鐘文莉 許應華

摘要：基于STEM-SOS教學模式，建構了STEM理念的化學教學模式。該模式以化學知識為基礎、融合計算機技術、工程和數(shù)學思想，以解決問題和完成人工作品為目標。依據(jù)該模式，對初中化學“化學肥料”進行教學設計，學生的活動作品為“設計一個化肥查詢程序”。教學實踐表明，該活動能培養(yǎng)學生解決實際問題的能力和合作的意識，提高學生化學學習興趣。

關鍵詞：STEM化學教學模式;教學設計;化肥推薦譜

文章編號：1008-0546（2021）03-0055-04 中圖分類號：G632.41 文獻標識碼：B

doi：10.3969/j.issn.1008-0546.2021.03.013

STEM教育是當前提倡的一種新的教育理念和模式，是一種重實踐、跨學科，區(qū)別于傳統(tǒng)的注重單一學科知識教學的教育概念。該模式的目標是培養(yǎng)學生的STEM素養(yǎng)，即學生通過在真實項目中的實踐，從不同的學科和視角對一個科學現(xiàn)象進行探索與思考，以提升科學素養(yǎng)、技術素養(yǎng)、工程素養(yǎng)和數(shù)學素養(yǎng)，以達到培養(yǎng)學生跨學科素養(yǎng)的目標[1]。

化學是一門與社會、生活、技術密切相關的自然科學，在化學教學中融入STEM教育理念，能培養(yǎng)學生跨學科素養(yǎng)。初中化學“化學肥料”是與學生自身生活緊密相關的內(nèi)容，由于視角不同，教師對該教學內(nèi)容的設計也不一樣，如潘程從STS理念出發(fā)對該內(nèi)容的傳統(tǒng)教學方案和STS的教學進行了對比設計[2]，朱紛從落實三維目標角度出發(fā)設計了該內(nèi)容[3]，當前還沒有發(fā)現(xiàn)從STEM理念出發(fā)對初中階段該課程內(nèi)容進行教學設計的研究。

一、基于STEM理念的化學教學模式

根據(jù)STEM教育理念，教育研究者開發(fā)出多種教學模式，不同的教學模式有不同的特點，針對的學科和教學內(nèi)容也不相同。

LSTEM-SOS教學模式

在眾多STEM教學模式中，STEM-SOS教學模式具有流程清晰，易操作，適合化學學科等特點，其發(fā)源地為哈莫尼公立學校（Harmony public school，簡稱HPS）。STEM-SOS模式的核心是基于項目的學習（PBL），其基本操作流程如下[4]。

這個教學模式嚴謹、跨學科、以教師引導，學生為中心，通過一系列的探究活動完成項目任務，學生在此過程中能力、品行都得到發(fā)展。該模式包括五個階段，其步驟如下：（1）選擇項目階段。選擇項目是學習的起點和關鍵。STEM-SOS模式將項目分為Ⅰ級項目、Ⅱ級項目和Ⅲ級項目三個難度級別，課程規(guī)定所有學生必須在完成Ⅰ級項目（必要項目）后，才能進入Ⅱ級項目（拓展項目），繼而是更高一級的Ⅲ級項目[5]。（2）分析研究問題階段。在選擇項目之后，必須對項目進行分析研究，即完成該項目需要解決哪些問題，為探究提供方向指導。（3）探究解決方案階段。該階段以解決上述問題為目的，收集資料，提出各種方案，并針對問題整合出可行性方案，完成項目。問題是否能解決、項目能否完成的關鍵取決于這個階段。（4）展示研究結果階段。該階段就是將探究成果公之于眾，為后續(xù)的反思提供意見和指導。（5）評價和反思階段。為檢驗項目的完成情況和探究的結果，需要對整個過程進行價值判斷，即評價反思。學生可以反思整個學習過程，也可以根據(jù)他人的建議對項目解決過程進行改進，進而形成更合理的方案。

