并分析推理，掌握金属燃料电池中离子的移动方向。三是绘制原电池的认知模型图，构建新的知识体系。

以上探究活动的开展，相较于教师口头讲授知识点，能更好地激发学生的学习兴趣，在掌握知识、发展能力的同时，还能培养学生的科学态度和创新意识。在数据分析环节，要求学生将宏观现象和微观变化相结合，利用已有证据来推理解决实际问题，最终揭示电化学的规律和本质[5]。

（四）项目成果展示评价

所有探究活动完成后，要求学习小组整理相关资料，在班级内展示各类项目成果，例如简单燃料电池的成品、原电池认知模型、探究实验的设计方案、实验操作需要的材料和仪器等。以简单燃料电池的制作为例，学生利用生活物品制作出氢氧燃料电池、铝-空气电池、镁-空气电池，利用电池驱动小灯泡、小风扇、音乐贺卡运行。小组成员将燃料电池的制作过程展示出来，实现了理论与实践相结合的目标，培养了学生的综合素养。

项目成果展示后，最后一个环节是教学评价。STEM教育理念下的项目化学习，其教学评价要注意三个方面：一是设置完善的评价指标，既有定量指标，也有定性指标，涵盖态度、知识、能力、素养等各个方面，以保证评价结果的全面性[6]。二是增加评价主体的数量，在教师评价的基础上增加自评、小组互评等方式，让学生认识到本次探究活动的可取之处和不足，提高评价结果的客观性。三是及时反馈评价结果，对于整体表现优异的小组和个人，教师给予表扬和奖励，增强学生的自豪感和自信心，感受学习带来的快乐，鼓励学生在今后的学习中继续努力，取得更大的进步。

综上所述，在STEM教育理念下实施高中化学项目化学习活动，要对跨学科知识进行整合，合理设置项目任务，鼓励学生开展探究活动，并且对项目成果作出全面评价。如此，在实现教学目标的同时，能培养学生的综合素养，促进学生未来更好地发展。

参考文献

[1]曹悦，严文法，马艺.高中化学STEM项目式学习案例设计——以“颜料的提取及应用”为例[J].化学教与学，2023（13）：13-17.

[2]陈燕祝.高中化学STEM项目学习活动设计与实践研究[D].贵阳：贵州师范大学，2020.

[3]付峻锋.基于STEM教育理念的高中电化学知识教学设计[J].遵义师范学院学报，2024（01）：151-154.

[4]黎春葵. STEM理念下开展高中化学实验课的实践研究[J].科教导刊-电子版（上旬），2022（04）：217-218.

[5]范玉芳.基于STEM教育理念的高中化学元素化合物实践探讨[J].中学生数理化（学习研究），2021（11）：62-63.

[6]李辉红. STEM理念下开展化学实验课的实践研究[J].课堂内外（高中教研），2021（07）：72.

编辑：张昀