趙 揚

一、研究背景

STEM教育在實踐過程中，學生能夠積極主動地通過觀察與操作獲得真實的學習與動手體驗，深層次建構(gòu)多學科知識，切實參與到活動中，運用多學科綜合知識解決問題，生成產(chǎn)品，培養(yǎng)綜合能力[1]。

初中化學教學中實驗內(nèi)容豐富。STEM課程以產(chǎn)品為導向，制作過程體現(xiàn)實驗探究屬性。因此，實驗化學教學內(nèi)容與STEM課程有了融合的可能性[2]。融合后的教學不僅關(guān)注學生科學探究能力的培養(yǎng)，還關(guān)注工程設計意識的建立。

二、教學分析

1.融合方法

融合STEM教育理念的方法如下：以課程標準和教材為依據(jù)，改進已有實驗，融合跨學科知識，實施“以產(chǎn)品為導向”的新實驗。圖1為“自制滅火器”案例中將實驗教學內(nèi)容轉(zhuǎn)化為STEM教學內(nèi)容的流程。案例為落實人教版《化學(九年級上)》第七單元課題1《燃燒與滅火》的內(nèi)容而設計。教材中涉及的實驗藥品(白磷、紅磷)與學生生活距離較遠，不易被學生理解。因此需要更換藥品，體現(xiàn)在生活中學習的理念。融合STEM教育的第一步是融入真實情境，通過制作產(chǎn)品解決實際問題，幫助學生實現(xiàn)對核心知識的理解。以滅火器為學科作品，依次討論火的產(chǎn)生條件、滅火原理、自制滅火器三部分內(nèi)容。在第一部分內(nèi)容中，加入興趣實驗，加深學生對燃燒條件的認識，落實“控制變量法”的思想。在第三部分教學內(nèi)容中，學生通過設計并制作泡沫滅火器、運用滅火器滅火兩個活動，落實科學探究能力。同時，體現(xiàn)了STEM教育的獨特之處：幫助學生建立工程設計意識。

圖1 轉(zhuǎn)化流程

“自制滅火器”案例基于真實問題(生活中產(chǎn)生微型火災，如何滅火？)而設計，以化學學科知識為主，兼顧其他學科知識，見表1。

表1 跨學科知識地圖分析

2.目標設計

目標設計體現(xiàn)學生主體、素養(yǎng)導向。在必備知識維度，學生需掌握燃燒的要素、滅火的原理等核心知識，同時鞏固物理、數(shù)學等跨學科知識。在關(guān)鍵能力維度，學生需通過實驗探究總結(jié)“控制變量法”的思想。在實驗過程中提高科學探究能力、工程設計能力。在必備品格維度層面，學生需表現(xiàn)出對化學的熱愛，呈現(xiàn)實際問題解決的主人翁意識，體現(xiàn)“科學精神與社會責任”核心素養(yǎng)。

表2 “自制滅火器”評價量規(guī)

3.評價設計

對知識維度的目標，采用課堂觀察、課后作業(yè)等方式，檢測目標達成程度。對能力維度的目標，設計評價量規(guī)(見表2)的方式，以評促學，落實學習目標。對品格維度的目標，在課后對學生發(fā)放調(diào)查問卷，測查學生對STEM教學課堂的喜愛程度。

量規(guī)呈現(xiàn)明確的操作任務和表現(xiàn)水平，為學生互評提供依據(jù)。學生互評的方法如下：相鄰兩組的產(chǎn)品觀察師(例如A、B組)對調(diào)，A組產(chǎn)品觀察師對B組其他成員評價，B組產(chǎn)品觀察師對A組其他成員評價。量規(guī)中的各角色的職責見表3，學生自主選擇角色并參與課堂學習。

表3 角色分工

三、教學過程

教學過程采用項目式學習的方式。以真實情境為基礎，培養(yǎng)學生系統(tǒng)思維，具有產(chǎn)品導向[3]。將項目分解成3個子任務。任務1：火從哪里來？任務2：如何滅火？任務3：自制滅火器。3個任務之間為遞進關(guān)系，任務1為任務2的基礎，任務2為任務3的基礎。任務1、任務2以實驗探究為主要方式，任務3以工程設計為教學關(guān)鍵活動。實施時，在任務1前創(chuàng)設情景，增強學習的真實性。任務3后加入總結(jié)提升環(huán)節(jié)，落實核心知識，提高關(guān)鍵能力，發(fā)展核心素養(yǎng)。

任務1：理解燃燒條件(火從哪里來？)

圖片展示：燃燒的三要素。表格展示：不同物質(zhì)的著火點。

演示實驗1：乒乓球和玻璃片的燃燒播放視頻；白磷在水下燃燒；演示實驗2：燒不壞的試卷。

設計意圖：學生通過觀察教師演示實驗、播放的實驗視頻，逐步理解燃燒的三個條件。在分析實驗現(xiàn)象、得出實驗結(jié)論的過程中，逐步理解控制變量的科學思想。

