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        以培養(yǎng)學(xué)生STEM素養(yǎng)為目標(biāo)的項(xiàng)目化學(xué)習(xí)設(shè)計(jì)

        2018-02-05 16:55:46吳曉紅田小蘭蔣思雪
        化學(xué)教學(xué) 2017年12期

        吳曉紅+田小蘭+蔣思雪

        摘要:項(xiàng)目化學(xué)習(xí)設(shè)計(jì)以跨學(xué)科知識為載體,以學(xué)生活動為中心,以問題情境為橋梁,在真實(shí)的實(shí)踐活動中培養(yǎng)學(xué)生的STEM素養(yǎng)。以“愛護(hù)水資源”為主題,從現(xiàn)實(shí)生活問題入手進(jìn)行STEM項(xiàng)目學(xué)習(xí)設(shè)計(jì)。給出了項(xiàng)目設(shè)計(jì)思路及實(shí)施過程,包括“選定項(xiàng)目,激活舊知”、“活動探究,展示新知”、“作品制作,應(yīng)用新知”、“融會貫通,成果交流”四個階段,涵蓋了“學(xué)習(xí)中心-水資源知識知多少”、“科學(xué)實(shí)驗(yàn)-水質(zhì)檢測”、“職業(yè)體驗(yàn)-自制簡易凈水器”、“工程體驗(yàn)-設(shè)計(jì)迷你水廠”四部分項(xiàng)目內(nèi)容。

        關(guān)鍵詞:STEM素養(yǎng);項(xiàng)目化學(xué)習(xí);STEM項(xiàng)目學(xué)習(xí);愛護(hù)水資源

        文章編號:1005–6629(2017)12–0038–06 中圖分類號:G633.8 文獻(xiàn)標(biāo)識碼:B

        STEM是科學(xué)(Science)、技術(shù)(Technology)、工程(Engineering)和數(shù)學(xué)(Mathematics)四門學(xué)科的簡稱,強(qiáng)調(diào)多學(xué)科之間的交叉融合,目標(biāo)是培養(yǎng)學(xué)生的STEM綜合素養(yǎng)。STEM素養(yǎng)是在綜合把握科學(xué)、技術(shù)、工程和數(shù)學(xué)等理工科知識的基礎(chǔ)上具有的獨(dú)立提問、設(shè)計(jì)、分析、推斷和運(yùn)算的能力,是一種獨(dú)立分析問題、解決問題的綜合素養(yǎng)[1]。STEM素養(yǎng)的培養(yǎng)方式主要以基于項(xiàng)目或基于問題解決為主。本研究將把項(xiàng)目學(xué)習(xí)作為核心,利用項(xiàng)目學(xué)習(xí)案例開發(fā),探討如何開展STEM項(xiàng)目學(xué)習(xí)設(shè)計(jì),藉此探索開展STEM素養(yǎng)培養(yǎng)的途徑和方式。

        1 STEM項(xiàng)目學(xué)習(xí)概述

        1.1 STEM項(xiàng)目學(xué)習(xí)的內(nèi)涵

        STEM項(xiàng)目學(xué)習(xí)是STEM和基于項(xiàng)目的學(xué)習(xí)模式相結(jié)合的產(chǎn)物。這種學(xué)習(xí)方式為學(xué)生提供了融入真實(shí)情境的體驗(yàn),鼓勵學(xué)生運(yùn)用科學(xué)、技術(shù)、工程和數(shù)學(xué)等領(lǐng)域的知識與技能解決現(xiàn)實(shí)世界的問題[2]?;陧?xiàng)目的學(xué)習(xí)作為一種課堂活動的模式,強(qiáng)調(diào)長期的、跨學(xué)科的、學(xué)生中心的,且與現(xiàn)實(shí)世界問題和實(shí)踐相融合的學(xué)習(xí)活動。其核心組成部分就是將分散的學(xué)科領(lǐng)域融合于具有挑戰(zhàn)性問題的項(xiàng)目活動,這些問題驅(qū)使學(xué)生去面對并力爭理解學(xué)科的核心概念和原則。STEM尤其適合于使用基于項(xiàng)目的學(xué)習(xí)模式,因?yàn)樵诳茖W(xué)、技術(shù)、工程和數(shù)學(xué)之間本來就有很自然的交接[3]。因此STEM項(xiàng)目學(xué)習(xí)可以理解為以基于項(xiàng)目的學(xué)習(xí)為框架整合STEM內(nèi)容的學(xué)習(xí)模式,是利用STEM領(lǐng)域的知識與技能解決現(xiàn)實(shí)問題的學(xué)習(xí)過程。

