摘要：隨著經(jīng)濟的迅猛發(fā)展，各國之間的競爭日益激烈，主要為科技與人才的競爭。為適應(yīng)社會發(fā)展，教育理念也需不斷更新，因此我國開始尋求新的STEM教育理念和有效的項目式學(xué)習(xí)模式。STEM理念在美國誕生，被多個國家所認可和接受。近幾年來，STEM教育模式逐漸進入了中國課堂，受到推廣應(yīng)用。項目式學(xué)習(xí)是基于項目的學(xué)習(xí)，是培養(yǎng)學(xué)生素養(yǎng)、提升學(xué)生能力的一種學(xué)習(xí)模式，隨著教育改革的進行逐漸受到重視。本文將STEM理念和項目式學(xué)習(xí)相結(jié)合，以制作“水果電池”為例，設(shè)計基于STEM教育理念的項目式學(xué)習(xí)活動。

關(guān)鍵詞：STEM項目學(xué)習(xí) 水果電池 電池電壓大小 電極間距

一、STEM項目學(xué)習(xí)

STEM項目學(xué)習(xí)是集科學(xué)（Science）、技術(shù)（Technology）、工程（Engineering）和數(shù)學(xué)（Mathematics）多個學(xué)科于一體的綜合教育模式，是一種能夠培養(yǎng)學(xué)生多學(xué)科素養(yǎng)和創(chuàng)新能力的教育模式。學(xué)生作為項目式學(xué)習(xí)的主體，在開展項目的過程中運用所學(xué)的知識構(gòu)建知識體系，在完成項目任務(wù)的過程中尋找問題的解決方法，從而培養(yǎng)了學(xué)科素養(yǎng)、提升了個人能力。STEM項目學(xué)習(xí)具有情境性、跨學(xué)科性、實踐性、體驗性、協(xié)作性等特點，以真實情景中的項目提出為出發(fā)點，整合多種學(xué)科知識和學(xué)習(xí)方法，在學(xué)習(xí)活動中體現(xiàn)學(xué)生的個性，發(fā)展學(xué)生的創(chuàng)造思維，培養(yǎng)學(xué)生解決實際問題的能力。

二、“水果電池”項目式學(xué)習(xí)設(shè)計理念

結(jié)合物理、數(shù)學(xué)和化學(xué)課程，讓學(xué)生充當(dāng)小科學(xué)家角色，通過實驗發(fā)現(xiàn)水果能發(fā)電，并研究不同水果的電能。通過實驗探究不同種類水果產(chǎn)生的電壓是否相同，探討影響水果電池電壓大小的因素，分析試驗結(jié)果，得出結(jié)論。

本節(jié)課講授的是人教版必修2第三章第二節(jié)化學(xué)能與電能方面的知識，教材圍繞火力發(fā)電介紹了將化學(xué)能轉(zhuǎn)化成電能的基本原理，然后以銅鋅原電池為例來探討原電池的正負極、電極反應(yīng)式等問題。雖然這種知識引入方式層層遞進，具有很好的邏輯性，但是這些離學(xué)生真正的生活環(huán)境太遠，學(xué)生很難感同身受。因此，為了讓學(xué)生能直接親歷化學(xué)實驗，我設(shè)計引入一個神奇而又有趣的穿越話題，引導(dǎo)學(xué)生思考假如穿越后沒有電源如何給手機充電，利用學(xué)生身邊的事物來制作奇妙的水果電池，去探討給手機充電的最佳條件，加強鞏固對原電池的工作原理的學(xué)習(xí)。

三、項目式學(xué)習(xí)目標

確定課題，以《普通高中化學(xué)課程標準》為依據(jù)，基于STEM理念設(shè)計的“自制水果電池”項目式學(xué)習(xí)目標如下：

（一）STEM知識目標

1.基于原電池知識的學(xué)習(xí)，探究原電池的原理及形成條件。

2.通過設(shè)計有趣的水果電池，學(xué)生能從電子轉(zhuǎn)移的角度去理解化學(xué)能向電能轉(zhuǎn)化的原理。

3.結(jié)合物理、工程、數(shù)學(xué)、化學(xué)等跨學(xué)科知識，探究水果電池，知道電流計的使用、水果電池制作工藝。

（二）STEM能力目標

1.查閱制作水果電池的資料，小組合作討論制作水果電池中遇到的問題，培養(yǎng)學(xué)生用知識聯(lián)系實際的意識、合作學(xué)習(xí)的能力。

