基于STEM理念的高中化学跨学科融合教学策略探究

摘 要：STEM教育强调科学、技术、工程和数学的融合，该跨学科的教学方法能够培养学生的综合能力，促使学生在多个领域内思考和解决问题.鉴于此，本文探究了基于STEM理念的高中化学跨学科融合教学策略.通过确立问题导向的跨学科教学目标，整合科学探究与技术应用的实验教学，融入信息技术手段提升教学互动性，以及应用多学科知识完善项目实施过程.旨在激发学生的学习热情，促进学生深度学习，提高其实践操作能力和创新思维能力.

关键词：高中化学；跨学科融合；教学方法

中图分类号：G632 文献标识码：A 文章编号：1008-0333（2025）03-0115-03

收稿日期：2024-10-25

作者简介：宋见平，本科，中学中级教师，从事高中化学教学研究.

将STEM理念融入高中化学教学中，不仅有助于激发学生对化学学习的兴趣，还能促使学生学会将不同领域的知识相互联系起来解决问题^[1]，从而为未来成为具有全球竞争力的综合性人才打下坚实的基础.因此，探究基于STEM理念下的高中化学跨学科融合教学策略变得尤为重要且紧迫，该策略不仅是对传统教学模式的一种革新尝试，也是适应新时代教育需求、培养全面发展人才的有效途径之一.基于以上，本文探讨了基于STEM理念的高中化学跨学科融合教学策略，以期为高中化学教学改革提供有益借鉴，助力培养学生全面发展.

1 目标设定：确立问题为导向的跨学科教学目标

在推进基于STEM理念的高中化学跨学科教学过程中，确立以问题为导向的教学目标是最为关键的第一步^[2].设计目标应紧密结合学生的生活实际和认知水平，以此激发学生的学习热情，同时驱动学生主动投入问题的探究与解决之中.

例如，在讲授人教版高中化学必修第一册第一章第三节《氧化还原反应》时，教师可以设定一个具有挑战性的问题导向教学目标：探究电池工作原理中的氧化还原反应.这一问题不仅围绕化学的核心知识点，还涉及物理学中的电学原理，同时也会触及环境科学领域关于电池使用后的环境影响和回收处理问题.学生在探索这一问题的过程中，首先需要掌握氧化还原反应的基本原理和规律，这是理解电池工作原理的基础.随后，学生需要将这些理论知识与电池的化学结构和功能原理相结合，深入分析电池在放电过程中所发生的复杂化学反应.在此过程中，学生将通过实验和理论学习，探讨电池内部的电子流动转化为电能的方法，了解其中所涵盖的物理学电学知识.其间，学生将学习到正确识别电池正负极的方法，理解电极材料的作用，并认识到电子在闭合电路中流动从而产生电流.最后，学生需要采用数据分析的方法，以验证其理论假设和实验设计是否合理.通过对比不同条件下电池的性能，学生能够更加深入地理解氧化还原反应在电池工作中的作用，并识别出影响电池效率的关键因素.

通过采用问题导向的教学方式，学生不仅能够深化对氧化还原反应的理解，还能够提升自己的分析能力、批判性思维能力和创新能力.学生在解决实际问题的过程中，将不同学科的知识进行融合应用，不仅能够增强学习的趣味性和实用性，也能够为未来在STEM领域的深入学习打下坚实的基础.

2 实验整合：融合设计科学探究与技术应用实验

在基于STEM理念的高中化学跨学科融合教学策略中，实验整合是至关重要的一环.教师应当设计融合科学探究与技术应用的实验，以促进学生将理论知识与实践操作相结合，增强学生的动手能力和创新能力.

例如，在讲授“氧化还原反应”这一化学概念时，教师可以精心设计一系列实验活动，让学生亲自动手操作来深入探究电池的工作原理.教学实验步骤如图1所示.

首先，学生可以尝试制作一个简单的原电池.在实验中，学生需要使用不同的金属电极（如锌和铜）和电解质溶液（如硫酸铜溶液）来构建一个基本的电池模型.学生通过观察金属电极在溶液中的变化，能够直观地看到氧化还原反应的发生，并记录下电极质量的变化和溶液颜色的改变.接着，教师需要引导学生进行电池电动势和电流的测量实验.在此环节，学生需要使用电压表和电流表来测量原电池的电动势和电流强度，还需要学习正确连接电路，以及正确读取和记录仪表数据的方法.通过进行实验测试，学生不仅要理解电动势与电流的关系，还需要运用物理学的电学原理来解释实验结果.其间，教师可以引导学生进行不同电极材料对电池性能影响的观察实验.学生替换原电池中的金属电极，使用不同材料的电极（如铅、镍、铝等）进行实验，比较它们的放电性能.通过实验，学生可以了解到电极材料的选择对电池效率和稳定性的影响.在实验过程中，教师还可以引入电化学工作站和数据采集器等现代技术工具，以此提升实验的精确度和效率；学生则可以使用这些工具收集电池在放电过程中的电极电位、电流随时间的变化等电化学数据.学生应用数据分析软件，能够逐步学会正确处理实验数据的方法，并绘制电流—时间曲线，以此分析电极反应的动力学特性.