2.基于STEM理念的化學教學模式的建構

經(jīng)過對STEM-SOS教學模式的分析，發(fā)現(xiàn)其探究性、協(xié)作性的特點可適用于中學化學教學。因此，以哈莫尼公立學校的STEM-SOS教學模式為基礎，結合STEM教育的跨學科整合特征，即從解決問題或進入項目開始，到找到解決方案或者完成一件“人工制品”，建構了基于STEM理念的化學教學模式，如圖2。

該教學模式主要分為“情景引入”“獲得化學知識”“工程化設計”“展示評價”“測試改進”等5個階段。各階段操作如下。

（1）情景引入。首先為學生創(chuàng)造一個真實的、具有實際意義的問題情景，來激發(fā)學生化學學習的興趣?！盎瘜W肥料”的教學情境，可以利用湖南衛(wèi)視“向往的生活”將學生帶入到化肥與生活的主題中，以激發(fā)學生的探究欲望，為后面的學習建立基礎。再提出根據(jù)作物病癥設計化肥推薦譜的任務，有利于學生明確研究問題，以便為下一步的工程設計做鋪墊。

（2）獲得化學知識。工程化設計和人工智能就是基于基礎知識進行構建、擴充和完善，因此，獲得知識是基礎。這些知識可以是從書本、網(wǎng)絡信息、專家教師等多種途徑間接獲得。對于初中生來說，最常用的方式就是從教師或書本中獲得知識。

（3）工程化設計。工程化設計是多學科融合的有效紐帶，是以科學原理為基礎、以技術手段、數(shù)學方法為解決實際問題的根本途徑。為得到最終的“人工制品”，讓學生自己動手進行設計、建造，完成一件“人工制品”。在此過程中，學生需要繪制設計圖，有能力者可以自己建造產(chǎn)品，從而提升學生的工程素養(yǎng)。如果學生無法自己建造“人工制品”，可尋求他人協(xié)助。在這個階段，當學生面臨設計瓶頸時，教師要給予引導，同時也要提示學生設計的完整性和美觀性，避免設計偏離學習目標。

（4）展示評價。產(chǎn)品展示分為原型設計圖展示和模型展示。原型設計圖展示是設計者根據(jù)一定的知識和要求設計出產(chǎn)品圖，然后對設計圖的流程，預想功能進行闡述。模型展示是將設計成果轉變成真實可操作的產(chǎn)品，并且對產(chǎn)品的外觀、實際操作等做出詳細的展示，讓別人了解設計成果。在操作展示過程中去收集他人對產(chǎn)品的價值判斷和優(yōu)劣評價，進而判斷上述得到的初步“人工制品”是否可行。

（5）測試改進。為檢驗“人工制品”是否達到目標，需要通過測試去發(fā)現(xiàn)設計的不足并反思。通過相互分享，吸收不同同伴的優(yōu)點，發(fā)現(xiàn)新的問題，改進自己的設計。工程設計就是這樣一個不斷設計、操作測試、發(fā)現(xiàn)、改進問題的一個過程。

二、化學肥料的STEM的化學教學設計

1.設計準備

（1）教材分析

九年義務教育化學課程標準對本部分內(nèi)容的教學要求多屬于“知道川了解”的層次。該部分的化學知識和生產(chǎn)生活密切相關，教師應避免單純知識介紹的講授式教學。如果能結合數(shù)學、計算機軟件等知識將本節(jié)內(nèi)容應用于學生的生活實踐，那么學生更能體會化學在生活中的作用，能更好地培養(yǎng)學生對化學的熱愛。

（2）學情分析

學生在生活中已經(jīng)了解過化肥的相關內(nèi)容，有一定的基礎，但本課題側重讓學生了解化肥的應用以及掌握不同化肥鑒別，從而完成本課的學習。這個階段的學生對計算機的熱情比較高，同時具有較強的動手能力和求知欲，把化學知識與信息技術結合在一起，可以將枯燥的科學知識生活化，利于學生知識的掌握。因此通過該STEM課程學生更能體會社會、生活、化學之間的聯(lián)系，活學活用化學知識，提高化學學習興趣。

