張世勇 彭雪麗 鐘輝生

摘要：基于STEM理念的研究性學(xué)習(xí)按照“確立課題，激活舊知”“項(xiàng)目探究，知識(shí)拓展”“項(xiàng)目實(shí)施，產(chǎn)品制作”“知識(shí)整合，作品設(shè)計(jì)”四項(xiàng)流程展開。以“乙醇”為例，圍繞“乙醇相關(guān)基礎(chǔ)知識(shí)”“白葡萄酒的檢測”“白葡萄酒的釀造”“設(shè)計(jì)一座酒莊”四項(xiàng)活動(dòng)實(shí)施，培養(yǎng)學(xué)生運(yùn)用化學(xué)、數(shù)學(xué)、生物、地理、環(huán)境學(xué)、工程學(xué)等相關(guān)知識(shí)分析問題、解決問題能力，為基于STEM理念的研究性學(xué)習(xí)實(shí)施提供參考。

關(guān)鍵詞：STEM理念;研究性學(xué)習(xí);核心素養(yǎng);乙醇

文章編號(hào)：1008-0546（2020）08-0067-06

中圖分類號(hào)：C632.41

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

doi： 10.3969/j.issn. 1008-0546.2020.08.019

STEM理念是科學(xué)（Science）、技術(shù)（Technology）、工程（Engineering）和數(shù)學(xué)（Mathematics）教育理念的簡稱，該理念旨將多門學(xué)科交叉融合成有機(jī)整體，促進(jìn)學(xué)生獲取知識(shí)與技能的同時(shí)，提升應(yīng)用知識(shí)解決問題的實(shí)踐能力和創(chuàng)新意識(shí)，形成STEM綜合素養(yǎng)[1]。21世紀(jì)以來，以美國、英國、德國為代表的發(fā)達(dá)國家，都從國家戰(zhàn)略高度制定了基于STEM的教育政策與措施?，F(xiàn)今STEM教育在我國也進(jìn)入蓬勃發(fā)展階段。但目前，我國仍然缺少有關(guān)STEM教育國家戰(zhàn)略高度的頂層設(shè)計(jì)，沒有專門設(shè)置STEM中學(xué)課程[2]。借鑒STEM教育已取得的成果[3]，將STEM理念與基礎(chǔ)教育新課程改革倡導(dǎo)的研究性學(xué)習(xí)相結(jié)合進(jìn)行探索，為化學(xué)新課程的推動(dòng)實(shí)施提供參考。

一、STEM理念下的研究性學(xué)習(xí)概述

研究性學(xué)習(xí)是在類似“科學(xué)研究”情境中和教師指導(dǎo)下，學(xué)生從社會(huì)生活自主挖掘研究問題、合作探究解決問題的過程中獲取新知并運(yùn)用于實(shí)際問題[4]。STEM研究性學(xué)習(xí)活動(dòng)以科學(xué)、技術(shù)、工程、數(shù)學(xué)知識(shí)為基礎(chǔ)，以項(xiàng)目和問題為主線進(jìn)行。研究性學(xué)習(xí)的一般流程是：確立研究課題一設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)活動(dòng)方案一討論優(yōu)選實(shí)驗(yàn)方案一實(shí)驗(yàn)探究一確定結(jié)論。為了更好地將多門跨學(xué)科知識(shí)融人真實(shí)問題情境，解決現(xiàn)實(shí)問題，故將STEM研究性學(xué)習(xí)操作流程定為：“確立課題，激活舊知”“項(xiàng)目探究，知識(shí)拓展”“項(xiàng)目實(shí)施，產(chǎn)品制作”“知識(shí)整合，作品設(shè)計(jì)”四階段，如圖1所示：

