促进化学深度学习的STEM项目设计

促进化学深度学习的STEM项目设计

陆庭銮，泰州明珠实验学校

        摘要：　对化学深度学习及STEM项目学习形成基本理解，分析国内当前促进化学深度学习的STEM项目学习的现状，提出促进化学深度学习的STEM项目学习设计的基本构想，通过教学实践案例，具体说明STEM项目学习设计所达成的能力培养目标。

        关键词：深度学习；STEM项目学习；核心素养；实践

        一、基本认识与理解

      STEM项目是指STEM项目学习，指STEM和基于项目学习的模式有机整合的产物［1］。STEM是科学（Science）、技术（Technology）、工程（Engineering）和数学（Mathematics）英语首字母的缩写。STEM教育是一种通过整合科学、技术、工程和数学领域内容指引教学和学习的途径和方法。项目的学习主要是由内容、活动、情景和成果四个因素构成的，项目学习通常以小组合作的形式进行，目的是为了研究和解决现实生活中的真实性问题，学生是项目活动的主导者和实践者。STEM项目学习强调问题驱动、跨学科整合、情景与合作等，核心是将分散的学科领域融合于问题的项目活动，通过问题驱动，运用科学、技术、工程和数学等领域知识与技能解决现实问题，达到理解学科的核心概念和关键原理。1986年美国提出在大学加强STEM教育，后日趋成熟，并意识到此教育对一个国家未来的创新能力与竞争有重大影响。STEM项目学习旨在打破学科领域界限，培养学生的科技理工素养，提升国家创新力与竞争力。

        化学深度学习是指学生围绕一个有意义的主题，通过联想与激活、活动与体验、内化与变式、迁移与应用、反思与评价等掌握化学核心知识、理解学习过程，把握化学学科的本质与思想方法，形成正确的人生态度与价值观［2］。其核心要素是情景、合作、内化、反思及意义建构。1976年，美国学者Ference Marton和Roger Saljo最早提出深度学习，后研究者持续关注与研究并运用到各学科教学实践中，深度学习是信息时代与知识经济时代的要求，促进学生深度加工知识信息、解决真实复杂问题、形成高阶思维能力。

        笔者认为，STEM项目学习设计研究，注重知识与实践相结合，加强学科知识的整合，发展学生的综合素养，是促进学生深度学习的重要途径和方法。

        二、促进化学深度学习的STEM项目设计的构想

        基于促进学生深度学习的目的，实施STEM项目设计，根据深度学习的特征和基本理解，结合国内外一些学者的观点，深度学习的特征有：联想与结构、活动与体验、本质与变式、迁移与应用、价值与评价，深度学习的过程：事实意义化成信息，信息结构化成知识，知识精致化成智慧［3］。带着这样的理念进行项目设计，目的是在设计中发展学生的能力，强化学科之间的融合，具体可从知识线与能力线两个方面展开思考思路。见图1：

促进化学深度学习的STEM项目设计

图1　促进深度学习的STEM项目学习设计思路

        由上图可知，STEM项目学习是以学科知识为载体，进行项目学习设计，融能力发展与知识掌握为一体，切实探索有效教与学的方式，促进学生科学素养的形成。在进行项目设计时，从四个方面进行：理论理解、特征分析、教学实践与整体设计；围绕能力因素设计时充分考虑学生能力的发展，也从四个方面进行：学科能力分析、学科能力表现、学科能力融合、发展学科能力。

      （1）STEM项目学习设计：形成对STEM项目学习的理论理解，是融合学习，强调学科之间的交叉融合，目标是培养综合素养与能力；在理解基础上，对于STEM项目学习特征形成基本认识：问题驱动、情景与合作、跨学科整合；通过教学实践，形成项目学习设计的一般模式，并且在实践中不断反思，不断完善。

    （2）深度学习学科能力：深度学习学科能力是针对浅层学习而提出的，属于高阶思维能力，一般指分析、评价、创造与反思等能力；在具体教学过程中通过活动与体验，不同程度地体现和培养这些能力，为了促进这些能力的形成，渗透学科之间的融合，利用技术、工程、数学等手段培养与深化分析、评价、创造与反思等能力，促进问题的解决，进一步发展学科能力，有利于学生的终身发展，核心素养的形成。

        在进行STEM项目学习设计时是通过教学实践形成有一定教学思想和模式的整体设计的框架和模式，基于深度学习的特征及STEM教育的特点，提出“以问题为引领，注重学生活动体验”确定STEM项目学习设计的模式：“确定项目，情境引导”、“体验探究，获得新知”、“内化迁移，实践应用”、“整合拓展，角色体验”四个阶段与环节，如图2所示：

