STEM視域下初中化學跨學科項目式學習實踐研究

全國教育科學規(guī)劃單位資助教育部規(guī)劃課題“STEM視域下中學理化項目式學習課程實踐研究”（課題批準號：FHB180605）；福建省教育科學“十四五”規(guī)劃2022年度“協(xié)同創(chuàng)新”（含幫扶項目）專項課題“基于新課標的中學化學跨學科實踐活動開發(fā)與實施研究”（課題批準號：Fjxczx22461）階段性研究成果。摘要：

基于STEM教育理念，以“探尋火箭發(fā)射的奧秘”為載體，引導學生進行跨學科項目式學習，以“探究火箭原理”“再探火箭燃料”“模擬火箭設計和制作”“成果展示與評價”四個子任務驅(qū)動，引導學生運用多學科知識設計和制作三種模擬火箭，有效提升學生的綜合素養(yǎng)，實現(xiàn)跨學科協(xié)同育人。關(guān)鍵詞：STEM項目式學習；跨學科；模擬火箭；制作與發(fā)射《義務教育課程方案（2022年版）》明確提出“各門課程用不少于10%的課時設計跨學科主題學習”，這是新一輪課程改革的重要內(nèi)容之一［1］?！读x務教育化學課程標準（2022年版）》強調(diào)初中化學教學應注重創(chuàng)設真實問題情境，倡導開展項目式學習，重視跨學科實踐活動［2］。STEM教育是一種通過整合科學（Science）、技術(shù)（Technology）、工程（Engineer）和數(shù)學（Mathematics）領域內(nèi)容指引教學和學習的途徑和方法，其重視各學科之間的交叉滲透，旨在提升學生的實踐應用能力及遷移創(chuàng)新能力，與新課標的指導思想相契合。項目式學習是實現(xiàn)STEM教育理念的一種有效教學模式［3～5］，融合STEM理念的項目式學習通過創(chuàng)設真實的工程情境，引導學生動手實踐操作，應用科學知識解決問題，依托技術(shù)達成目標，培養(yǎng)解決真實復雜問題的關(guān)鍵能力和必備品格。近年來，中國航天事業(yè)取得了舉世矚目的成就，引發(fā)世界關(guān)注。航天事業(yè)的發(fā)展離不開物理、化學、數(shù)學等多學科的協(xié)同發(fā)展，本文以“探尋火箭發(fā)射的奧秘”為主題，探索一種關(guān)乎知識世界、生活世界與個體世界的整體性學習。1

基于STEM理念的項目研發(fā)1.1

基于STEM理念的項目主題遴選物質(zhì)的變化與性質(zhì)、燃料及其利用以及牛頓第三定律是初中生學習的重難點，學生對于化學反應原理以及反應體系中的多因素分析缺乏結(jié)構(gòu)化認知思路，信息加工處理能力不強，面對整體的生活場域未能形成獨立的系統(tǒng)性思維?；趯W生對物質(zhì)的變化和燃料的了解，以“探尋火箭發(fā)射的奧秘”為主題開展跨學科項目式學習，既符合新課標的要求，又突出教學的重難點，同時貼合學生的生活經(jīng)驗，有助于培育學生的航天精神和社會責任感，實現(xiàn)教書與育人相統(tǒng)一。從課程標準的維度看，該項目內(nèi)容有效鏈接主題1（科學探究與化學實驗）、主題2（物質(zhì)的性質(zhì)與應用）、主題4（物質(zhì)的化學變化）以及主題5（化學與社會·跨學科實踐）。從學科內(nèi)容的維度看，該項目式學習內(nèi)容整合了人教版九年級化學上冊物質(zhì)的變化與性質(zhì)、物質(zhì)的燃燒、燃料能源和生活中常見的鹽等化學知識，同時融合了牛頓第三定律、反沖運動、氣體壓強等物理知識以及行程測算、數(shù)據(jù)處理、圖表分析等數(shù)學知識。項目設計如圖1所示。1.2