        STEM項(xiàng)目學(xué)習(xí)的核心要素包括以學(xué)生為中心、充足的時間、明確的結(jié)果以及跨學(xué)科[4]。其中“以學(xué)生為中心”指在整個項(xiàng)目活動中,學(xué)生以小組的形式完成項(xiàng)目活動中的各個任務(wù),而教師發(fā)揮組織、指導(dǎo)、監(jiān)督、評價作用;“充足的時間”目的是使學(xué)生有充足的時間學(xué)習(xí)一系列的知識和技能;“明確的結(jié)果”包括對需要完成的任務(wù)有明確的期望和約束限制,保證所有學(xué)生都能學(xué)習(xí)并獲得成功,但達(dá)到目標(biāo)的時間、方式可以不同;“跨學(xué)科”指學(xué)生有意識地參與并整合多個學(xué)術(shù)領(lǐng)域和多種學(xué)習(xí)方法來研究某個核心問題或項(xiàng)目。

        1.2 STEM項(xiàng)目學(xué)習(xí)操作流程

        STEM教育中的教學(xué)活動設(shè)計(jì)應(yīng)遵循梅瑞爾的首要教學(xué)原理,又稱五星教學(xué)原理,具體結(jié)構(gòu)概括為“一個中心+四個基本點(diǎn)”,即要求整個教學(xué)活動應(yīng)該以問題為中心,進(jìn)行從激活舊知、展示新知、應(yīng)用新知、融會貫通四個階段循環(huán)往復(fù)的學(xué)習(xí)[5]。常見的基于項(xiàng)目的學(xué)習(xí)操作流程包括選定項(xiàng)目、制定計(jì)劃、活動探究、作品制作、成果交流、活動評價六個階段[6]。本項(xiàng)目的活動實(shí)施過程兼顧了五星教學(xué)原理與基于項(xiàng)目的學(xué)習(xí)模式,由“選定項(xiàng)目,激活舊知”、“活動探究,展示新知”、“作品制作,應(yīng)用新知”、“融會貫通,成果交流”四個階段構(gòu)成,如圖1所示:

        (1)“選定項(xiàng)目,激活舊知”階段:STEM教育是以科學(xué)知識為核心,以跨學(xué)科知識為載體,依托技術(shù)、工程活動的跨學(xué)科教育體系,首先要對跨學(xué)科知識進(jìn)行激活。教師通過創(chuàng)設(shè)情景(播放視頻、圖片等)的方式提出、確定項(xiàng)目,并以問題引導(dǎo),啟發(fā)學(xué)生識別、回憶起有關(guān)舊知識,激發(fā)學(xué)習(xí)動機(jī)。該階段重在對科學(xué)知識的回顧檢索,為后面的技術(shù)、工程活動提供理論基礎(chǔ)。

        (2)“活動探究,展示新知”階段:此階段是教師通過操作示范,提供視頻、圖片等學(xué)習(xí)資料展示新知,呈現(xiàn)需完成的挑戰(zhàn)。學(xué)生小組交流合作,運(yùn)用所學(xué)科學(xué)、技術(shù)等知識開展測驗(yàn)與探索等活動。該階段重在對技術(shù)方法的選擇以及技術(shù)工具的操作、技術(shù)數(shù)據(jù)的采集與解釋。

        (3)“作品制作,應(yīng)用新知”階段:作品制作是STEM項(xiàng)目學(xué)習(xí)活動的重要組成部分。在該階段教師引導(dǎo)學(xué)生探索真實(shí)的項(xiàng)目活動,學(xué)生小組協(xié)作,利用跨學(xué)科知識和技能完成作品的制作,作品形式多樣,如實(shí)物模型、圖畫作品等,并根據(jù)一定的評估標(biāo)準(zhǔn)對作品進(jìn)行測驗(yàn)與評估。該階段重在對作品的方案設(shè)計(jì)、優(yōu)化以及動手制作能力的提升,將知識轉(zhuǎn)化為技能,實(shí)現(xiàn)現(xiàn)實(shí)問題的解決。

