劉丹陽　亓英麗

摘要： STEM教育強調(diào)跨學(xué)科整合，在真實情境下指向問題解決能力的培養(yǎng)。初中化學(xué)“金屬材料”內(nèi)容與社會生產(chǎn)生活聯(lián)系緊密，基于STEM教育理念開展“金屬材料”教學(xué)，在深入分析課程內(nèi)容的基礎(chǔ)上設(shè)置真實情境問題，讓學(xué)生分別從化學(xué)家、技術(shù)人員、工程師三個角度拆解問題并進行分析解決，培養(yǎng)學(xué)生的跨學(xué)科素養(yǎng)和解決真實問題的能力。

關(guān)鍵詞： STEM教育； 跨學(xué)科； 金屬材料； 鋁合金； 鈦合金

文章編號： 10056629（2023）08005606中圖分類號： G633.8文獻標識碼： B

跨學(xué)科實踐是初中化學(xué)課程首次提出的課程內(nèi)容，要求通過跨學(xué)科主題學(xué)習(xí)活動加強學(xué)科間相互關(guān)聯(lián)，凸顯了初中化學(xué)學(xué)習(xí)的綜合性和實踐性。STEM教育是當今國際教育界公認的跨學(xué)科教學(xué)與實施的典范，強調(diào)利用科學(xué)、技術(shù)、工程、數(shù)學(xué)等學(xué)科相互關(guān)聯(lián)的知識解決問題。初中化學(xué)“金屬材料”課程內(nèi)容涉及化學(xué)、技術(shù)、工程等多個學(xué)科，依據(jù)STEM教育理念開展教學(xué)，可以較好地落實初中化學(xué)課程的要求，充分發(fā)揮化學(xué)課程的育人功能。

1 STEM教育的核心理念

1.1 強調(diào)跨學(xué)科整合

STEM教育的提出源于美國，提倡將原本分散獨立的科學(xué)、技術(shù)、工程、數(shù)學(xué)四門學(xué)科集合成一個整體開展教學(xué)活動，以提升學(xué)生的STEM素養(yǎng)［1］。因此，跨學(xué)科整合作為STEM教育最突出的理念與特征，強調(diào)以整合的課程內(nèi)容和教學(xué)方式讓學(xué)生掌握概念、知識或技能，并運用它們來解決實際問題。教師在進行跨學(xué)科整合時，需要在深入分析知識的基礎(chǔ)之上，找到其在不同學(xué)科之間的聯(lián)結(jié)，再將分散的課程知識按跨學(xué)科的問題邏輯作結(jié)構(gòu)化整合［2］。為了避免在STEM跨學(xué)科整合的過程中出現(xiàn)學(xué)科知識結(jié)構(gòu)化的缺失，需要對STEM模塊設(shè)置進行總體規(guī)劃。

“金屬材料”中核心知識包括金屬與合金的物理性質(zhì)及用途，尋找其在科學(xué)、技術(shù)、工程、數(shù)學(xué)學(xué)科領(lǐng)域的聯(lián)結(jié)點，通過梳理分析可以得到STEM具體模塊內(nèi)容設(shè)置，如表1所示。

1.2 注重真實情境的選擇運用

情境是STEM教育重要而有意義的組成部分，情境素材的選擇與問題解決，可以讓學(xué)生體驗真實的生活，獲得社會性成長。STEM教育能夠為學(xué)習(xí)者提供適合的學(xué)習(xí)情境，讓他們積極地建構(gòu)知識，從而強化對知識的記憶并促進其遷移［4］。所以在基于STEM教育理念進行教學(xué)設(shè)計時，教師要把知識與生活相結(jié)合，為學(xué)生創(chuàng)設(shè)真實的問題情境，并在多種情境下遷移應(yīng)用。

將課程知識按跨學(xué)科結(jié)構(gòu)化整合以后，應(yīng)當考慮STEM模塊中的情境任務(wù)如何設(shè)計、情境素材怎樣選擇。根據(jù)金屬材料內(nèi)容的特點，本次教學(xué)選取了“飛機上的金屬材料”作為支點和教學(xué)情境，從化學(xué)家、技術(shù)人員和工程師三種視角出發(fā)設(shè)置多項真實情境問題，以激發(fā)學(xué)生積極思維。

