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标题 基于美国K—12阶段STEM理念的教学设计
范文 肖敏++吴晓红






摘要：在美国兴起的STEM课程明确要求在科学教育中整合技术、工程和数学教育，如今STEM教育已成为国际上颇具影响力的教育思想之一。以鲁科版《化学与技术》教材中“‘设计一座硫酸厂”为例，从原料的选择、厂址的选择、资源的综合利用、反应条件的分析等几个方面，探讨了如何在中学化学教学中融合STEM教育思想并进行了相应的教学设计，促使学生打破学科界限，学会综合运用多种学科知识，提升其探究和解决实际问题的能力。
关键词：STEM教育；中学化学教学；学科融合；教学设计
文章编号：1005-6629（2016）2-0044-05
中图分类号：G633.8
文献标识码：B
1 中学化学教学中融合STEM理念的思考
STEM代表科学（Science），技术（Technology），工程（Engineering），数学（Mathematics）。STEM教育就是科学、技术、工程、数学的教育。在国家实力的比较中，获得STEM学位的人数成为一个重要的指标。它的本质是在众多孤立的学科中建立_个新的桥梁来为学生提供整体认识世界的机会，通过使这四种学科整合到一种教学范例中，把学生学习的零碎知识变成一个互相联系统一整体的过程，这样就消除了这四门学科中传统的学习障碍，是一种跨学科的的学习方法。
1986年美国首次在《尼尔日报》提出大学要加强STEM教育，历经多年已日趋成熟。从2007年美国政府开始重视并探索基础阶段的STEM教育。在STEM教育提出之初，人们就意识到STEM教育不仅对国家未来的创新能力和竞争力有决定性的影响，而且是社会进步的必要基础，公民的科学素养直接关系着21世纪的社会文化、价值取向和民主政治的实现。
《普通高中课程改革方案》的颁布，预示着我国普通高中教育课程体系的价值转型。随着国内外新的教育理念的不断兴起，我国课改的继续深化，教育工作者逐渐意识到在教学过程中将科学概念和探究技能融合在一个有意义的任务中，打破各学科界限，综合运用多学科知识，提升学生探究和解决实际问题能力的重要性。化学学科作为一门科学课程，不只是单纯地传授给学生一些化学理论知识，培养未来的科学家工程师，而应该是让大多数将来很可能不从事化学研究的普通学生通过化学课程的学习，对化学产生兴趣，提高科学素养，并对他们今后的生存发展有所帮助。
随着新课程改革的不断推进，课程标准的修改以及选修模块的开发，更加关注社会现实生活，结合学生熟悉的生活情景和已有的实际经验提炼学习素材，从丰富生动的现实生活中寻找学习主题，强调加强学科之间的融合，要求学生了解化学与生活和社会发展的重要关系。STEM教育理念的兴起为我国教育工作者提供了一条崭新的思路。
2 教学流程
鲁科版普通高中课程标准实验教科书化学选修《化学与技术》主题三中的课题1“‘设计一座硫酸厂”，该课题以“设计”硫酸厂的任务为主线，以制备硫酸的化学发展史料引出课题，引导学生从熟悉的实验室出发，走进工厂的生产实际中。“设计”任务从类比实验室制硫酸的仪器与药品出发，观看工业生产硫酸的资料与视频，引导学生根据硫酸厂的特点和硫酸的生产实际情况，突出硫酸厂设计中的三个重要问题：一是生产原料的选择，并确定生产方法和工艺流程，这是化工厂设计中的核心问题；二是选择厂址；三是综合利用资源。通过这三个各具特点又相互关联的问题，利用化学变化对原料进行加工的必要性、可能性和合理性，认识基本化工生产中的一些问题，力求反映出硫酸生产中重要的化学知识和技术问题以及从社会效益、经济效益和创新空间等多种角度认识化学、技术与社会三个方面相互作用的特点。具体教学活动如图1所示。
2.1 利用电子白板技术，调动学生学习积极『生
[引入]播放有关硫酸制备发展的化学历史视频。
[提问]看了这段视频，再结合我们在必修1中学过的有关硫的转化的知识，回想-下我们实验室制备二氧化硫选择的是哪些药品？那实验室制硫酸涉及的主要反应有哪些，并写出相关的化学反应方程式。小组之间可以进行交流，看哪组想得又快又全面。
[学生]药品有亚硫酸钠和浓硫酸，可以制得二氧化硫。
