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。
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。
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。
3.1 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。
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。
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