3 技术融入：融入信息技术手段提高教学互动性

在基于STEM理念的高中化学跨学科融合教学中，融入信息技术是提升教学互动性和学生参与度的重要手段^[3].教师合理运用信息技术，不仅可以丰富教学内容的表现形式，还能激发学生的学习兴趣，促进深度学习的发展.

例如，在讲解《氧化还原反应》的内容时，教师可以应用3D MAX软件创建一个三维的氧化还原反应模型.3D模型能够从不同的角度和层面展示反应过程，使抽象的化学概念变得具体和直观.学生观察模型，可以清晰地看到电子在原子之间发生转移的变化，理解这种转移影响物质的氧化态和还原态的方法.在课堂上，教师可以使用3D MAX软件模拟氧化还原反应的实际场景，比如铁钉在硫酸铜溶液中的置换反应，学生可以看到铁原子失去电子被氧化的过程，以及铜离子获得电子被还原的过程.这种动态的视觉展示不仅能够帮助学生理解氧化还原反应的基本原理，还能够激发学生的学习兴趣.同时，教师还可以利用3D MAX软件设计一系列的互动环节，让学生通过操作软件来改变反应条件，观察反应结果的变化.比如，学生可以尝试改变反应物的浓度、温度或添加不同的催化剂，从而探索上述因素对氧化还原反应速率和平衡的影响.

在化学课堂中采用技术融入的教学方式，让学生能够在一个虚拟的实验室环境中进行探索性的学习，不仅加深了对化学概念的理解，还提高了空间想象能力和科学探究能力.此种教学方法有效地结合了化学知识与信息技术，能够为高中化学教学开辟新的互动教学途径.

4 项目实践：应用多学科知识完善项目实施过程

在基于STEM理念的高中化学跨学科融合教学中，实施项目实践活动，是学生将所学知识应用于解决实际问题的重要环节^[4].通过开展项目实践活动，学生能够综合运用多学科知识，提高自身的解决问题的能力，加深个人对化学概念的理解.

例如，在《氧化还原反应》的教学中，教师可以精心设计一个综合性的项目，用于让学生深入探究不同类型的电池及其工作原理.该项目要求学生运用所学的化学知识，深入分析电池内部的氧化还原反应，理解电子如何在电池的两极之间流动，并认识到相应反应产生电能的原因.在项目实施过程中，教师可以将学生分成多个小组，通过团队合作的方式，提高解决问题的能力.首先，各小组需要开展文献调研，收集关于电池技术的历史发展、当前研究现状以及未来趋势的信息.经过这一过程，学生能够对电池的发展有一个宏观的认识，并为后续的设计工作提供理论支持.进入设计规划阶段后，每个小组需根据所学的化学和物理学原理，结合工程学思想，提出自己的电池设计理念.在这一阶段，学生需要考虑电池的实用性，比如电池的便携性、使用寿命、成本效益以及环境影响等.在电池的原型设计阶段，小组成员则需要利用计算机辅助设计（CAD）软件绘制电池的三维模型，并对其进行模拟测试.该步骤可以帮助学生直观地看到设计的实际效果，并在不浪费实际材料的情况下进行优化.完成上述任务后，各小组成员则进入原型制作环节.在此过程中，学生需要选择合适的材料和工具，动手制作电池原型.该步骤不仅考验学生的动手能力，也能够让学生更加深刻地理解电池的工作原理和工程实践的重要性.在电池原型制作完成后，各小组则需要对其进行性能测试，测试内容可以是电池的充放电效率、能量密度、稳定性等.学生需要在项目实施过程中，及时记录测试数据，分析测试结果，找出设计的不足之处，并提出改进措施.最终，各小组整合学生研究成果，撰写一份详尽的项目报告.报告内容不仅需要涵盖项目的开展过程、结果和讨论，还需要对电池的工作原理进行深入解释，并尽可能地提出相应的改进建议或创新思路.

5 结束语

在全球化与信息化迅速发展的今天，社会对人才的需求日益多元化，要求个体不仅要具备扎实的专业知识基础，还应拥有良好的创新意识、实践能力和跨学科技能，因此，探究基于STEM理念的高中化学跨学科融合教学策略具有重要的现实意义.未来，教师应继续深化对STEM教育理念的理解，积极调整教学方式，将跨学科融合的理念贯穿于教学设计之中，鼓励学生动手操作，为学生的全面发展奠定坚实基础.

参考文献：

[1] 方婷婷，杨文静.基于化学学科理解的教学设计：以“原电池与电解池工作原理”为例[J].林区教学，2024（10）：105-108.

[2] 徐文静，吴杰.基于STEM理念的通用技术项目教学：以“三维创意”项目为例[J].科学咨询（教育科研），2024（07）：233-236.

[3] 王秀芳，李启毕，刘春叶.高等教育中的无机化学教学改革探索：以“合成和表征铜氧化物纳米颗粒”实验为例[J].广东化工，2024，51（12）：182-184.

[4] 石德志，赵明霞.新工科背景下大学化学实验课设计：以氢氧化钠标准溶液的配置与滴定为例[J].化纤与纺织技术，2024，53（06）：190-193.

［责任编辑：季春阳］