基于STEM的教學(xué)方案設(shè)計(jì)

摘要：STEM 教育是整合科學(xué)、技術(shù)、工程、數(shù)學(xué)等多方面的教育，自美國(guó)提出后在國(guó)際上也具有一定影響。本文以人教版《化學(xué)反應(yīng)原理》中“原電池”教學(xué)為例，探究原電池的形成原理，讓同學(xué)們深入了解多種多樣的化學(xué)電源，并將 STEM 教育思想理念融入化學(xué)課程教學(xué)設(shè)計(jì)中，培養(yǎng)學(xué)生運(yùn)用多種學(xué)科知識(shí)，提高解決問題和分析問題的能力。

關(guān)鍵詞：STEM 教育;化學(xué)教學(xué);教學(xué)設(shè)計(jì)

STEM是學(xué)、技術(shù)、工程以及數(shù)學(xué)相關(guān)的所有領(lǐng)域的交叉融合、他甚至與心理學(xué)、社會(huì)學(xué)和政治學(xué)有關(guān)，是一個(gè)偏向于理工科目教學(xué)的多學(xué)科交叉融合課程。2015年美國(guó)頒布了《STEM Education Act of 2015》，即從立法的角度保障了STEM教育法的實(shí)施，隨著近年來的經(jīng)濟(jì)全球化，我國(guó)也越來越重視STEM的教育。

一、設(shè)計(jì)理念

（一）化學(xué)STEM教育

在化學(xué)教育中，化學(xué)不僅可以和物理、生物、數(shù)學(xué)等學(xué)科融合，也可以和地理學(xué)科進(jìn)行融合?；瘜W(xué)在日常生活中與人們的生產(chǎn)、生活息息相關(guān)，是材料科學(xué)、能源科學(xué)、環(huán)境科學(xué)、生命科學(xué)以及信息技術(shù)等科學(xué)技術(shù)的的基礎(chǔ)學(xué)科。而這些科學(xué)技術(shù)的基礎(chǔ)內(nèi)容也同時(shí)體現(xiàn)在中學(xué)物理、生物以及地理的課程中。

例如，化學(xué)和物理的交叉內(nèi)容即在能量轉(zhuǎn)化過程中所涉及到的熱能、氫能、化學(xué)能等，以及各種新穎的原電池、燃料電池和太陽(yáng)能電池也是屬于化學(xué)和物理的交叉內(nèi)容。同時(shí)也是開發(fā)新型環(huán)保能源轉(zhuǎn)化技術(shù)和裝置的熱點(diǎn)領(lǐng)域[1]。

（一）原電池設(shè)計(jì)理念

原電池是高中化學(xué)所要學(xué)習(xí)的重要內(nèi)容，主要內(nèi)容包括構(gòu)成原電池的基本要素、化學(xué)能與電能的相互轉(zhuǎn)化、正負(fù)極判斷以及和生活息息相關(guān)的燃料電池。隨著科技的高速發(fā)展，電池與生物燃料的結(jié)合勢(shì)在必行，所以生物燃料電池也是學(xué)生需要掌握的內(nèi)容，這就需要學(xué)生有相關(guān)的生物基礎(chǔ)知識(shí)。且在整個(gè)原電池的授課中，要求學(xué)生能夠掌握相應(yīng)的數(shù)學(xué)計(jì)算的基礎(chǔ)知識(shí)以便于計(jì)算原電池中的電子轉(zhuǎn)移數(shù)目。在本節(jié)的授課內(nèi)容中完全體現(xiàn)了化學(xué)與數(shù)學(xué)、物理、生物學(xué)科的融合，同時(shí)可以結(jié)合社會(huì)的生產(chǎn)實(shí)際進(jìn)行授課讓學(xué)生自己動(dòng)手設(shè)計(jì)原電池，形成一定的科學(xué)素養(yǎng)，以此來培養(yǎng)學(xué)生的科技創(chuàng)新能力和工程思想。

（二）教學(xué)目標(biāo)

（一）教學(xué)目標(biāo)