2.設(shè)計制作水果電池的方案，探究影響電池電流大小的因素，并不斷改進，設(shè)計出最佳方案，培養(yǎng)學(xué)生發(fā)現(xiàn)問題、整合問題、解決問題的能力。

（三）STEM態(tài)度目標

1.通過學(xué)習(xí)制作水果電池，激發(fā)學(xué)生的化學(xué)學(xué)習(xí)興趣和熱情，并在以后生活學(xué)習(xí)中踐行STEM項目式學(xué)習(xí)。

2.通過制作水果電池的實驗操作，學(xué)生感受作為科學(xué)家不斷探索和孜孜不倦、精益求精的精神。

四、項目實施過程

（一）創(chuàng)設(shè)情境，鞏固舊知識

情景導(dǎo)入：假如你帶著手機穿越了，穿越以后手機很快沒電了，怎么才能給手機充電？怎么樣利用你所學(xué)知識解決這個問題呢？我們來一起嘗試解決穿越后面對的這個難題——自制“水果電池”給手機充電。

設(shè)計意圖：激發(fā)學(xué)生設(shè)計水果電池的興趣，主動聯(lián)系生活與實際，利用化學(xué)學(xué)科思維解決實際問題，落實化學(xué)學(xué)科素養(yǎng)“科學(xué)探究與創(chuàng)新意識”的培養(yǎng)。

（二）學(xué)生提出猜想與假設(shè)

1.水果為什么可以導(dǎo)電用來做水果電池？

水果中含有大量糖類、蛋白質(zhì)、生物酸等物質(zhì)，其中的生物酸起電解質(zhì)的作用。往水果中插入不同金屬電極并用導(dǎo)線連接起來，會有電子的轉(zhuǎn)移，產(chǎn)生電流，形成水果電池。

2.水果電池的電壓與水果的種類有什么關(guān)系？

根據(jù)原電池的原理及形成條件，推測水果電池所產(chǎn)生的電流大小與水果本身即水果中所含的電解質(zhì)溶液有關(guān)。水果種類不同，所含汁液不同，產(chǎn)生的電壓也不一樣。

3.水果電池的電壓還可能與什么因素有關(guān)？

水果電池的電壓還可能與水果汁水狀態(tài)，電極金屬片的種類，電極金屬片的距離，電極金屬片的形狀等有關(guān)。

設(shè)計意圖：引導(dǎo)學(xué)生聯(lián)系物理、數(shù)學(xué)、生物等學(xué)科知識解決實際問題，設(shè)計方案前提出啟發(fā)性問題，確定實驗探究方向。提高學(xué)生思維嚴謹性和邏輯性。

（三）布置項目驅(qū)動性任務(wù)

研究項目1：哪些水果能產(chǎn)生電流，適合做水果電池？

（課前已布置，學(xué)生已經(jīng)準備好各種水果，有西瓜、檸檬、橙子、梨。）

先選用酸性較強的檸檬進行實驗。

任務(wù)一：檸檬電池實驗步驟

（1）將課前準備好的鋅片和銅片打磨干凈，將銅片和鋅片的一端分別用小鐵夾夾住，再連接導(dǎo)線。

（2）把兩根導(dǎo)線的另一端分別接在電流計的兩個接線柱上，形成串聯(lián)電路。

（3）用手輕輕擠壓檸檬，使檸檬內(nèi)部柔軟，產(chǎn)生較多汁水，但要留心不能把檸檬擠壓破皮。

（4）用刀在檸檬外皮劃開一個小口，把連好導(dǎo)線的銅片和鋅片分別插入檸檬里，保持距離為1厘米，觀察電流計是否偏轉(zhuǎn)。

（5）如果電流計指針偏轉(zhuǎn)不明顯或者偏轉(zhuǎn)角度太小，再接入一個檸檬或兩個檸檬，依次把它們串聯(lián)在一起，觀察電流計偏轉(zhuǎn)角度是否變大。