1.3 指向問題解決能力的培養(yǎng)

問題是多學(xué)科知識融合的交叉點與整合點，是學(xué)生學(xué)習(xí)與探究的觸發(fā)器，是學(xué)生開展STEM學(xué)習(xí)的重要載體［5］。問題解決能力是學(xué)生發(fā)展“實踐創(chuàng)新”核心素養(yǎng)的基本要點，也是STEM教育培養(yǎng)的關(guān)鍵能力。指向問題解決能力培養(yǎng)的STEM教育倡導(dǎo)學(xué)生在教師創(chuàng)設(shè)的情境中，整合科學(xué)、技術(shù)、工程、數(shù)學(xué)等領(lǐng)域的知識與技能合理而有效地解決問題。在解決問題的過程中，不僅落實了知識技能的應(yīng)用，學(xué)生還能學(xué)習(xí)解決問題的方法，在科學(xué)態(tài)度、價值觀方面也會受到良好的教育。

在初中階段，由于學(xué)生自身的知識儲備量不足，面對真實的、綜合性的問題往往無從下手。為此本次教學(xué)將學(xué)習(xí)的目標拆解為幾個次一級的子目標，通過子目標的實現(xiàn)使問題獲得解決。本節(jié)課的主要問題是“飛機上如何應(yīng)用金屬材料”，這個問題比較寬泛，教師應(yīng)引導(dǎo)學(xué)生分別從化學(xué)家、技術(shù)人員和工程師的視角進行拆分。通過每個環(huán)節(jié)任務(wù)的完成逐步讓學(xué)生了解、掌握應(yīng)用金屬材料的性質(zhì)，最終解決課堂最初提出的主問題。整個問題的解決經(jīng)歷了一個綜合、分解、再綜合的過程。學(xué)生在問題解決的過程中明晰金屬材料的科學(xué)利用，也能夠進一步了解金屬材料在生產(chǎn)生活其他領(lǐng)域的應(yīng)用。本節(jié)課的問題分解及解決思路見圖1。

2 基于STEM教育理念的“金屬材料”教學(xué)設(shè)計

2.1 教學(xué)主題內(nèi)容及教學(xué)現(xiàn)狀分析

本節(jié)課選自山東教育出版社《義務(wù)教育教科書·化學(xué)》第九單元“金屬”第一節(jié)“常見的金屬材料”第一課時的內(nèi)容?！敖饘俨牧稀毕嚓P(guān)知識屬于新課標“物質(zhì)的性質(zhì)與應(yīng)用”主題“金屬與金屬礦物”部分，而在“化學(xué)與社會·跨學(xué)科實踐”主題中，也多次提到材料的科學(xué)利用。金屬材料作為最貼近中學(xué)生生活、國家和社會發(fā)展需求量最大的材料之一，在新課標“內(nèi)容要求”和“學(xué)業(yè)要求”中都有重要體現(xiàn)。

在對一線教學(xué)進行觀察后發(fā)現(xiàn)，教師在對第九單元“金屬”教學(xué)時，往往把第一課時的核心知識一帶而過，并且把金屬的冶煉相關(guān)知識與其進行合并，將重點放在“金屬的化學(xué)性質(zhì)”新授課及習(xí)題講解中。究其原因，是教師和研究者認為課時緊張，且該部分知識在中考中占分比例不大，因而忽略了讓學(xué)生在了解金屬材料的過程中樹立“物質(zhì)性質(zhì)決定用途”的觀念和認識金屬材料的科學(xué)利用的意識。在學(xué)校教育中，將學(xué)科前沿知識與其他學(xué)科知識整合實施STEM教育，有助于發(fā)展學(xué)生的跨學(xué)科素養(yǎng)［6］。C919飛機上應(yīng)用的金屬材料屬于前沿性科學(xué)知識，可以在當前跨學(xué)科實踐的課程理念背景下從STEM視角深入探討這部分內(nèi)容的教學(xué)。