任務2：遷移滅火原理(如何滅火？)

提出問題：根據(jù)燃燒的條件，滅火的途徑有哪些？文字解析：“滅”與“火”之間的關(guān)系。遷移評價：水滅火、二氧化碳滅火的原理是什么？泡沫滅火器滅火的原理是什么？

設計意圖：從燃燒條件出發(fā)，引導學生思考滅火的原理，對“燃燒時三個要素缺一不可”的科學事實加深理解。在理解滅火原理之后，根據(jù)學生回答問題的情況，做出學習理解的評價。

任務3：設計并制作滅火器(自制滅火器)

給出表3的分工說明，學生梳理操作步驟。以量規(guī)為依據(jù)，學生完成計算任務。任務如下：用廚房中的小蘇打[學名：碳酸氫鈉(NaHCO3)]和酸性物質(zhì)(如鹽酸，主要成分為HCl)產(chǎn)生二氧化碳氣體和泡沫，從而滅火。反應方程式為：

NaHCO3+HCl=NaCl+H2O+CO2↑

請計算：若產(chǎn)生2.2 g二氧化碳氣體，消耗碳酸氫鈉的質(zhì)量是多少？

根據(jù)學生計算結(jié)果，演示了一種泡沫滅火器(材料如下：塑料瓶、帶導管的單孔塞、帶線試管)。產(chǎn)品調(diào)試師根據(jù)演示過程結(jié)合實驗材料設計微型滅火器，材料如圖2所示。以量規(guī)為依據(jù)，產(chǎn)品經(jīng)理進行產(chǎn)品介紹，產(chǎn)品觀察師進行評價。

圖2 微型滅火器的制作材料及藥品

設計意圖：采取角色扮演模式，明確小組分工。賦予角色功能，讓學習與社會、職業(yè)接軌。使學習更高效、有價值。將自制滅火器的步驟拆解，降低難度，為學生的創(chuàng)新思維培養(yǎng)搭建臺階。活動過程體現(xiàn)學生的自主性，給予學生充分表達的時間和機會，培養(yǎng)學生的工程設計能力和創(chuàng)新意識。

四、教學反思

課后為所有學生發(fā)放了調(diào)查問卷(見表4)，調(diào)查問卷數(shù)據(jù)圖見圖3，并隨機抽查5名學生進行訪談。訪談內(nèi)容如下：通過本節(jié)課的學習，與傳統(tǒng)的化學實驗相比，你覺得動手制作一個產(chǎn)品來學習知識的過程給你帶來最大的影響是什么？(預期學生會認為本課程實施能夠提高學生的創(chuàng)新意識、工程設計能力)

表4 調(diào)查問卷

1.任務拆解 實現(xiàn)學習目標

項目式學習，拆解核心任務，為學生實現(xiàn)學習目標搭建臺階。隨著課堂教學的進行，學習目標有效落實。在知識維度，結(jié)合課堂觀察和作業(yè)情況，90.90%的學生逐步理解燃燒要素和滅火原理。在能力維度，表4中的問題1表明，89.5%的學生意識到課堂學習過程的重要思想是“控制變量法”。訪談時，2名學生認為“設計并制作作品的過程很重要，加深了對化學實驗的理解，能提高科學探究能力和工程設計能力”。在品格維度，問題3、問題4的結(jié)果表明，絕大部分學生喜歡STEM課堂，是因為STEM教育能提高實驗探究能力、小組合作能力、工程設計能力。甚至有的學生表示喜歡STEM課堂不需要理由。教學過程激發(fā)學生對科學探索的欲望，培養(yǎng)了“科學精神”核心素養(yǎng)，教學過程指向真實問題解決，滲透“社會責任”的核心素養(yǎng)。

圖3 調(diào)查問卷數(shù)據(jù)圖

2.以評促學 落實核心素養(yǎng)

如圖4所示，在對所有能力的投票中，實驗探究能力、小組合作能力、表達能力的票數(shù)比例位于前3名，這說明融合STEM教育的化學教學重視了學生動手完成實驗的過程；強調(diào)了合作學習的重要性，給予學生了充分的時間來表達交流。多種能力的綜合培養(yǎng)正是STEM教育的特點。值得關(guān)注的是，有14.15%的學生認為“工程設計能力”得到了提高。這說明實施STEM教學案例正在逐步培養(yǎng)學生的“工程意識”。

圖4 能力維度統(tǒng)計結(jié)果

量規(guī)的使用對學生能力的提高起到了關(guān)鍵作用，引導學生以“優(yōu)秀級”為目標，完成學習過程，要求學生以“合格級”為最低標準，監(jiān)控學習質(zhì)量，有效地提高了科學探究能力(完成實驗能力、表達能力)和工程設計能力，落實了核心素養(yǎng)。