1.確立研究課題：STEM教育以跨學(xué)科知識(shí)為載體，以科學(xué)知識(shí)、實(shí)踐技術(shù)、工程活動(dòng)和數(shù)學(xué)運(yùn)算為項(xiàng)目研究性學(xué)習(xí)的核心。教師通過創(chuàng)設(shè)情境，引發(fā)學(xué)生思考并提出問題，從而確立研究的課題。此階段注重學(xué)生已有知識(shí)經(jīng)驗(yàn)、引導(dǎo)學(xué)生回憶舊知，為后續(xù)項(xiàng)目活動(dòng)提供基礎(chǔ)，啟發(fā)學(xué)生積極思考并發(fā)現(xiàn)問題，調(diào)動(dòng)研究興趣，激發(fā)學(xué)習(xí)動(dòng)機(jī)。

2.項(xiàng)目探究，知識(shí)拓展：進(jìn)一步深入主題探究，拓展相關(guān)知識(shí)，為后續(xù)項(xiàng)目活動(dòng)提供理論基礎(chǔ)。教師需要循序漸進(jìn)引導(dǎo)學(xué)生思路、提供拓展知識(shí)材料，學(xué)生依據(jù)探究目的設(shè)計(jì)方案步驟。此階段注重對跨學(xué)科知識(shí)進(jìn)行重組與運(yùn)用。

3.項(xiàng)目實(shí)施，產(chǎn)品制作：該環(huán)節(jié)是STEM研究性學(xué)習(xí)的重要組成部分。在教師的指導(dǎo)下，學(xué)生自主有序地實(shí)施項(xiàng)目方案，運(yùn)用科學(xué)、技術(shù)、工程和數(shù)學(xué)知識(shí)完成項(xiàng)目任務(wù)，注重培養(yǎng)學(xué)生研究問題能力，實(shí)踐動(dòng)手技術(shù)。

4.知識(shí)整合，作品設(shè)計(jì)：STEM注重四門學(xué)科的交叉融合，在項(xiàng)目探究結(jié)束后，教師組織學(xué)生進(jìn)行交流、發(fā)表、總結(jié)，學(xué)生將知識(shí)進(jìn)行內(nèi)化遷移，融會(huì)貫通。該階段注重對新知進(jìn)行總結(jié)與整合，使知識(shí)真正地內(nèi)化，能夠遷移到現(xiàn)實(shí)生活中解決問題。

二、“乙醇”教學(xué)設(shè)計(jì)案例

1.學(xué)情分析

“乙醇”是高中化學(xué)必修課程中概念原理類的內(nèi)容，是高一年級(jí)學(xué)生所要學(xué)習(xí)的重點(diǎn)知識(shí)，本案例將乙醇與項(xiàng)目實(shí)踐相結(jié)合，在鞏固有機(jī)化學(xué)知識(shí)的同時(shí)，提升學(xué)生多方面素質(zhì)能力。本課題適用于學(xué)習(xí)完新教材《必修二》有機(jī)化合物章節(jié)過后的學(xué)生，此時(shí)學(xué)生已經(jīng)初步掌握烷烴、烯烴、醇、醛、酸、酯等有機(jī)物知識(shí)和一些基本化學(xué)操作，但還缺乏獨(dú)立進(jìn)行方案設(shè)計(jì)和項(xiàng)目研究的實(shí)踐經(jīng)歷，因此需要在教師指導(dǎo)下完成本次項(xiàng)目探究活動(dòng)。

2.活動(dòng)設(shè)計(jì)

（1）活動(dòng)設(shè)計(jì)思路

本項(xiàng)目研究性學(xué)習(xí)活動(dòng)流程設(shè)計(jì)圍繞“化學(xué)知識(shí)線”“問題線”“項(xiàng)目流程線”“學(xué)生主體線”而展開，切實(shí)體現(xiàn)STEM研究性學(xué)習(xí)的核心：以項(xiàng)目問題為主線，又突出學(xué)生主體性、尊重學(xué)生興趣、提供開放空間、強(qiáng)調(diào)師生共同發(fā)展。具體活動(dòng)設(shè)計(jì)思路見圖2。