        (4)“融會貫通,成果交流”階段:STEM教育的核心是多學(xué)科融合。該階段進(jìn)一步強(qiáng)化所學(xué)知識,融會貫通。教師組織學(xué)生利用跨學(xué)科知識與技能綜合考慮問題,實(shí)現(xiàn)知識的遷移和進(jìn)一步內(nèi)化。該階段側(cè)重借助數(shù)學(xué)思維解決科學(xué)、技術(shù)、工程領(lǐng)域的某些問題,達(dá)到對各學(xué)科知識與技能進(jìn)行整合與應(yīng)用,實(shí)現(xiàn)對現(xiàn)實(shí)問題的解決。

        以上四個階段以跨學(xué)科知識與技能為載體,以學(xué)生活動為中心,在充足的時間里學(xué)習(xí)一整套前后關(guān)系緊密的STEM知識與技能,最終實(shí)現(xiàn)對現(xiàn)實(shí)問題的解決。

        2 案例設(shè)計(jì)思路及實(shí)施過程

        本項(xiàng)目選取高中化學(xué)選修1《化學(xué)與生活》(人教版)中“愛護(hù)水資源”這一節(jié)內(nèi)容。水是一種寶貴的自然資源,與我們的生活息息相關(guān)。隨著工業(yè)文明的誕生,人口急劇增長,生態(tài)平衡遭到破壞,淡水資源日趨緊張。中學(xué)生作為未來世界的主人,“愛護(hù)水資源”正是大家關(guān)心的實(shí)際問題。此外,該項(xiàng)目不僅蘊(yùn)含著豐富的化學(xué)知識及其他學(xué)科相關(guān)知識,還為學(xué)生提供豐富而有趣的實(shí)踐活動,動腦學(xué)知識的同時也能動手學(xué)技能,解決書本問題的同時也能解決現(xiàn)實(shí)問題。endprint

        本項(xiàng)目的實(shí)施過程由本文提出的STEM項(xiàng)目學(xué)習(xí)模式的四個階段構(gòu)成,每個階段的項(xiàng)目內(nèi)容借鑒了上海STEM研究中心“共用一江水”活動。具體設(shè)計(jì)思路如圖2所示。

        2.1 選定項(xiàng)目,激活舊知:學(xué)習(xí)中心-水資源知識知多少

        [問題情境]聯(lián)合國大會將每年的3月22日確定為“世界水日”,意在喚起人們加強(qiáng)水資源保護(hù),緩解水資源短缺的問題。我們該為水資源的保護(hù)做些什么呢?今天我們以“愛護(hù)水資源”為主題進(jìn)行項(xiàng)目學(xué)習(xí)活動。

        [教師]播放視頻“愛護(hù)水資源-藍(lán)星上的生命之源”,視頻中涉及與水資源相關(guān)的一些化學(xué)、地理、社會、環(huán)境等知識,初步激起學(xué)生對舊知識的回憶,緊接著教師拋出一系列與水資源相關(guān)的問題(見表1)。

        [學(xué)生]以小組為單位,通過查閱書本資料、網(wǎng)上檢索等,深入了解與水資源相關(guān)的一系列知識。

        [設(shè)計(jì)意圖]由現(xiàn)實(shí)生活問題“愛護(hù)水資源”確定項(xiàng)目主題,播放視頻激發(fā)學(xué)生興趣,通過環(huán)環(huán)相扣的問題引導(dǎo)學(xué)生學(xué)習(xí)STEM項(xiàng)目中的科學(xué)知識,同時燃起學(xué)生愛護(hù)水資源的社會責(zé)任感,正確理解科學(xué)、技術(shù)與社會的關(guān)系。

        2.2 活動探究,展示新知:科學(xué)實(shí)驗(yàn)-水質(zhì)檢測

        [教師]水資源面臨著嚴(yán)峻的考驗(yàn),建立完善的水處理系統(tǒng)是非常有必要的。我們身邊的水體質(zhì)量如何呢?

