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(東北師范大學(xué)附屬中學(xué))

STEM教育理念是科學(xué)、技術(shù)、工程以及數(shù)學(xué)等四個詞匯的英文首字母組合，體現(xiàn)了上述四大“元學(xué)科”對于人才培養(yǎng)的重要性與未來方向性。STEM理念最早由美國國家科學(xué)委員會于1986年提出，經(jīng)過幾十年的發(fā)展并在2013年公布的《新一代科學(xué)教育標(biāo)準(zhǔn)》(縮寫NGSS)中成為美國科學(xué)教育中的重要標(biāo)準(zhǔn)。我國學(xué)者于近些年才開始逐步學(xué)習(xí)并重視美國的STEM教育理念本地化。高中化學(xué)作為理科中交叉性非常強的一門科學(xué)，非常適合探索基于STEM理念的教學(xué)模型。探討高中化學(xué)STEM教學(xué)模型的構(gòu)建對于指導(dǎo)我國科學(xué)教育中實現(xiàn)STEM理念具有非常重要的實際參考價值。

一、STEM理念的概念

作為自然科學(xué)四門基礎(chǔ)學(xué)科英文首字母縮寫，STEM的理念與界定也是多維度的概念。主要可以從以下幾點對STEM概念進行理解與界定。

首先，STEM教育從本質(zhì)屬性上可以理解為一類課程，即包含四大所謂“元學(xué)科”的一種課程。STEM教學(xué)實踐過程中，將上述四門“元學(xué)科”以完整的知識體系展示。STEM的課程門類方面也處于持續(xù)發(fā)展過程中，例如部分學(xué)者建議增加醫(yī)學(xué)、教育學(xué)以及農(nóng)業(yè)或者藝術(shù)等，提高該課程解決實際問題的能力。

其次，STEM教育從教學(xué)形式上可以理解為一種教學(xué)策略，體現(xiàn)多學(xué)科思想的融合。通過基于現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)及學(xué)科基礎(chǔ)，增加后設(shè)學(xué)科并整合成新的教學(xué)策略。同時，將問題的發(fā)現(xiàn)、設(shè)計、解決以及探索等多種研究策略融合的教學(xué)方式。

第三，STEM教育從內(nèi)容組成上可以理解為學(xué)生培養(yǎng)的素質(zhì)內(nèi)容，即所謂的科學(xué)、技術(shù)、工程以及數(shù)學(xué)等四方面素質(zhì)。從這個角度理解，STEM素養(yǎng)的經(jīng)驗對于落實我國學(xué)生發(fā)展核心素養(yǎng)方面具有一定的經(jīng)驗參考價值。

二、高中化學(xué)STEM教學(xué)模型的必要性

化學(xué)涉及的知識非常廣泛，與生物學(xué)及物理學(xué)等具有很大的交叉。而我國當(dāng)前高中階段教學(xué)實踐中，對上述學(xué)科間劃分過于明顯。同時，化學(xué)課堂教學(xué)實踐與工業(yè)生產(chǎn)及科技進步剝離嚴(yán)重，這都將無法吸引學(xué)生足夠的學(xué)習(xí)興趣，教學(xué)效果不理想。

相比于傳統(tǒng)的化學(xué)教學(xué)，STEM理念重在如何將多學(xué)科合理結(jié)合，并在教學(xué)過程中培養(yǎng)學(xué)生多學(xué)科思維習(xí)慣，重視實際問題解決效果，非常適合交叉學(xué)科創(chuàng)新人才的培養(yǎng)。在當(dāng)前全球一體化教學(xué)中，如何在高中化學(xué)教學(xué)實踐中合理借鑒國外優(yōu)秀的教學(xué)理念設(shè)計出適合我國國情的教學(xué)模型，對于提升我國人才競爭力具有非常必要的戰(zhàn)略意義。

三、基于STEM的化學(xué)教學(xué)模型建構(gòu)

筆者結(jié)合多年高中化學(xué)教學(xué)經(jīng)驗以及對STEM教育理念的理解，提出以學(xué)生為中心的STEM教學(xué)模型。在具體的教學(xué)過程中首先由教師提出問題，學(xué)生基于STEM綜合知識對問題進行研究分析并思考解決方案，從而在實踐中獲取對應(yīng)的科學(xué)知識。在高中化學(xué)教學(xué)實踐中，教學(xué)設(shè)計應(yīng)更加注重知識的交叉性、開放性、實踐性以及動態(tài)性等特征。具體步驟如下：

(1)教師基于教學(xué)內(nèi)容構(gòu)建便于學(xué)生接受的教學(xué)情境。

在新區(qū)的建設(shè)初期，經(jīng)濟初步發(fā)展，并且自身的經(jīng)濟實力薄弱，實體經(jīng)濟的薄弱導(dǎo)致對資金的吸納能力較差，但隨著政府的規(guī)劃方案的公布，雄安新區(qū)已經(jīng)陸續(xù)有企業(yè)注冊入駐，2017年9月政府已經(jīng)批準(zhǔn)48家企業(yè)首批進入雄安，包括阿里巴巴、騰訊、百度、京東金融、360奇虎、深圳光啟、國開投、中國電信、中國人保等。