2.2 教學(xué)目標

根據(jù)上述分析，制訂如下教學(xué)目標：

（1） 通過“化學(xué)家眼中的金屬材料”了解金屬單質(zhì)的構(gòu)成，發(fā)展微粒觀。并學(xué)會應(yīng)用物質(zhì)構(gòu)成的化學(xué)觀念初步了解金屬共性，深化“物質(zhì)結(jié)構(gòu)決定性質(zhì)”的化學(xué)觀念。

（2） 通過完成一系列真實情境下的任務(wù)，以小組協(xié)作的方式，從技術(shù)人員的視角依據(jù)金屬材料的性質(zhì)分析和評價金屬材料的實際應(yīng)用。

（3） 以飛機制造為情境，能夠從工程師的視角提出對飛機材料的看法，培養(yǎng)工程思維。并能基于“物質(zhì)性質(zhì)決定用途”的觀念，初步分析和解決生產(chǎn)生活相關(guān)的綜合問題。

（4） 思考科學(xué)、技術(shù)和工程的關(guān)系，綜合運用化學(xué)、數(shù)學(xué)等學(xué)科知識解決問題，發(fā)展對化學(xué)學(xué)科的興趣。結(jié)合我國自主研發(fā)大飛機這一事件增強民族自豪感和社會責(zé)任感。

2.3 教學(xué)思路

根據(jù)STEM教育理念，結(jié)合本節(jié)內(nèi)容的特點，本節(jié)課將以我國首次自主研制的C919飛機為情境載體，以一系列問題為引導(dǎo)，通過化學(xué)家、技術(shù)人員、工程師三種視角設(shè)置多種教學(xué)活動。具體教學(xué)思路如圖2所示。

3 教學(xué)實錄

本節(jié)課以公開課的形式在山東某市某所城區(qū)中學(xué)實施，期間經(jīng)過多次打磨試講，最終完整呈現(xiàn)。教學(xué)實錄如下：

3.1 創(chuàng)設(shè)情境，引入新知

［主問題］我國首款具有自主產(chǎn)權(quán)的大型噴氣式民用飛機C919即將投入商用。有人說“一代飛機，一代材料”，在飛機上如何應(yīng)用金屬材料？

3.2 化學(xué)家眼中的金屬材料

環(huán)節(jié)一化學(xué)家眼中的金屬

［教師］大家拿起手邊的C919飛機模型，憑借生活經(jīng)驗猜測一下這個外殼的材質(zhì)？

［學(xué)生］金屬材質(zhì)。

［教師］真正的C919飛機部位與組件離不開金屬材料。金屬在日常生活中有著十分廣泛的應(yīng)用。

生活中有哪些常見的金屬制品？它們主要由什么金屬制成？

［學(xué)生］回答（略）。

［教師］金屬如果應(yīng)用到飛機等生產(chǎn)生活各領(lǐng)域，首先要對其有充分了解?；瘜W(xué)是一門研究物質(zhì)的學(xué)科，首先從化學(xué)家的視角出發(fā)認識金屬，大家可以結(jié)合生活經(jīng)驗從它們的物理性質(zhì)入手。物理性質(zhì)要考慮顏色、狀態(tài)、密度、熔沸點、硬度。除了這些方面，金屬的物理性質(zhì)一般還要認識它們的光澤，導(dǎo)電性、導(dǎo)熱性以及延展性。請大家填寫金屬共有的物理性質(zhì)的表格。

［學(xué)生］完成金屬共有的物理性質(zhì)的表格。

子問題1：為什么大多數(shù)金屬之間會存在相似的物理性質(zhì)？性質(zhì)是由結(jié)構(gòu)所決定的，能從一定程度上反映結(jié)構(gòu)。下面從化學(xué)家的視角出發(fā)了解金屬的微觀結(jié)構(gòu)。