1.通過對(duì)設(shè)計(jì)原電池裝置必要性的論證，提升學(xué)生將化學(xué)知識(shí)應(yīng)用于生產(chǎn)和生活的社會(huì)責(zé)任感，并逐步形成綠色化學(xué)觀念。

2.通過對(duì)設(shè)計(jì)原電池裝置可行性的論證，加深對(duì)氧化還原反應(yīng)本質(zhì)的理解，并能從多角度分析和利用化學(xué)反應(yīng)中的能量變化。

3.通過對(duì)原電池形成條件的探究，鍛煉學(xué)生的探究能力，并且深化學(xué)生對(duì)化學(xué)實(shí)驗(yàn)“提出假設(shè)一實(shí)驗(yàn)證實(shí)或證偽- +發(fā)現(xiàn)新問題-提出新假設(shè)-→得出結(jié)論”研究模式的認(rèn)識(shí)，加強(qiáng)實(shí)驗(yàn)探究能力。知道可以通過分析、推理、實(shí)驗(yàn)等方法認(rèn)識(shí)氧化還原反應(yīng)的本質(zhì)特征、原電池的構(gòu)成要素及其相互關(guān)系，建立認(rèn)知模型。

（二）教學(xué)重、難點(diǎn)

1.重點(diǎn)：理解氧化還原反應(yīng)與原電池原理之間的關(guān)系，了解原電池的形成條件，分析簡(jiǎn)單原電池形成的原理

2.難點(diǎn)：原電池裝置的設(shè)計(jì)

（三）教學(xué)資源

多媒體;有關(guān)原電池發(fā)展的化學(xué)史;現(xiàn)有市面上汽車所用的新型電池;鋅片;銅片;稀硫酸;

（四）課時(shí)規(guī)劃

本節(jié)內(nèi)容共分為一課時(shí)，先介紹原電池并讓同學(xué)們親手設(shè)計(jì)制作原電池，從中了解原電池的構(gòu)成要素、工作原理。再通過學(xué)生搜集資料、整理并講述現(xiàn)代原電池的種類，了解現(xiàn)代生產(chǎn)生生活中原電池的工作狀況從而更好的融合各學(xué)科以及化學(xué)與社會(huì)之間的知識(shí)。

（五）教學(xué)過程

（一）情境引入

【教師活動(dòng)】有一部電影描述了沒有電之后的生活。那么同學(xué)們你們想象一下沒有電之后的生活么？

【學(xué)生活動(dòng)】想象沒有電之后的生活：不能看電視，不能聽音樂，不能上網(wǎng)，不能打電話，不能用家里的各種電子產(chǎn)品，如微波爐、電冰箱、電飯煲、空調(diào)以及電燈，飛機(jī)火車停止運(yùn)行，不能用電梯，商場(chǎng)超市將停止運(yùn)作，無法收銀

【教師活動(dòng)】通過學(xué)生們的回答我們知道，在現(xiàn)代社會(huì)中沒有電我們將寸步難行。點(diǎn)的使用早就已經(jīng)進(jìn)入了我們生活的每一個(gè)角落。火力發(fā)電由于原料來源豐富，建廠占地面積較小，成本和技術(shù)要求都比較低，所以在我國(guó)仍然占有總發(fā)電量的60%以上。那么同學(xué)再次思考一個(gè)問題，在火力發(fā)電過程中化學(xué)能是如何轉(zhuǎn)化成電能的呢？

【展示】PPT展示活力發(fā)電廠的工作原理示意圖，請(qǐng)同學(xué)們根據(jù)圖示，分析并回答其中所發(fā)生的能量轉(zhuǎn)換。

【學(xué)生活動(dòng)】化學(xué)能轉(zhuǎn)化為熱能，熱能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能。

【教師活動(dòng)】通過同學(xué)們的分析可以知道，由化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能的過程中經(jīng)歷的很多的環(huán)節(jié)。那么每一個(gè)環(huán)節(jié)都能實(shí)現(xiàn)能量的100%轉(zhuǎn)化么？