（2）活動(dòng)設(shè)計(jì)說明

本項(xiàng)目研究性學(xué)習(xí)活動(dòng)知識(shí)融合性強(qiáng)，設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)操作較多，貼近學(xué)生實(shí)際生活經(jīng)驗(yàn)，實(shí)用性廣，切實(shí)體現(xiàn)出研究性學(xué)習(xí)、STEM理念和化學(xué)核心素養(yǎng)，具體設(shè)計(jì)說明如圖3所示

3.教學(xué)目標(biāo)與評(píng)價(jià)分析

高中化學(xué)新課程標(biāo)準(zhǔn)中要求課程設(shè)置應(yīng)滿足學(xué)生多元化發(fā)展，課程內(nèi)容要體現(xiàn)出基礎(chǔ)性和時(shí)代性，重視以“素養(yǎng)為本”的教學(xué)，因此本案例從四個(gè)項(xiàng)目內(nèi)容展開，根據(jù)化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)的內(nèi)涵及其發(fā)展水平、高中化學(xué)課程目標(biāo)、高中化學(xué)課程內(nèi)容及學(xué)業(yè)質(zhì)量要求，結(jié)合學(xué)生已有經(jīng)驗(yàn)、對教學(xué)目標(biāo)和教學(xué)評(píng)價(jià)進(jìn)行整體規(guī)劃和設(shè)計(jì)。具體教學(xué)目標(biāo)與教學(xué)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，見圖4。

4.教學(xué)過程

確立課題、激活舊知：乙醇相關(guān)基礎(chǔ)知識(shí)的學(xué)習(xí)

[教師]播放視頻“酒文化”，視頻中內(nèi)容涉及生活中各類酒的簡單介紹以及歷史由來，激發(fā)起學(xué)生興趣，為引導(dǎo)學(xué)生回憶舊知識(shí)，隨后教師拋出一系列乙醇相關(guān)問題，見表1。

[學(xué)生]根據(jù)視頻總結(jié)酒產(chǎn)地分布特征;自行回憶已經(jīng)學(xué)過有關(guān)乙醇的知識(shí)，在教師引導(dǎo)下根據(jù)結(jié)構(gòu)決定性質(zhì)，性質(zhì)決定用途的化學(xué)思維，全面整理有關(guān)乙醇的知識(shí)框架，主要知識(shí)內(nèi)容見表2，以小組為單位進(jìn)行討論、分析酒中還有可能存在哪些物質(zhì)。

[設(shè)計(jì)意圖]提出環(huán)環(huán)相扣有關(guān)“酒”的問題既有助于學(xué)生鞏固乙醇的性質(zhì)又有利于激發(fā)學(xué)生興趣，同時(shí)問題4“酒中還可能存在那些物質(zhì)？”引發(fā)學(xué)生深入思考，也為后繼探究做準(zhǔn)備。該設(shè)計(jì)由與生活息息相關(guān)的“酒”引入學(xué)習(xí)主題，體現(xiàn)出STEM研究性學(xué)習(xí)中的情境性。

項(xiàng)目探究、拓展新知：白葡萄酒分析檢測

[教師]展示一款白葡萄酒酒，我們應(yīng)該如何判斷這款酒的品質(zhì)如何？其中含有哪些物質(zhì)呢？請同學(xué)們檢驗(yàn)這款酒的理化性質(zhì)，并根據(jù)葡萄酒發(fā)酵過程以及所學(xué)的有機(jī)化合物知識(shí)來猜測并驗(yàn)證這瓶白葡萄酒酒中含有哪些物質(zhì)。

[學(xué)生]收集葡萄酒理化指標(biāo)檢驗(yàn)資料，一般葡萄酒理化檢驗(yàn)包括酒精度檢驗(yàn)、殘?zhí)菣z驗(yàn)、酸度檢驗(yàn)等[5]。經(jīng)過討論推測葡萄酒發(fā)酵過程中存在以下化學(xué)變化：淀粉糖化產(chǎn)生葡萄糖，葡萄糖經(jīng)發(fā)酵變?yōu)橐掖迹佳趸玫饺┳詈笞兂伤?，酸可與醇反應(yīng)生成酯[6]，由此得出葡萄酒中含有醇、醛、酸、酯，經(jīng)查閱資料得知其中還含有酚類物質(zhì)。