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图2　促进化学深度学习的STEM项目学习环节与流程

        对于每一个教学环节，确定不同的任务及培养的素养。

      （1）“确定项目，情境引导”阶段：围绕STEM项目学习，关联认知，激活思维。此阶段通过问题驱动，设置有意义的生活社会情景，激发学生认知的内驱力，培养学生一定的科学素养和技术素养，理解科学、技术、社会的关系。

        （2）“体验探究，获得新知”阶段：此阶段以科学探究与学生体验为载体，运用技术手段，通过教者设置问题，学生感知问题、分析问题、解决问题获得新知，通过小组讨论，活动内化，技术操作，培养学生对于技术的选择、操作、分析与解释、验证等能力的培养，指导正确运用技术手段，培养学生技术素养、信息素养与数学素养等。

      （3）“内化迁移，实践应用”阶段：此阶段实为知识的运用阶段，围绕STEM项目学习展开实践活动，通过任务布置与问题设置，给定学生的角色，运用技术手段，以实验技能为基础，强化对所学知识的迁移运用，培养学生的技术素养与工程素养。

      （4）“整合拓展，角色体验”阶段：此阶段为工程体验阶段，此过程强调STEM项目学习中工程素养，整合所学的知识，从全局思维进行设计，综合运用科学、技术、工程与数学等知识，让学生感受在设计时充分考虑工程成本、质量、环境、安全及团队合作等因素，实现知识的价值化设计。

        四、促进化学深度学习的STEM项目设计的教学实践

        1.确定项目，情境导入

      ［视频情境］播放水的循环及水在工农业的应用的视频。

        ［提出问题］（1）水有哪些基本的物理性质？

        （2）你能列举出水在生活和生产中的一些具体用途吗？

        （3）无色透明的自来水是纯净物还是混合物？列举事实或通过实验证明你的观点。

        ［学生］回答略。

        ［教师］从刚才的回答中可以看出同学对水有一定的认识，但同学们有没有想过，怎样用实验的方法确定水的组成？你有哪些思路？

        ［学生］可以联系某一具体的化学反应（有水参与或有水生成），从反应物的元素组成推知生成物的组成或从生成物的元素组成推知反应物的组成。

        ［教师］对，此种推理方法在数学中应用得较为广泛，下面我们就利用这种推理的思路进行实验探究确定水的组成。

        设计意图：本环节通过视频情境，回顾了水的相关知识，从学生已有的认知出发，结合问题设置与问题解决，进行了认知的关联，通过教师再次发问，引发学生新的思考，确定本课题所要研究的项目，在确定思路时，运用数学思路进行研究，将学科在引入环节就进行了融合，本环节设置的目的是通过生活中情境引入，通过联想与关联，强化学科的有机渗透，起到了启发、促思与领悟的良好作用。

        2.体验探究，获得新知

        环节一：电解水实验

      ［仪器展示］水电解器装置

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图3　水电解器

        ［提出问题］

      （1）如何操作使得左右两管内装满水？

      （2）纯水不导电，在电解时如何保证水能导电，保证电解的顺利进行？怎么操作？

        ［学生活动］小组讨论，教师指导，形成解决问题的思路，装满水的操作要领：首先要将左右两管的活塞打开，然后在中间漏斗中注入水，当水浸没过两边活塞开关时，将活塞关闭；保证水的导电性的操作：在水中加入少量的稀硫酸或氢氧化钠，加入的目的是增强水的导电性。

        ［学生活动］小组实践，体验探究过程。

        设计意图：此问题的设置实际上属于技术问题。在学生相关基本化学操作的认知的基础上，学生会有一定的思路与想法，通过体验，会获得正确的操作方法，通过技术手段实现了操作的成功，强调了在实验探究过程中的技术知识的学习及常见化学仪器的正确使用。同时也证明了科学知识是技术的基础，技术对科学知识具有一定的指导作用。此环节培养学生分析、反思、迁移、评价等综合思维能力，有效地促进学生深度学习。

        环节二：定性确定水的组成

      ［问题设置］接上电源一段时间，可以观察到两管中产生了气泡，如何检验气体成分？

        ［学生］分别用燃烧的木条检验，可发现与电源正极相连的管内的气体使得燃着的木条燃烧更旺，而与电源负极相连的管内的气体本身能燃烧，有火焰，仔细观察还有很小的“爆鸣”声。结合所学的知识，可以推知，是氧气和氢气。