［教師］在之前的學(xué)習(xí)中，金屬單質(zhì)是由什么構(gòu)成的？

［學(xué)生1］金屬單質(zhì)都是由原子直接構(gòu)成。

［教師］展示金原子和銅原子的微觀示意圖，說明原子間排列方式相似，所以金屬結(jié)構(gòu)相似。

［追問］為什么金屬都具有導(dǎo)電性？大家可以回憶一下金屬原子的核外電子排布都有什么規(guī)律。

［學(xué)生2］金屬原子最外層電子數(shù)目一般小于4，同時金屬原子對電子的束縛能力不強，所以金屬中有很多可以自由移動的電子。當通電后，金屬中自由移動的電子就會定向移動，所以金屬易導(dǎo)電。

［小結(jié)］金屬之間存在共性，是由其結(jié)構(gòu)所決定的。

環(huán)節(jié)二化學(xué)家眼中的合金

子問題2：在飛機上所用的合金是應(yīng)用最廣泛的金屬材料，在生活中也隨處可見。什么是合金，合金有什么特殊的性質(zhì)嗎？

閱讀展示的鋁合金資料卡片，獲得有關(guān)合金的信息。

［學(xué)生3］鋁合金除了鋁外還有其他金屬，要通過熱處理等工藝熔合在一起，具有金屬性質(zhì)。

［小結(jié)］合金就是在某種金屬中加熱熔合其他金屬或非金屬后形成的、具有金屬特性的物質(zhì)。金屬和合金統(tǒng)稱為金屬材料。

［教師］合金與純金屬性質(zhì)有哪些差異呢？

［實驗1］觀察鋁片、鋁合金、銅片、黃銅片、錫、焊錫的光澤和顏色，并將它們相互刻劃或摩擦，觀察現(xiàn)象，填寫表格。

［學(xué)生4］回答（略）。

［實驗2］觀看焊錫、錫、鉛的熔化實驗視頻。

［學(xué)生5］最先熔化的是焊錫，其次是錫，最后是鉛，說明焊錫的熔點低于兩種純金屬的熔點。

［小結(jié)］合金比純金屬更具金屬光澤；合金的硬度大于組成它們的金屬；合金的熔點低于組成它們的金屬。

［教師］化學(xué)家視角中“結(jié)構(gòu)決定性質(zhì)”，純金屬的原子排列十分規(guī)整，但是加入其他金屬變成合金以后，合金內(nèi)部的原子排列就發(fā)生了變化，它們之間的相互作用也會發(fā)生改變，從而導(dǎo)致合金的微觀結(jié)構(gòu)發(fā)生了改變。

3.3 技術(shù)人員眼中的金屬材料

子問題3：站在化學(xué)家的視角對金屬材料的組成和結(jié)構(gòu)等進行審視了解，明白金屬材料確實是C919飛機需要的一類材料，只有真正重視金屬材料的研發(fā)和應(yīng)用，才能實現(xiàn)我國飛機自主研發(fā)上的跨越式發(fā)展。轉(zhuǎn)換到技術(shù)人員的視角，金屬材料應(yīng)當如何應(yīng)用？飛機領(lǐng)域比較陌生，可以先從生活中的其他領(lǐng)域入手。

［任務(wù)一］根據(jù)金屬性質(zhì)表格，小組合作找出金屬特有的物理性質(zhì)，并聯(lián)想生活中有哪些應(yīng)用。

［學(xué)生1組］大部分金屬都是銀白色的，但金是黃色的，經(jīng)常做成飾品。大多數(shù)金屬的密度都較大，但是鋁的密度只有2.7克每立方厘米，一般用它制作易拉罐。

［學(xué)生2組］鐵的熔點相對較高，家庭做飯選擇鐵鍋，鐵鍋在高溫下形狀一般不發(fā)生變化。

［教師］通過剛才的學(xué)習(xí)，可以看出不同金屬具有各自的特性。比如鉑的延性好，可以抽成直徑僅有1/5000mm的細絲。金的展性好，可以壓成厚度只有1/10000mm的薄片。鎢則由于熔點高，被愛迪生在6000多種材料中挑選出來制作燈泡中的燈絲。所以性質(zhì)的差異決定了金屬的不同用途。