2.設計思路

根據(jù)STEM教育理念，將化學知識、計算機技術、工程設計和數(shù)學四者結合起來設計，設計思路如圖3所示。首先是創(chuàng)設情景，學生帶著問題學習化學和其他相關知識，體現(xiàn)STEM的S（Science）。接著，學生查找不同化肥的作用和性質，對軟件進行設計。依據(jù)教師的講解和自己的創(chuàng)新完成設計圖，展示交流，體現(xiàn)工程層面E（Engineering）。然后，師生根據(jù)設計的軟件圖，共同開發(fā)軟件，或者可以運用現(xiàn)成的相關軟件，進行改進，體現(xiàn)工程技術T（Technology）。最后，為完善化肥推薦譜的設計，借助數(shù)學統(tǒng)計、數(shù)據(jù)分析、計算來完成定量化肥的設計，體現(xiàn)數(shù)學的應用M（Mathematics）。

3.教學過程

（1）情景引入

教師活動：最近湖南衛(wèi)視的“向往的生活”節(jié)目讓明星們?nèi)サ睫r(nóng)村過一種自給自足的生活，他們自己種植農(nóng)作物，體驗農(nóng)民伯伯們的生活。在種植的過程中他們犯難了，有的作物葉片發(fā)黃，有的伏倒，于是他們給作物施加了化肥，那么究竟該施加哪一種化肥呢？

設計意圖：明星效應引入課題，激發(fā)學習興趣，明確本節(jié)課的研究問題是化肥與生活。

（2）化學知識（Science）的學習

教師提問：生活中的化肥種類有很多，其性質也有所不同，而這些化肥中有鉀肥、氮肥、磷肥和復合肥四大類。（1）這四大類化肥分別含有哪些化合物呢？它們的作用又是什么？（2）使用這些化肥的利弊是什么？（3）使用不同類型化肥的時候應該注意什么？（4）如果這些化肥混合在一起，我們該怎么去區(qū)分？

學生活動：閱讀教材回答問題，查找資料，總結歸納形成答案。

設計意圖：引導學生在已有知識和生活經(jīng)驗的基礎上探索。通過物質的分類，讓學生形成物質分類意識，培養(yǎng)宏觀辨識的學科素養(yǎng)。通過閱讀教材，提取相關信息，培養(yǎng)學生總結、歸納、提取信息的能力。用問題激發(fā)思考，學生自己努力找到的答案更能加深印象，便于記憶。小組分工合作培養(yǎng)學生的交流溝通能力和合作意識。

歸納總結：教師引導學生用思維導圖列出化肥的種類、存在、作用，如圖4。

設計意圖：以思維導圖的形式加深印象，使得零散的知識系統(tǒng)化，便于理解記憶，為后面化肥推薦軟件的制作做鋪墊。

（3）工程化的設計

根據(jù)“向往的生活”節(jié)目組遇到的問題，如何設計一個化肥管理軟件來幫助他們呢？如何快速尋找不同化肥的性質，以及針對不同作物的化肥推薦？設計一個能夠快速查詢的界面或軟件。

設計意圖：通過情景提出問題，更具有真實感，讓學生明確工程設計的任務。

設計提示：教師講解查詢界面的設計（Engineer-ing的實現(xiàn)）。

①確定作物信息和癥狀。

②查詢不同化肥的性質。

③選擇不同種類的化肥，出現(xiàn)不同作物的化肥推薦。

④優(yōu)化化肥推薦譜和軟件，豐富軟件的功能。

設計意圖：引導學生進行工程設計，在本階段，學生運用STEM中的科學知識、計算機技術、工程思想和數(shù)學統(tǒng)計分析，進行化肥譜編制，小組合作解決問題。在進行化肥譜規(guī)劃過程中，更能快速掌握化肥與生產(chǎn)生活的關系。