（6）把電流計替換成發(fā)光二極管，接入實驗串聯(lián)電路中去。觀察二極管亮度，增加實驗中檸檬個數(shù)，直到發(fā)光二極管發(fā)出較強亮光為止。

設(shè)計意圖：初步啟發(fā)學(xué)生檸檬不僅可以用來發(fā)電，還可以接入不同電器使其工作，使學(xué)生產(chǎn)生其他水果能否發(fā)電、電壓大小的疑問，激發(fā)學(xué)生制作水果電池給手機充電的興趣和繼續(xù)探究的動力。

思考1：除了檸檬，還有什么水果可以做電池？電壓如何？

任務(wù)二：多種水果電池分組實驗，制作西瓜電池、橙子、梨電池。

（1）實驗分為三組進行，分別做西瓜電池、橙子電池、梨電池

（2）依據(jù)控制變量法，每一組除了采用的水果種類不一樣，水果個數(shù)、選用電極材料、電極之間的距離、電極金屬片的種類和形狀等條件均相同。

（3）重復(fù)與上述檸檬實驗相似的相關(guān)步驟，觀察電流計指針偏轉(zhuǎn)情況，并記錄讀數(shù)。

（4）重復(fù)與上述檸檬實驗相似的相關(guān)步驟，觀察發(fā)光二極管的亮度，用不亮，微亮，較亮，亮，明亮來描述二極管的亮度，以此衡量產(chǎn)生電流的大小。

教師指導(dǎo)：以上步驟是初步設(shè)計水果電池，感受水果電池中電壓、電流的存在。接下來請學(xué)生思考以上水果電池能否解決我們時空穿越后用水果電池給手機充電的問題?，F(xiàn)有一部改裝后的手機充電器和手機供大家研究使用，請動手實驗。

學(xué)生實驗：積極實驗，將改裝后的手機充電器和手機接入水果電池的電路中，接通電路，觀察手機充電情況，發(fā)現(xiàn)無明顯變化。

學(xué)生提出質(zhì)疑：為什么手機接入后充電電量無明顯變化？

交流討論：很明顯，水果電池的電壓過低，無法給手機充電。

設(shè)計意圖：本實驗的失敗，使得學(xué)生認識到科學(xué)的進步不是一帆風(fēng)順的，培養(yǎng)學(xué)生不怕困難、嚴謹求實的科學(xué)精神。

思考2：影響水果電池電壓大小的因素有哪些？

組織學(xué)生討論：通過查閱資料可知，手機充電最小電壓范圍為3.7 V～4.5 V。學(xué)生經(jīng)過討論總結(jié)發(fā)現(xiàn)，水果種類、果汁多少、水果的新鮮程度、不同電極材料、電極材料的表面積、電極間距離等對水果電池電壓均會產(chǎn)生影響。

教師指導(dǎo)：經(jīng)查閱資料后發(fā)現(xiàn)，在適當(dāng)范圍內(nèi)，電極間距離越近越有利于電流產(chǎn)生，采用相同大小，相同材料的金屬鋅片和銅片做電極，分組探究水果種類、果汁多少與狀態(tài)對電壓影響，找出最佳水果、最佳果汁狀態(tài)，從而提高電壓。

研究項目2：水果電池電壓與水果種類、果汁狀態(tài)、電極間距離有什么關(guān)系？

教師指導(dǎo)：由于部分水果例如檸檬、橙子存在瓣膜，梨子、西瓜肉多，不利于水果電池中電子的流動，如果把水果榨成汁，水果電池效果會不會更好？電極間距離的大小會不會影響電子的流動？