［任務(wù)二］銀的導(dǎo)電性比銅好，為什么技術(shù)人員建議電線用銅制而不用銀制？

［學(xué)生6］銀的價格比較昂貴，但導(dǎo)電性和銅卻相差不大。

［小結(jié)］為了將金屬廣泛應(yīng)用于生產(chǎn)生活，技術(shù)人員往往需要綜合考量多方面因素。首先明確各種金屬材料的性質(zhì)，再根據(jù)金屬的價格、資源儲量、廢料是否易于回收、美觀性等對材料進一步選擇，將其應(yīng)用到各個領(lǐng)域。

［任務(wù)三］作為技術(shù)人員應(yīng)當對合金等金屬材料進行充分了解和分析，才能為后續(xù)生產(chǎn)生活的合理利用奠定基礎(chǔ)。鐵的合金是各個領(lǐng)域應(yīng)用最廣泛的合金，C919飛機也大量應(yīng)用了鐵合金。

［教師］如果你是技術(shù)人員，面對以下兩個問題你該如何解決？小組討論一下。

問題一：生鐵和鋼是應(yīng)用最廣的兩種鐵合金，區(qū)別在于含碳量不同，生鐵的含碳量為2%～4.3%，鋼的含碳量在0.03%～2%之間。大家根據(jù)金屬性質(zhì)表格信息，分析這兩種合金該如何應(yīng)用于生產(chǎn)生活？

問題二：大多數(shù)金屬在自然界中都是以金屬礦物的形式存在，鐵也不例外。磁鐵礦（主要成分Fe3O4）、赤鐵礦（主要成分Fe2O3）、菱鐵礦（主要成分FeCO3）、黃鐵礦（主要成分FeS2）是四種主要的鐵礦石，煉鐵你會選擇哪種鐵礦石？

［學(xué)生3組］根據(jù)表格給出兩種合金的性質(zhì)，我們小組認為沒有塑性的生鐵可以用于鐵鍋、暖氣片等，而鋼的韌性好，可以再加工，用于機器的零件、機械制造等領(lǐng)域更合適。

［學(xué)生4組］黃鐵礦不能選擇，其余都可以，因為黃鐵礦的主要成分中含有硫元素，煉鐵后產(chǎn)物可能會有污染。

［學(xué)生5組］如果想要得到純鐵，我們認為應(yīng)該選擇赤鐵礦和磁鐵礦，因為它們的鐵元素占比較高。經(jīng)過計算發(fā)現(xiàn)兩者都在50%以上，而另外兩種鐵元素質(zhì)量分數(shù)在50%以下（運用數(shù)學(xué)知識）。

［總結(jié)］通過上述三個任務(wù)發(fā)現(xiàn)，如何從技術(shù)人員視角應(yīng)用金屬材料：物質(zhì)的性質(zhì)決定用途，但也要綜合考量該領(lǐng)域的其他影響因素。

例如，C919飛機的主體結(jié)構(gòu)必須極其牢固，含有碳和其他金屬的鋼是制造這些部件的最佳材料。想要選用適合飛機的金屬材料，技術(shù)人員要首先通過分析各種金屬材料，了解它們的性質(zhì)及用途，再不斷優(yōu)化，結(jié)合具體情況為飛機工程師進行推薦選用。

3.4 工程師眼中的金屬材料

子問題4：我國首款具有自主產(chǎn)權(quán)的大型噴氣式民用飛機C919即將投入商用，而材料和飛機是互相推動發(fā)展的。第一代飛機以萊特兄弟為代表，材料方面采用木制的梁條、翼肋、機翼包裹帆布，利用鋼索固定維持機身的剛度，很顯然和現(xiàn)代飛機有很大區(qū)別。如果你是飛機工程師，在此基礎(chǔ)上設(shè)計更先進的飛機，要從哪些方面改進材料？

［學(xué)生6組］經(jīng)過討論，我們認為傳統(tǒng)的木頭和鋼索不足以支撐長途飛行，所以飛機的制作材料首先應(yīng)該強度大，并且還需要耐高溫，剛剛說過的鋁合金就比較合適。

［學(xué)生7組］和上面電線的案例一樣，飛機要大規(guī)模生產(chǎn)使用，需要考慮成本。另外，太重了也會影響飛行，所以最好質(zhì)量輕一些，成本低廉一些。