（4）展示評價

教師展示原型設計圖（Technology的應用）：打開軟件，設置作物信息，點擊確定，了解各種化肥的性質，如圖5。

彈出不同化肥的性質表作為參照，選擇化肥類別，出現(xiàn)化肥推薦譜，如圖6所示。

設計意圖：體現(xiàn)STEM中的技術方面，學生真正地動手操作，體會科學與技術的關聯(lián)，通過操作發(fā)現(xiàn)問題，進行改進。計算機軟件輔助技術可以節(jié)約我們制定計劃的時間，并且精確、科學。軟件操作對于學生來說是一個新鮮事物，所以需要教師先進行演示。

（5）測試改進，反思問題

學生提問：前面設計的軟件僅僅是定性的推薦化肥而沒有定量，如何做到定量的推薦呢？即如何在限定面積，規(guī)定作物，給出化肥準確的量呢？

【實例】在小麥生長過程中發(fā)現(xiàn)小麥植株矮小，葉片發(fā)黃，該癥狀說明小麥需要含氮元素的化肥。根據(jù)小麥生長所需要的肥料需求來看，每畝需要施純氮10公斤，根據(jù)計算公式：化肥質量=作物所需元素分量÷化肥中所含該元素的比重。尿素含氮量為46%，則每畝小麥實際需要尿素的質量為=10÷46%=22公斤。碳酸氫銨含氮量為17%，每畝小麥實際需要碳酸氫銨的質量為10÷17%=60公斤。復合肥中含氮量為15%，則每畝小麥實際需要復合化肥的質量為=10÷15%=66.67公斤。因此，化肥推薦為（1）施加22公斤尿素;（2）施加66公斤碳酸氫銨;（3）施加66.67公斤復合肥。

設計意圖：通過定量問題的設計，將數(shù)學知識和化學結合起來。通過教師舉的實例使學生理解如何進行定量化肥的制作。通過計算、再設計、再操作，學生建立S-T-E-M的聯(lián)系，促進對STEM教育的深層理解，培養(yǎng)STEM素養(yǎng)。

4.教學設計反思

讓學生做到學以致用，解決生活中的問題，培養(yǎng)創(chuàng)新意識是化學教學的目標，STEM教育理念下的項目教學能有效實現(xiàn)該目標。為此，我們采用STEM教育模式對“化學肥料”進行教學設計，并實施。教師在教學活動中，滲入計算機技術，數(shù)學知識，讓學生展示自己的設計成果，根據(jù)自己的意愿來設計、開發(fā)。學生在教學中需要完成一件人工制品，即“化肥推薦查詢軟件”，該作品以化學知識為基礎，融合農(nóng)學，計算機科學，數(shù)學而設計。教學實踐證明，該教學設計能激發(fā)學生的化學學習興趣，提高學生綜合應用知識解決現(xiàn)實生活問題的能力，學生也真實感受科學和技術的魅力。

該教學模式也可以應用于其他與學生生活相關的教學設計，例如“人類重要的營養(yǎng)物質”“化學元素與人體健康”等內(nèi)容，可以說，此教學模式非常實用。

參考文獻

[1]傅騫，劉鵬飛.從驗證到創(chuàng)造——中小學STEM教育應用模式研究[J].中國電化教育，2016，351（4）：76-83+110

[2]潘程.在初中化學教學中滲透STS理念——基于“化學肥料”的兩種教學設計對比研究[J].化學教與學，2014（11）：12-14+23

[3]朱紛，潘程.如何在初中化學教學中整體落實三維目標——以“化學肥料”為例[J]北學教育，2013，34（1）：28-31

[4]楊華平.美國哈莫尼公立學校STEM教學模式（STEM-SOS model）研究[D].成都：四川師范大學，2017：17-18

[5]張志新，夏頏淇，劉靜.美國STEM-SOS教學模式的特點及啟示[J].教學與管理，2019（16）：79-82

*本文系重慶市高等教育教學改革重點項目“基于學科核心素養(yǎng)的卓越化學教師培養(yǎng)模式的探索”（編號：182013）階段性研究成果;重慶師范大學——重慶市大學城第一中學校教育碩士研究生聯(lián)合培養(yǎng)基地成果。

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