學(xué)生討論：實驗條件有限，檸檬、橙子和西瓜汁水較多，可以直接擠壓獲得果汁；用小刀把梨切碎，再用研缽把切碎的果肉研磨成泥，最后用紗布過濾，獲得梨汁。實驗中，我們必須采用等量的各種果汁進行實驗。電極材料及大小相同，電極間距離設(shè)定為1 cm，2 cm，3 cm，進行對比實驗。

優(yōu)化方案實驗步驟如下：

任務(wù)三：探究不同水果果汁的電壓

（1）實驗分三組進行，分別做檸檬汁電池，西瓜汁電池，橙汁電池，梨汁電池。

（2）依據(jù)控制變量法，每一組均取體積30 mL果汁于小燒杯中，選用大小、形狀相同的銅片和鋅片作電極材料，電極之間的距離為1 cm，有關(guān)因素均相同。

（3）把電流計接入電路，接通電路，觀察電流計指針偏轉(zhuǎn)情況，并記錄讀數(shù)。

任務(wù)四：探究電極距離大小對電壓的影響

分組方法同任務(wù)三。依據(jù)控制變量法，每一組分別設(shè)置電極間距離1 cm，2 cm，3 cm做對比實驗，其他條件均相同。接通電路，觀察電流計指針偏轉(zhuǎn)情況，并記錄讀數(shù)。

設(shè)計意圖：任務(wù)三、四的設(shè)計層層遞進，以彌補任務(wù)一、二的不足，不斷完善本項目活動中水果電池的制作工藝。加強對原電池工作原理的深入理解，提升了原電池學(xué)習(xí)課堂效率。但給手機充電的實際問題未能切實完成，有待于學(xué)生進一步探索。

五、反思總結(jié)

這次實踐活動是對科學(xué)知識應(yīng)用的一次親身體驗，拉近了化學(xué)與學(xué)生距離，讓學(xué)生感受到化學(xué)在身邊，有一雙能夠在生活中發(fā)現(xiàn)化學(xué)的眼睛。這次活動，一是讓學(xué)生真正體驗到作為科學(xué)家不斷探索并獲得成功的樂趣。二是在實踐中培養(yǎng)了學(xué)生團結(jié)合作的精神，提升了學(xué)生自我思維、分析的能力。三是培養(yǎng)了學(xué)生的實驗操作能力、科學(xué)創(chuàng)新的能力，提升了學(xué)生化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)。四是讓學(xué)生學(xué)會聯(lián)系跨學(xué)科知識解決問題，并在以后生活學(xué)習(xí)中踐行STEM項目式學(xué)習(xí)。五是學(xué)生受到了尊重科學(xué)、崇尚科學(xué)，對待科學(xué)要一絲不茍的科學(xué)態(tài)度教育。

參考文獻：

［1］中華人民共和國教育部.普通高中化學(xué)課程標準（2017版2020年修訂）［M］.北京：人民教育出版社，2020.

［2］侯肖，胡久華.在常規(guī)課堂教學(xué)中實施項目式學(xué)習(xí)——以化學(xué)教學(xué)為例［J］.教育學(xué)報，2016，12（4）：3944.

［3］劉蘭輝.基于STEM理念的初中化學(xué)項目式學(xué)習(xí)設(shè)計與實踐研究［D］.南昌：江西師范大學(xué)，2016.

［4］吳成芳.基于STEM理念的高中化學(xué)項目式教學(xué)設(shè)計與實踐［D］.南昌：江西師范大學(xué)，2016.

［5］趙揚.基于課程標準的初中化學(xué)跨學(xué)科教學(xué)——以《DIY水果電池》為例［J］.教育科學(xué)論壇，2018（34）：4648，4.

［6］乙若梅.基于STEM教育理念中的中學(xué)化學(xué)教學(xué)案例開發(fā)及實踐——以材料主題為例［D］.南京：南京師范大學(xué)，2021.

［7］陳燕祝.高中化學(xué)STEM項目學(xué)習(xí)活動設(shè)計與實踐研究［D］.貴陽：貴州師范大學(xué)，2020.

責(zé)任編輯：趙瀟晗