【學(xué)生活動(dòng)】不能，因?yàn)槊恳粋€(gè)轉(zhuǎn)化的環(huán)節(jié)都會(huì)有大量的能量損耗

【教師活動(dòng)】實(shí)際上，我國(guó)目前的火力發(fā)電中，能源的有效利用率僅僅在30%～40%之間。同時(shí)，作為火力發(fā)電的主要物質(zhì)—煤，是一種不可再生能源，總會(huì)有用完的一天，因此我們應(yīng)該思考一下以下問題：1.能不能減少中間的能量轉(zhuǎn)化環(huán)節(jié) ，將化學(xué)能直接轉(zhuǎn)化為電能？2.能不能找到一類物質(zhì)來代煤進(jìn)行發(fā)電？

【學(xué)生活動(dòng)】進(jìn)入情境，分組討論，思考化學(xué)能直接轉(zhuǎn)化為化學(xué)能的可能性

（二）問題導(dǎo)入

【教師活動(dòng)】我們能不能利用某一類反應(yīng)將化學(xué)能直接轉(zhuǎn)化為電能？如果可以，該反應(yīng)屬于哪一類反應(yīng)？

教師觀察學(xué)生情況給予適當(dāng)?shù)奶崾荆?/p>

1.根據(jù)我們初中所學(xué)習(xí)的物理知識(shí)思考電流產(chǎn)生的實(shí)質(zhì)是什么？

2.我們已經(jīng)學(xué)過化學(xué)反應(yīng)都哪些類型，不同類型的化學(xué)反應(yīng)的特點(diǎn)是什么？

3.哪一類反應(yīng)最有可能實(shí)現(xiàn)將化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能的設(shè)想？

部分學(xué)生可能會(huì)認(rèn)為離子反應(yīng)可以直接將化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能，因?yàn)殡x子反應(yīng)中有陰陽(yáng)離子，他們可以起到導(dǎo)電的作用。此時(shí)教師要做適當(dāng)?shù)囊龑?dǎo)，讓學(xué)生認(rèn)識(shí)到電流的產(chǎn)生是因?yàn)閹щ娏Ｗ拥亩ㄏ蛞苿?dòng)，但是離子反應(yīng)中的離子的移動(dòng)柜一般是沒有規(guī)律的，是不定向的。由此可以讓學(xué)生認(rèn)識(shí)到只有氧化還原反應(yīng)才有可能被設(shè)計(jì)成原電池。

【學(xué)生活動(dòng)】根據(jù)教師的提示思考，交流后得出結(jié)論：如果想要產(chǎn)生電能就需要產(chǎn)生電流，而想要產(chǎn)生電流就需要帶電粒子的定向移動(dòng)，根據(jù)學(xué)生以前所學(xué)習(xí)過的化學(xué)反應(yīng)中，氧化還原反應(yīng)都具有這一類特征，電子定向的從還原劑轉(zhuǎn)移至氧化劑。

【教師活動(dòng)】演示鋅粒與稀硫酸的反應(yīng)，提問學(xué)生們是否觀察到電流產(chǎn)生？為什么？

【學(xué)生活動(dòng)】只有無色氣體產(chǎn)生。沒有觀察到電流的產(chǎn)生，因?yàn)殡娮邮且趯?dǎo)線上進(jìn)行定向移動(dòng)的，所以電流也應(yīng)該在導(dǎo)線上產(chǎn)生，而老師所做的實(shí)驗(yàn)中并沒有外電路所以沒有電路產(chǎn)生。

（三）實(shí)驗(yàn)探究

【教師活動(dòng)】通過同學(xué)們剛才的分析，我們知道化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能會(huì)有電流產(chǎn)生，但是剛才的實(shí)驗(yàn)中我們并沒有觀察到電流。那么我們?nèi)绾螜z測(cè)反應(yīng)中有沒有電流產(chǎn)生呢？請(qǐng)同學(xué)們以反應(yīng)Zn + 2H+ =Zn2++H2↑。為學(xué)生提供鋅片、銅片、碳棒、稀硫酸、燒杯、導(dǎo)線、靈敏電流表。