(2)教師基于教學(xué)內(nèi)容設(shè)計難度適中的具體問題。

(3)引導(dǎo)學(xué)生以小組形式，綜合利用STEM知識研究問題相關(guān)的技術(shù)問題及數(shù)據(jù)。

(4)引導(dǎo)學(xué)生基于知識網(wǎng)絡(luò)，構(gòu)建完整的知識體系。

(5)學(xué)生基于知識體系分析數(shù)據(jù)并獲取解決方案。

(6)組內(nèi)學(xué)術(shù)交流探討研究成果。

四、基于STEM的化學(xué)教學(xué)模型案例設(shè)計

筆者基于本文探討的教學(xué)模型及相應(yīng)步驟，以高中化學(xué)“原電池”章節(jié)為主題，設(shè)計基于STEM的化學(xué)教學(xué)模型如下。

教師可以從生活相關(guān)的電子產(chǎn)品展示吸引學(xué)生關(guān)注課堂，強調(diào)“原電池”與實際生活的相關(guān)性，提高學(xué)生學(xué)習(xí)熱情。例如，教師可以設(shè)計一個情景，手機沒電了且周圍沒有電力設(shè)備供電，如何設(shè)計出穩(wěn)定的充電器供電。

2.教師基于教學(xué)內(nèi)容設(shè)計難度適中的具體問題

教師應(yīng)基于“原電池”的教學(xué)內(nèi)容，從STEM課程內(nèi)容四方面向?qū)W生提出例如“如何選擇適合的電極”“如何完成閉合電路設(shè)計”“如何保持原電池電流穩(wěn)定持久”以及“如何完成化學(xué)轉(zhuǎn)換效率計算”等問題。教師需激發(fā)學(xué)生積極性，引導(dǎo)學(xué)生利用提供的實驗器材完成上述問題。

3.引導(dǎo)學(xué)生以小組形式，綜合利用STEM知識研究問題相關(guān)的技術(shù)問題及數(shù)據(jù)

基于課程前期內(nèi)容，學(xué)生具備基本的電化學(xué)知識并能設(shè)計出簡單的Zn/Cu電池。教師可以安排學(xué)生以小組形式，對電池組裝及實現(xiàn)現(xiàn)象進行仔細觀察。例如，要求學(xué)生觀察隨著時間進程電流變化，觀察鋅片表面變化等。并依據(jù)實驗現(xiàn)象，詢問學(xué)生該設(shè)備是否可以為老師手機提供穩(wěn)定且持久的供電，并解釋原因。學(xué)生小組討論后，認為電流不穩(wěn)定，也不持久，主要因為Zn與CuSO4溶液接觸后，Zn片上有Gu金屬析出，無法維持持久電源供應(yīng)。循序漸進的，教師提出難度稍大的問題，如何保證電池供電更加穩(wěn)定長久呢？教師可以要求學(xué)生借助網(wǎng)絡(luò)、書籍等多個渠道全面搜集相關(guān)的知識內(nèi)容及技術(shù)等。

4.引導(dǎo)學(xué)生基于知識網(wǎng)絡(luò)，構(gòu)建完整的知識體系

學(xué)生帶著問題對教材進行重新審視，并借助網(wǎng)絡(luò)來源的部分內(nèi)容，豐富了教學(xué)課程的理論及實踐內(nèi)容。學(xué)生通過組內(nèi)探討后，基于電化學(xué)相關(guān)知識提出利用不相互接觸的氧化劑與還原劑充當(dāng)兩個電極。教師則可以繼續(xù)對學(xué)生進行引導(dǎo)，學(xué)生按照討論及指導(dǎo)結(jié)果重新設(shè)計原電池，從而順利成章地提出了所謂“鹽橋”的概念，豐富了自身的知識體系。

5.學(xué)生基于知識體系分析數(shù)據(jù)并獲取解決方案

教師應(yīng)指導(dǎo)學(xué)生基于STEM的高中化學(xué)教學(xué)模型現(xiàn)有知識，分析問題并設(shè)計合理的解決方案。具體而言，教師引導(dǎo)學(xué)生對教材相關(guān)部分內(nèi)容進行仔細閱讀，熟悉原電池工作原理，并讓學(xué)生通過實驗驗證書本原理，并匯報相應(yīng)的實驗結(jié)果。例如，學(xué)生小組可以按教材內(nèi)容安裝雙液原電池，觀察電流變化及電極變化等。

6.組內(nèi)學(xué)術(shù)交流探討研究成果

組織學(xué)生通過小組合作，總結(jié)各自小組的解決方案，并與其他小組探討完成學(xué)術(shù)交流，這也是STEM教育理念的基本要求。通過課堂的學(xué)習(xí)，學(xué)生將問題與工程用途聯(lián)系，尋找提高實際轉(zhuǎn)化效率的方法。課堂上學(xué)生完整的思考過程、研究過程則可以讓學(xué)生加深對科學(xué)、技術(shù)、工程和數(shù)學(xué)等四大學(xué)科間內(nèi)在聯(lián)系的理解，從而更自如地綜合運用知識。

五、結(jié)語

STEM教育理念已經(jīng)從美國逐漸推廣到其他國家，已然成為當(dāng)前科學(xué)教育方面非常重要的一種思想潮流。STEM教育理念關(guān)注建立完整并聯(lián)系性強的知識體系，同時也對學(xué)生個體在具體運用知識的方式有較高要求。高中化學(xué)教育作為高中理科教育非常關(guān)鍵的一個環(huán)節(jié)，如何構(gòu)建科學(xué)的STEM的高中化學(xué)教學(xué)模型對于STEM教學(xué)理念在我國科學(xué)教學(xué)的成功有積極作用。高中化學(xué)教師也需要按照STEM理念全面提升自身知識，從而培養(yǎng)出更多優(yōu)秀的復(fù)合型人才。