[教师]写得非常好，看来大家对硫的转化这一部分知识掌握得很好。请大家以小组为单位，讨论一下实验室制备硫酸的实验装置，并在练习本上试着画一下草图，我们请一个小组上来利用电子白板装配一下实验装置。
设计意图：利用计算机播放硫酸制备发展的化学历史，激发学生学习兴趣，引出实际工程问题，明确学习任务。学生不仅要认真观看视频，还要对必修1中涉及到的“硫的转化”的相关知识非常熟悉，培养了学生从大量相关信息中搜集并提炼出对自己有用信息的能力和知识迁移的能力。引领学生关注课本并搜集课本中基本信息和拓展信息，让学生知晓阅读和查看文献或文本以及视频资料是获取信息的主要途径之一，对培养学生如何获取信息、进一步提升信息素养有着重要的开启性作用。
[教师]我们每一个小组都派了代表展示了你们自己的作品，而且大家对每幅作品都做了分析与评价，明白了自己小组设计的实验装置图的优缺点，非常好，希望大家在以后的学习过程中都能养成这种多交流多讨论的好习惯。
设计意图：利用电子白板调动学生的学习热情，给学生上台展示自己的机会，培养了学生运用现代科学信息技术动手操作的能力和自信心，强化了同学之间的合作意识。
2.2 分析表格数据，运用数学思维确定反应条件
[投影]我国主要硫资源及应用的资料，播放实验室制硫酸的视频。
[教师]看了刚才投影的资料以及视频，并结合课本第42页图3-1-2，第44页表3-1-1和表3-1-2，完成下面的填空作业。
设计意图：学生要分析SO2的催化氧化化学反应的适宜条件，需要利用数学思维综合分析热化学方程式、平衡转化率图表以及教师播放的视频、展示的资料等，进行交流讨论，完成该学案。这一过程学生不但复习巩固了化学平衡的理论知识，而且体会到工业生产中是以理论为基础再结合实际来选择反应的适宜条件的，实际生产过程中需要控制温度，结合反应放热的实际情况，将热能进行合理交换。学生在完成SO3的吸收时，回忆视频中吸收瓶内会形成大量酸雾的实验现象，可见用水吸收SO3虽然在理论上成立，但效果并不理想，学生会再次体会到实验原理与实际生产过程之间的差距，明确理论联系实际的必要性，但也不能生搬硬套，需要寻求可行的解决方法。培养了学生的数学思维能力、分析能力和知识迁移能力。
[提问]选择原料路线时，应考虑哪些因素？请以小组为单位进行讨论。
[学生]要考虑原料资源的分布情况，以及利用原料的合理性，开采原料周围的环境，因为原料的选择会影响到生产硫酸的设备、技术方案、厂址的选择、环境保护以及后续的储存、运输、经济效益等问题。
[教师]这位同学回答得非常好，看来很认真地看了刚才投影的资料。
[投影]若从下列四个城市中选择一处新建一座硫酸厂，你认为厂址适合选在哪里？
A.有较丰富的硫铁矿资源，交通运输便利，但文物古迹较多，土地价格较高
B.硫铁矿资源贫乏，水源、能源充足，交通运输便利
C.有大型炼铜厂，但周围兴建了较多的商业中心，人口较稠密
D.黄铜矿资源丰富，水源能源充足，交通运输便利，远离居民区的工业园区
[学生]选D。
设计意图：学生综合我国主要硫资源及应用的资料以及与同伴交流的结果，分析在选择原料路线时涉及的众多因素，并对选择题做出正确的判断，有助于学生正确认识技术与社会的关系，理解化学知识在改进技术，促进社会发展方面的重要作用。同时，将对科学技术的理解与整个人类、环境和文化系统的复杂性结合起来，并以此为根据对未来做出决策，有利于理念的渗透，有效促进学生科学素养的提高。
2.3 角色扮演，体验别样的化学课堂
[教师]很好，结合这道题的选项，和你对硫酸的物理性质、化学性质的了解，我们一起玩一个角色扮演的游戏，开一个拟建硫酸厂交流研讨会。大家看—下PPT的角色分配，班长以及各班委迅速给大家分配一下角色。
[投影]新建项目负责人.名（主持人）；环保局局长一名；硫酸厂设计工程师一名，ABCD四地主管部门代表一名；地质工程师一名；原料科科长一名及科员若干名；规划科科长一名及科员若干名；技术科科长一名及科员若干名；市场调查科科长一名及科员若干名；ABCD四地当地的居民代表若干名。
设计意图：要选择合理的厂址，学生不仅需要对制得的硫酸的物理性质、化学性质有充分了解，而且还要根据所学的地理知识、涉及到的环境问题以及经济效益等因素，综合分析厂址选择的合理性。学以致用，将课堂知识与实际生产相联系，培养了学生解决工程实际问题的能力。角色扮演能够激发学生的学习热情，培养学生语言表达能力，增强了学生的自信心。