[學(xué)生活動(dòng)]自行分為兩組對白葡萄酒進(jìn)行理化檢測和官能團(tuán)檢測，記錄分析數(shù)據(jù)，得出結(jié)論，并反思活動(dòng)過程中存在的問題，最后對本次活動(dòng)進(jìn)行評(píng)價(jià)。活動(dòng)實(shí)施報(bào)告，見表3。

[設(shè)計(jì)意圖]學(xué)生自行根據(jù)研究興趣分組，更有利于激發(fā)學(xué)生主體性;在實(shí)驗(yàn)過程中感受化學(xué)變化觀念與平衡思想;運(yùn)用研究性學(xué)習(xí)的方式通過查閱書籍和網(wǎng)絡(luò)資料，先合理猜測可能具有的物質(zhì)并設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)并進(jìn)行驗(yàn)證，將有機(jī)化學(xué)知識(shí)、實(shí)驗(yàn)操作技術(shù)、數(shù)學(xué)計(jì)算等多學(xué)科融合，在拓展知識(shí)的同時(shí)解決問題并提升學(xué)生綜合素質(zhì)。

項(xiàng)目實(shí)施，產(chǎn)品制作：白葡萄酒的釀造

[教師]播放視頻“葡萄酒工廠的釀酒操作流程”和“家庭中白葡萄酒釀造方法”激發(fā)學(xué)生想要自己動(dòng)手釀造的欲望。

[教師布置任務(wù)]我們已近知道了如何檢測一款酒的質(zhì)量，現(xiàn)在假如你是一名釀酒師，你將如何釀造一款品質(zhì)優(yōu)良的白葡萄酒呢？要求：酒體澄清，無明顯沉淀，有濃郁葡萄酒香氣，酒精度在8.5%-15%。

[學(xué)生活動(dòng)]收集資料，設(shè)計(jì)并優(yōu)選簡潔高效的釀造方案[7]，實(shí)施流程見表4。

[教師]對整個(gè)釀造過程及成品酒進(jìn)行綜合評(píng)價(jià).提出指導(dǎo)意見。

[設(shè)計(jì)意圖]學(xué)生通過視頻的觀看，激發(fā)了強(qiáng)烈動(dòng)手操作的欲望。賦予學(xué)生釀酒工程師這一角色體驗(yàn)，置身于真實(shí)的社會(huì)情境中進(jìn)行STEM研究性學(xué)習(xí)，增強(qiáng)了學(xué)生對于知識(shí)的理解、運(yùn)用和動(dòng)手實(shí)踐能力。

知識(shí)整合，作品設(shè)計(jì)：設(shè)計(jì)一座酒莊

[教師]同學(xué)們釀造出來供大家品嘗的紅葡萄酒品質(zhì)非常優(yōu)秀，大家想不想為更多人送去這份醇香呢？中學(xué)生都充滿為社會(huì)做貢獻(xiàn)的雄心，回答是肯定的。

[教師布置任務(wù)]請同學(xué)們扮演一名酒莊設(shè)計(jì)師，綜合各因素設(shè)計(jì)一座集生產(chǎn)與旅游于一體的葡萄酒酒莊。

[學(xué)生活動(dòng)]以小組為單位，代人角色綜合各方面因素進(jìn)行設(shè)計(jì)[8]，實(shí)施流程見表5。

[學(xué)生]小組之間分享設(shè)計(jì)成果，進(jìn)行交流研討。

[教師]綜合評(píng)估各小組方案合理性，指導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行優(yōu)化。

[設(shè)計(jì)意圖]引導(dǎo)學(xué)生站在全局角度，對科學(xué)、技術(shù)、工程、數(shù)學(xué)四科知識(shí)進(jìn)行融合，STEM教育理念下的跨學(xué)科合作。