學(xué)生匯報展示的內(nèi)容見圖3。

［教師］總結(jié)下來，大家認為飛機的材料需要具備耐高溫、強度大、低成本這些特點，大家的思路非常接近工程師的思路。同時也要讓飛機更加安全，盡量幫飛機減重?，F(xiàn)在飛機材料向著安全可靠、輕量化、強度韌性大、經(jīng)濟環(huán)保、低成本方向發(fā)展。以C919飛機為例，如圖4所示，除了剛剛提出的鋁合金外還應(yīng)用了很多種金屬材料。

大家可以對照表2，了解真正的C919飛機工程師是如何根據(jù)適合的性能為各部位/組件選擇金屬材料的。

［數(shù)學(xué)任務(wù)］鈦合金用量的多少，已成為衡量當代飛機制造先進性的重要標志。我國C919飛機用量達9.3%，超過了美國的波音777。請大家計算一下，C919單機自重約42.1噸，含鈦量約9.3%，按照現(xiàn)有數(shù)據(jù)815架訂單計算，損耗率大約為80%，C919飛機所需鈦合金的總量有多少？

［學(xué)生7］42.1×9.3%×815÷20%＝1.6萬噸。

［教師］僅僅是C919飛機鈦合金的需求量就這么龐大，說明金屬材料的應(yīng)用和發(fā)展前景非常廣闊。同學(xué)們應(yīng)當努力學(xué)習(xí)科學(xué)知識，把科技與工程結(jié)合起來，將來可以投身于相關(guān)領(lǐng)域，為我國的科學(xué)及工業(yè)發(fā)展做出貢獻！

［總結(jié)］飛機上如何應(yīng)用金屬材料？C919飛機工程師從全局出發(fā)，考慮各項因素，根據(jù)不同金屬的性質(zhì)與飛機材料需要具備的用途進行對應(yīng)匹配，呈現(xiàn)出目前我們看到的飛機上的金屬材料。但是工程師的工作并不是一蹴而就的，離不開化學(xué)家和技術(shù)人員對金屬材料的研究與分析。

4 教學(xué)效果與反思

在教學(xué)結(jié)束之后，學(xué)生對“性質(zhì)決定用途”的化學(xué)觀念，應(yīng)用化學(xué)、技術(shù)、工程融合解決問題的思路以及從不同角度評價實際問題的能力都得到了較大的發(fā)展。同時，學(xué)生對于生產(chǎn)生活中應(yīng)用金屬材料的知識興趣明顯增強，愿意積極主動地去了解生產(chǎn)生活中金屬材料的應(yīng)用，這些可以從學(xué)生課后繪制的手抄報及課后訪談中體現(xiàn)出來。學(xué)生繪制手抄報見圖5。

與部分學(xué)生在課后進行訪談交流，部分摘錄如下：

在我原來的腦海里，金屬材料就是銅和鐵，現(xiàn)在知道了原來金屬材料包括純金屬和合金。而且通過老師布置這些關(guān)于飛機上的金屬材料的學(xué)習(xí)任務(wù)，我才知道合金比金屬在生活中應(yīng)用得更多。我的眼鏡就是鈦合金的，鈦合金不僅用在飛機上，我們的日常生活中也有廣泛應(yīng)用。

我原先以為，等當了科學(xué)家以后才能解決這么高端的問題，沒想到這節(jié)課我就可以解決飛機上的問題了?；瘜W(xué)確實是和生產(chǎn)生活密切相關(guān)的學(xué)科。

基于STEM教育理念，本節(jié)課以我國首次自主研制的C919飛機為情境載體，借助化學(xué)家、技術(shù)人員、工程師三種視角引出與金屬材料相關(guān)的問題，設(shè)置多種類型的教學(xué)活動，引導(dǎo)學(xué)生初步分析和解決與金屬材料相關(guān)的生產(chǎn)生活中的綜合性問題。然而，本次教學(xué)僅僅通過觀察學(xué)生的表現(xiàn)衡量教學(xué)效果，后續(xù)還可設(shè)計更全面的評測方式，甚至進行延時評測，以檢驗基于STEM教育理念的教學(xué)效果。

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