[提问]联系我们平时在实验室做实验的情况，尤其是在制取一些对环境有污染的有毒物质时，我们实验装置的最后一项，也是必不可少的一项是什么？
[学生]尾气的回收与处理。
[教师]很好，看来大家在平时做实验的过程中都非常认真，仔细观察并分析了我们的实验装置。那根据上课时我们设计的制取二氧化硫的实验装置图，完成填空作业的第三部分。
设计意图：对于“三废”的处理，学生并不陌生，教师应引导学生运用已有知识分析尾气脱硫的主要方法，以及废水的处理、废渣的回收利用，学生不仅回顾了所学的知识，并且体会到化学方程式在我们的实际生产生活中有着极其重要的作用。同时培养了学生“变废为宝”的思想，学生体会化学并不是“潘多拉”的盒子，只要我们合理设计生产过程，其所产生的物质对于我们来说都是有用的。在这一过程中，学生认识到化工生产并不是单纯的化学问题，需要综合各个学科的知识，在进行实际生产过程中不仅要考虑经济效益，更要关注环境的保护，资源的合理利用，渗透了“绿色化学”的思想，符合新课标的要求。
2.4 总结归纳，培养理论联系实际的好习惯
[教师]硫酸在工农业方面都有着重要的作用，可用于制造肥料、药物、炸药、颜料、洗涤剂、蓄电池、改良土壤等，也广泛应用于冶金及石油工业、巩固国防、原子能工业及火箭技术等方面。同时也是日常家居的好帮手。世界各地大多数酸性化学通渠用品均含有浓硫酸。这一类的通渠用品就和碱性的通渠用品一样，可以溶解淤塞在渠道里的油污及食物残渣等。不过，由于浓硫酸会与水发生高放热反应，故建议在使用前尽量保持渠道干爽，并慢慢倒入有关化学用品，另需佩戴手套。
通过这节课的学习，我们知道了工业生产来源于实验室，但又高于实验室。在实际的工程问题中，因为是大批量生产，我们需要考虑的更多。所以需要同学们很好地掌握相关的技术、工程、数学等各个方面的问题，学会知识的迁移及灵活运用。
3 结语
该课题“设计”任务以科学为线索，以一个实际的工程问题引出课题，涉及“硫的转化”以及相关热力学、动力学等化学学科知识，同时在进行原料、厂址的选择时，也包含了地理科学、经济学等相关学科的知识。在类比实验室制取硫酸的方法时，有效地将所学的理论知识迁移到工程技术问题中，并且需要根据教材所提供的二氧化硫平衡转化率图表数据以及教师播放的视频、展示的资料等，思考分析反应的最佳条件。这一过程需要学生运用数学思维，综合分析数据资料，才能确定工业制硫酸中化学反应的最佳条件。教师在整个教学活动中充分发挥了计算机技术和电子白板技术，激发了学生学习化学的兴趣，调动了学生学习化学的热情，让学生有机会上台展示自己的设计成果，学生树立了学习化学的自信心，同时也培养了学生解决实际问题的能力，增强了学生的语言表达能力、组织能力，强化了学生之间的合作意识。
现代科学和技术有了相当发展之后，科学开始把技术作为研究对象，技术则注重从科学中寻找指导，它们之间互相渗透、互相促进、互相依赖、协同发展，关系更加密切，以至于科学技术化，技术科学化，科学技术一体化的趋势日益突出。不难看出在整个教学活动中，科学、技术、工程、数学四个领域之间并不是孤立的，而是存在着一种相互支撑、相互促进、共同发展的关系。只有在交互中，在相互碰撞中，才能实现深层次的学习、理解性学习，也才能真正培养学生各个方面的技能和知识。
如今的化学教育应该以培养人为主旨，以培养创新精神和实践能力为重点，发现问题并能应用知识和技术解决遇到的实际问题。在我们的日常生活中，当碰到实际生产生活问题时，我们首先必须考虑其所涉及的规律和科学原理，只有遵循这些规律和原理，才能真正找到问题的根源所在，才能运用技术设计出合理的解决方案，而数学作为解决实际工程问题的工具在其他三个领域中被广泛使用。随着科学技术的发展，科学、技术、工程和数学领域的联系也越来越紧密，解决其中任何一个领域的问题都会涉及到其他三个领域。因此，在化学教学中融合STEM思想是未来化学教学的发展方向，值得每位化学教育工作者认真思考和研究。
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更新时间：2025/3/22 4:13:50