      ［教师］肯定学生的回答。引导学生写出反应的文字表达式。

        ［学生］书写水电解的反应文字表达式。

        ［教师］提出问题：如何根据生成物确定水的组成元素？

        ［学生］小组讨论，在教师引导下形成思路：在某一化学反应中，反应物与生成物的组成元素的种类相等，据此可确定水的组成元素。

        设计意图：本环节通过科学探究方式习得了相关知识，科学探究的核心要素：问题、证据、解释与检验，而解释又是关键，其中包含着推理过程，整个环节中，基于问题开展深度学习，通过合作与探究，对物质进行检验，不断地收集证据，强化结论的说服力，在这个环节还应用了推理帮助完成结论的得出，主要运用了“组成元素的种类在反应前后相等”，定性研究贯穿定量的思想，整个过程环环相扣，富有逻辑性。

        环节三：定量确定水的组成

      ［教师］提出问题：从实验现象可知，V（H2）∶V（O2）＝2∶1，若提供氢气的密度为0.0899g/L，氧气的密度为1.429g/L，试确定水的化学式。

        ［学生活动］小组讨论，确定方案，形成思路：确定水的化学式关键是确定组成水的氢元素与氧元素的两种原子个数比，推知要确定两种原子个数比，就是要确定氢元素与氧元素的质量之比，再由元素质量守恒的思想可推知，氢元素与氧元素的质量之比即等于氢气与氧气的质量之比，而两种气体的质量之比可转化为气体的体积与密度乘积之比。

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图4　确定水的化学式的思路图

        ［学生活动］在教师的指导下学生进行定量计算。

        设计意图：这个环节很明显涉及定量计算问题，可培养学生的数学素养，在STEM教育理念中，数学素养指学生在发现、表达、解释和解决多种情境下的数学问题时进行分析、推断和有效交流思想的能力。在这个环节教者通过设置有效问题，培养学生推理能力和运算能力，同时运用了守恒思维方式，在整个过程中，学生通过合作学习，分析、迁移所学知识，对知识进行整合，使促进学生的深度学习的核心能力得到了发展。

        3.内化迁移，实践应用

      ［教师］设置问题：假如你想利用水电解得出水的组成的结论，利用生活中物品或实验室的器材，如何改进或创新实验？

        ［学生活动］小组讨论，进行实验设计，形成思路，搭装置。

        ［交流成果］小组展示成果，如图5所示。

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图5　电解实验的改进装置

        ［评价］创新点：图5左图装置利用了生活中常用的物品，体现了“变废为宝”、“综合利用”的理念，凸显了“实用”、“巧组”等特点；图5右图装置精巧，实验用品生活化，微型化，学生易于操作，特别适合于学生个体的操作，且实验现象非常明显，在实践过程中，可观察到两极产生气泡速率、体积对比明显［4］。不足：两套装置都无法实现定量读数的功能，故只能粗略地进行比较研究。

        设计意图：此教学环节是体现STEM教育理念的，同时又是直指深度学习的教学设计。利用学生内化所学知识，合理迁移，发挥其在实践活动中的主体性，积极思维，寻找实验器材的替代品，解决实验中的一些技术问题，查找问题故障，力求简洁和实用，同时，在实践的活动中，通过个体思维与集体智慧的结合，求异与创新，学会在搭建的过程中不断反思，改进和完善，使得改进更实用，创新更简洁，有效地将学生引向学习的纵深处。

        4.整合拓展，角色扮演

      ［问题］有人认为水将在解决能源危机的过程中发挥重要作用。假如你是一名工程师，你如何看待这一观点？在解决问题的过程中需要综合考虑哪些因素？

        ［问题解决］小组讨论，形成综合考虑的因素。

        科学问题（S）：此过程涉及STEM项目学习中科学问题，此过程中存在着物质转化问题与能量转化问题，此过程应为化学变化过程，说明在一定的条件下，水可转化为氢气，且形成认识：水转化为氢气与氧气需要能量，在转化过程中，反应物与生成物的组成元素的种类不变。

        技术问题（T）：水转化为氢气是在一定的装置中进行，对于技术问题考虑一些因素，如：如何保证气体安全排放？电解时两端的电极如何选择？如何提高氢气放出的速率？如何收集产生的气体？在水转化为氢气时能否运用太阳能使水分解？怎样运用太阳能达到目的？

        工程问题（E）：培养工程素养，角色扮演，整体设计。充分考虑安全意识、成本意识、环境意识以及团队合作意识等等。具体表现为：分析反应原理的方案（反应物、生成物及反应条件），装置优化方案、反应的能量来源、是否使用催化剂，产物的污染等问题，电极材料的选择、成本核算、推广的价值等等。

        数学问题（M）：作为重要辅助手段，主要是定量分析通过消耗电能电解水制得氢气的成本核算，所得一定量的氢气所消耗的电能与制得的氢气完全燃烧所放出的热量进行比较，若途径不合算，通过定量分析，是否有更经济的方法或途径实现这一过程。

        参考文献略。

        本文来源：《化学教与学》 2018年第7期 P2-5页