        [學(xué)生]用水質(zhì)檢測器對水質(zhì)進(jìn)行檢測。

        [教師]布置任務(wù):對學(xué)校周邊河流的水質(zhì)進(jìn)行檢測,并提醒學(xué)生在取水樣時應(yīng)注意安全。

        [學(xué)生活動]水質(zhì)檢測,實(shí)施過程見表2。

        [設(shè)計(jì)意圖]以手持技術(shù)為支撐的實(shí)驗(yàn)探究,強(qiáng)調(diào)在實(shí)驗(yàn)探究過程中注重技術(shù)知識的學(xué)習(xí)以及技術(shù)工具的使用;啟發(fā)學(xué)生學(xué)會利用數(shù)據(jù)、圖像等分析并解釋科學(xué)問題;對身邊的水質(zhì)進(jìn)行檢測活動,將學(xué)生置身于真實(shí)生活實(shí)踐,通過小組合作,體驗(yàn)科學(xué)、技術(shù)知識在現(xiàn)實(shí)生活的運(yùn)用。

        2.3 作品制作,應(yīng)用新知:職業(yè)體驗(yàn)-自制簡易凈水器

        [教師]展示水質(zhì)較差的河水,提出問題:如何將水質(zhì)較差的河水變得干凈呢?引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行猜想。

        [學(xué)生]加明礬、過濾。

        [教師]布置任務(wù):假如你是一名水質(zhì)工程師,如何利用現(xiàn)有材料制作簡易凈水器?并提出要求:所制作的簡易凈水器要有明顯的過濾效果。

        [學(xué)生活動]自制簡易凈水器,實(shí)施過程見表3。

        [設(shè)計(jì)意圖]賦予學(xué)生水質(zhì)工程師角色,將學(xué)生置身于未來職業(yè)選擇的視野之中,這也是STEM教育的目標(biāo)之一;學(xué)生以化學(xué)實(shí)驗(yàn)技能為基礎(chǔ),親自制作簡易凈水器,增強(qiáng)學(xué)生動手能力;將科學(xué)知識運(yùn)用實(shí)踐,訓(xùn)練學(xué)生解決實(shí)際問題的能力。

        2.4 融會貫通,成果交流:工程體驗(yàn)-設(shè)計(jì)迷你水廠

        [教師]同學(xué)們可以通過自制簡易凈水器獲取少量潔凈的水供自己使用,有沒有想過要為更多的人送去潔凈的水呢?中學(xué)生都有為社會作貢獻(xiàn)的愿望與雄心,回答都是肯定的。

        [教師]布置任務(wù):假如你是一名自來水廠的設(shè)計(jì)師,你準(zhǔn)備如何設(shè)計(jì)一個城市自來水處理廠及水處理工藝流程,為千家萬戶送去健康、潔凈的水呢?

        [學(xué)生活動]設(shè)計(jì)迷你水廠,實(shí)施過程見表5。

        [教師]總結(jié)評估各小組方案的合理性,提出建議并指導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行優(yōu)化。

        [設(shè)計(jì)意圖]強(qiáng)調(diào)STEM項(xiàng)目中的工程素養(yǎng),引導(dǎo)學(xué)生站在全局觀念的角度,識別工程領(lǐng)域的問題與制約因素,綜合運(yùn)用科學(xué)、技術(shù)、數(shù)學(xué)等學(xué)科知識,體驗(yàn)以工程思想為指導(dǎo)解決實(shí)際問題的過程。

        整個項(xiàng)目實(shí)施結(jié)束后,進(jìn)行成果展示與評估。教師組織學(xué)生以PPT的方式,結(jié)合數(shù)據(jù)、圖像、拍攝照片等對整個項(xiàng)目過程中所取得的成果進(jìn)行匯報(bào)。匯報(bào)的內(nèi)容包括“與水資源相關(guān)的跨學(xué)科知識掌握情況”、“三種不同水樣的水質(zhì)情況分析”、“自制簡易凈水器的凈水效果”、“迷你水廠設(shè)計(jì)的合理性分析”等。匯報(bào)結(jié)束后,教師要求學(xué)生以自評、互評的方式進(jìn)行評價,評價內(nèi)容可從“團(tuán)結(jié)協(xié)作”、“動手實(shí)踐”、“問題解決”、“跨學(xué)科知識掌握情況”等方面考慮。最后教師總結(jié)各小組在項(xiàng)目活動過程中的表現(xiàn),肯定學(xué)生的項(xiàng)目成果,同時對出現(xiàn)的相關(guān)問題進(jìn)行修正和補(bǔ)充,回歸主題“愛護(hù)水資源”,鼓勵學(xué)生從身邊的小事做起,養(yǎng)成良好的用水習(xí)慣,為保護(hù)水資源獻(xiàn)出自己的一份力量,培養(yǎng)學(xué)生社會、人文情懷。