【學(xué)生活動(dòng)】思考交流之后畫出不同的裝置簡(jiǎn)圖，并用實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。匯報(bào)實(shí)驗(yàn)事實(shí)。

【教師活動(dòng)】通過實(shí)驗(yàn)我們知道使用鋅片，銅片（碳棒）和稀硫酸等可以形成原電池。但是剛才大家所設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)裝置中，不是所有的裝置都產(chǎn)生了電流，這說明原電池的形成是需要一定的條件的。請(qǐng)大家分析剛才的裝置，分析原電池的形成都需要哪些條件。

【學(xué)生活動(dòng)】分析交流討論后回答：原電池的形成需要閉合回路。

【教師活動(dòng)】電極材料除了鋅、銅和碳棒以外是否還可以是別的材料？反應(yīng)溶液除了稀硫酸之外是否可以是別的液體？請(qǐng)同學(xué)們?cè)O(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案，探究原電池形成的其他條件。繪制表格，記錄學(xué)生匯報(bào)的實(shí)驗(yàn)信息，詢問選擇該實(shí)驗(yàn)藥品以及設(shè)計(jì)該原電池的理由。

【學(xué)生活動(dòng)】設(shè)計(jì)并實(shí)施實(shí)驗(yàn)，整理、記錄實(shí)驗(yàn)信息并匯報(bào)。

【教師活動(dòng)】根據(jù)學(xué)生的匯報(bào)，用電子表格的形式篩選整理實(shí)驗(yàn)信息，并由同學(xué)對(duì)剛才產(chǎn)生電流和未產(chǎn)生電流的裝置進(jìn)行對(duì)比分析，總結(jié)形成原電池的其他條件

【學(xué)生活動(dòng)】根據(jù)匯總的實(shí)驗(yàn)信息總結(jié)形成原電池的其他條件。即有自發(fā)進(jìn)行的氧化還原反應(yīng)和正負(fù)極材料。

【教師活動(dòng)】我們已經(jīng)設(shè)計(jì)出了完整的可以產(chǎn)生電流的原電池裝置，成功實(shí)現(xiàn)了化學(xué)能向電能的直接轉(zhuǎn)化。那么原電池是如何實(shí)現(xiàn)這一轉(zhuǎn)變的呢？以鋅銅原電池為例，指出反應(yīng)的正負(fù)極，并分析兩電極上肯=可能發(fā)生的化學(xué)反應(yīng)并嘗試寫出兩極的電極反應(yīng)式。

【學(xué)生活動(dòng)】討論交流并分析原電池的工作原理，書寫電極反應(yīng)式。

負(fù)極Zn ： Zn -2e-=Zn2+

正極Cu ：2H++2e-=H2↑

【教師活動(dòng)】分析Zn - C - CuSO4原電池中，正極上可能出現(xiàn)的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。

【學(xué)生活動(dòng)】碳棒上附著一層紅色金屬

（四）課后思考

【教師活動(dòng)】原電池裝置給我們的生活帶來了巨大的便利，也為我們研究氧化還原反應(yīng)提供了重要的研究手段。我們生活中的大量化學(xué)電源就是以原電池為雛形的。那么從簡(jiǎn)單的原電池到各種各樣的化學(xué)電源，我們還有多遠(yuǎn)的路要走呢？請(qǐng)大家選擇一種或幾種自己感興趣的化學(xué)電源，查閱相關(guān)資料，了解其中的化學(xué)原理。

【學(xué)生活動(dòng)】查閱資料，了解一種或者多種化學(xué)電源的工作原理。

參考文獻(xiàn)：

[1]劉麗.融合STEM教育理念的初中化學(xué)教學(xué)設(shè)計(jì)與應(yīng)用研究[D].青島大學(xué)，2020.

[2]周軍燕.基于STEM理念的化學(xué)概念思維教學(xué)案例的比較分析[D].華中師范大學(xué)，2020.

作者簡(jiǎn)介：趙偉怡，1998.01.21，女，漢，黑龍江省哈爾濱市，碩士研究生在讀，研究方向：中學(xué)化學(xué)教育。