教師組織學(xué)生以小組為單位，結(jié)合學(xué)習(xí)過程中的數(shù)據(jù)、圖表、方案等內(nèi)容以PPT的形式進(jìn)行成果匯報(bào)。匯報(bào)內(nèi)容包括“乙醇相關(guān)基礎(chǔ)知識(shí)”“白葡萄酒的檢測”“白葡萄酒的釀造”“葡萄酒莊園設(shè)計(jì)”。匯報(bào)結(jié)束后組織學(xué)生進(jìn)行互相評(píng)價(jià)，評(píng)價(jià)內(nèi)容可從“跨學(xué)科知識(shí)運(yùn)用”“動(dòng)手實(shí)踐”“團(tuán)結(jié)協(xié)作”“活動(dòng)參與度”等多方面展開。最后教師總結(jié)評(píng)價(jià)各小組在項(xiàng)目活動(dòng)中的表現(xiàn)，對學(xué)生的學(xué)習(xí)成果表示肯定及鼓勵(lì)。最后，回歸“乙醇”主題，表達(dá)化學(xué)是一門充滿神秘色彩、實(shí)用性很強(qiáng)的學(xué)科，它與社會(huì)發(fā)展以及人們生活質(zhì)量的提高有著密切聯(lián)系，鼓勵(lì)同學(xué)們嚴(yán)謹(jǐn)求實(shí)、探索真知、崇尚真理，參與更多與化學(xué)有關(guān)的社會(huì)實(shí)踐活動(dòng)。

三、結(jié)語

STEM教育作為一種跨學(xué)科學(xué)習(xí)模式在我國仍處于發(fā)展探索階段，STEM研究性學(xué)習(xí)更是將多學(xué)科知識(shí)與真實(shí)社會(huì)問題相結(jié)合的創(chuàng)新探索。以“乙醇”為主題展開STEM研究性學(xué)習(xí)，圍繞四項(xiàng)活動(dòng)為線索，融合化學(xué)、數(shù)學(xué)、生物、地理、環(huán)境學(xué)等核心知識(shí)，運(yùn)用多媒體技術(shù)、實(shí)驗(yàn)技術(shù)、數(shù)學(xué)繪圖技術(shù)、釀造技術(shù)、設(shè)計(jì)原理技術(shù)等相關(guān)技術(shù)手段，培養(yǎng)學(xué)生綜合考慮問題的全局意識(shí)、節(jié)約資源的成本意識(shí)，可持續(xù)發(fā)展的責(zé)任意識(shí)。

STEM研究性學(xué)習(xí)為向?qū)У目鐚W(xué)科整合項(xiàng)目設(shè)計(jì)中還存在著一些挑戰(zhàn)：一是如何挖掘各學(xué)科之間交叉融合內(nèi)容，這對教師的STEM素養(yǎng)有一定要求;二是如何兼顧學(xué)生認(rèn)知特點(diǎn)與項(xiàng)目活動(dòng)特點(diǎn)，設(shè)計(jì)合適難度的主題內(nèi)容，引起學(xué)生探究欲望;三是如何設(shè)計(jì)支架引導(dǎo)學(xué)生挖掘項(xiàng)目中所蘊(yùn)含的跨學(xué)科知識(shí)，將STEM研究性學(xué)習(xí)理念充分融入教學(xué)過程;四是如何設(shè)計(jì)科學(xué)有效的評(píng)估體系對教學(xué)過程進(jìn)行全面評(píng)估[9]。

參考文獻(xiàn)

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本文系江西省高等學(xué)校教學(xué)改革研究課題“化學(xué)師范生實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新能力培養(yǎng)的研究與實(shí)踐”（JXJC-17-14-24），江西省學(xué)位與研究生教育教學(xué)改革研究項(xiàng)目“核心素養(yǎng)導(dǎo)向下教育碩士教學(xué)實(shí)踐創(chuàng)新能力培養(yǎng)研究”（JXYJC-2018-160）的階段性研究成果。