        3 案例所涉及的跨學(xué)科知識及STEM素養(yǎng)說明

        本項(xiàng)目知識融合性強(qiáng),實(shí)用性廣,切實(shí)培養(yǎng)了中學(xué)生的STEM綜合素養(yǎng),涉及的跨學(xué)科知識及STEM素養(yǎng)體現(xiàn)如圖3。

        通過該項(xiàng)目的實(shí)施,學(xué)生掌握了污水的主要成分、引起水體污染的原因以及鋁鹽的凈水原理等科學(xué)知識;正確理解科學(xué)與技術(shù)、社會的關(guān)系。其中化學(xué)知識涉及到鋁離子的水解反應(yīng),次氯酸的性質(zhì)及用途等;地理知識涉及水的時間與空間分布、城市水處理廠建設(shè)規(guī)劃等;此外還涉及環(huán)境學(xué)、生態(tài)學(xué)等科學(xué)知識。

        學(xué)生在項(xiàng)目體驗(yàn)過程中學(xué)習(xí)如何操作技術(shù)工具,了解技術(shù)工具的操作、保管、維護(hù)等;會使用特定的技術(shù)方法解決科學(xué)、工程等現(xiàn)實(shí)問題并適當(dāng)對技術(shù)進(jìn)行價值判斷,培養(yǎng)學(xué)生技術(shù)素養(yǎng)。技術(shù)手段多樣,如在自制凈水的過程中會用到過濾、沉淀等化學(xué)實(shí)驗(yàn)操作技術(shù);在檢測水質(zhì)過程中用到數(shù)字化傳感器技術(shù),以及檢索資料、整理資料、數(shù)字化等信息技術(shù)。endprint

        通過工程項(xiàng)目的設(shè)計(jì),學(xué)生體會工程領(lǐng)域中的全局意識、成本意識、質(zhì)量意識、環(huán)境意識、創(chuàng)新意識、團(tuán)隊(duì)合作意識等,初步培養(yǎng)學(xué)生工程素養(yǎng)。其中工程領(lǐng)域知識既包含了水質(zhì)檢測方案的設(shè)計(jì)、凈水系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、方案的優(yōu)化等以及自來水處理廠圖紙繪畫、選擇材料、成本估算等。

        數(shù)學(xué)作為科學(xué)輔助手段,亦發(fā)揮著不可替代的作用。在STEM項(xiàng)目中,學(xué)生掌握一定的數(shù)學(xué)基本原理、計(jì)算方法,了解相關(guān)測量方法與測量工具,能夠?qū)ο嚓P(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行解釋,培養(yǎng)了學(xué)生的數(shù)學(xué)素養(yǎng)。數(shù)學(xué)知識包括常見的數(shù)學(xué)計(jì)算、測量知識,如在自來水廠設(shè)計(jì)過程中對水廠筑地面積的計(jì)算與規(guī)劃,設(shè)備材料運(yùn)行費(fèi)用等的計(jì)算;此外還用到數(shù)據(jù)、圖像的分析與解釋方面的知識,如在檢測水質(zhì)過程中,對傳感器檢測到的主要成分含量的對比分析與解釋。

        4 結(jié)語

        以“愛護(hù)水資源”為主題的STEM項(xiàng)目化學(xué)習(xí),融合了化學(xué)、地理、生態(tài)學(xué)、環(huán)境學(xué)等學(xué)科知識,運(yùn)用多媒體技術(shù)、手持技術(shù)、實(shí)驗(yàn)操作技術(shù)等相關(guān)技術(shù)手段,輔以數(shù)學(xué)思想中的計(jì)算、圖像分析,綜合考慮工程領(lǐng)域的全局意識、成本意識等解決現(xiàn)實(shí)問題。在項(xiàng)目實(shí)施的四個階段,按照學(xué)生認(rèn)知水平層次由低到高布置任務(wù),在層層遞進(jìn)的實(shí)踐活動中培養(yǎng)學(xué)生的STEM綜合素養(yǎng)。STEM項(xiàng)目化學(xué)習(xí)注重知識與實(shí)踐相結(jié)合,教師應(yīng)合理選擇教學(xué)內(nèi)容,善于挖掘?qū)W科間交叉融合的部分,塑造真實(shí)的生活情景,開發(fā)與整合更多基于STEM的項(xiàng)目活動,為學(xué)生創(chuàng)造解決現(xiàn)實(shí)問題的機(jī)會,培養(yǎng)學(xué)生未來職業(yè)和終身學(xué)習(xí)所需要的能力和素養(yǎng)。

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