理論抽提和任務分解現(xiàn)實世界中的問題往往具有復雜性和挑戰(zhàn)性，項目設計中應注重情境整合重構(gòu)、刪繁就簡，剝離與學生知識和能力要求相差甚遠的內(nèi)容并進行理論抽提，抽提出復分解反應與質(zhì)量守恒定律、燃料及其利用、反沖運動與牛頓第三定律等物理、化學學科核心知識，通過“四段進階式”任務驅(qū)動，引領學生從“掌握單一學科知識”走向“構(gòu)建結(jié)構(gòu)化、網(wǎng)絡化的認知系統(tǒng)”，發(fā)揮多學科協(xié)同育人功能［6～8］。“探尋火箭發(fā)射的奧秘”項目構(gòu)建流程如圖2所示。1.3

基于STEM理念的項目學習目標初中生的抽象邏輯思維處于由“經(jīng)驗型”向“理論型”的轉(zhuǎn)化階段，初中三年級處于辯證邏輯思維迅速發(fā)展的轉(zhuǎn)折期，因此該項目的教學重點放在模擬火箭動力系統(tǒng)設計上，通過動力系統(tǒng)的構(gòu)建有助于發(fā)展學生的批判性思維?？紤]到真實火箭涉及的原理較為復雜，結(jié)合初三學生的認知結(jié)構(gòu)和心理特征，在設計項目時把重點放在學生運用所學知識進行一級動力系統(tǒng)設計上?；赟TEM教育的四個維度構(gòu)建項目學習目標，詳見表1。1.4

指向素養(yǎng)發(fā)展的項目教學思路該項目包括導引課（探究火箭原理和再探火箭燃料）、探究課（模擬火箭設計和制作）和展示課（成果展示與評價）三種課型，共4課時。具體教學思路如圖3所示。2

基于STEM理念的項目實施過程2.1

項目準備［前置任務］課前查閱火箭的發(fā)展史等相關(guān)資料。［問題提綱］（1）你了解中國火箭的發(fā)展史嗎？（2）火箭的主要類型有哪些？（3）火箭的基本結(jié)構(gòu)分為哪幾部分？各部分的功能是什么？設計意圖：通過前置任務驅(qū)動和開放性問題導引，引領學生自主學習相關(guān)資料，旨在明確學習主題，激發(fā)學習心向，提升信息加工處理能力，增強國家認同感。2.2

項目開展2.2.1

任務一：探究火箭原理［教師］依據(jù)課前的問題提綱，匯報交流學習成果。［展示交流］學生分組匯報交流學習成果。［情境引入］組織學生觀看視頻《100秒看完中國航天發(fā)展史》。［項目主題確定］探尋火箭發(fā)射的奧秘。設計意圖：通過自主學習成果匯報把真實情境帶入課堂，充分展示航天的魅力和中國航天事業(yè)的偉大成就，引出項目主題，激發(fā)學生的愛國情懷和探究欲望。［導引問題］火箭的工作原理是什么？［教學情境］古代火箭“霹靂炮”“火流星”和現(xiàn)代“探空火箭”“運載火箭”等典型火箭介紹。［交流討論］對上述火箭進行分析比較并歸納總結(jié)火箭的工作原理。［任務驅(qū)動］分組設計火箭模型圖。［小組代表1］展示交流現(xiàn)代火箭的模型圖及工作原理（如圖4所示）。［評價］診斷和評價學生基于事實的證據(jù)推理和模型建構(gòu)能力，培養(yǎng)學生的科學思維和創(chuàng)新意識。2.2.2

任務二：再探火箭燃料（推進劑）［導引問題］常見的火箭燃料有哪些？［情境素材］《中國長征系列火箭燃料揭秘》。［小組代表2］介紹冷藏液氧液氫、液氧煤油以及偏二甲肼（C2H8N2）和四氧化二氮（N2O4）等火箭燃料。［導引問題］為什么液氧液氫燃燒無污染，但是現(xiàn)在一般是使用液氧煤油作為燃料？［分組匯報］三大化石燃料（第一組）、氫能（第二組）、乙醇燃料（第三組）的開發(fā)、利用及對環(huán)境的影響。［評價］綜合考慮燃燒效率、經(jīng)濟成本、環(huán)境影響等諸多因素，辯證思考能源的開發(fā)和利用。設計意圖：引導學生通過閱讀材料，學會從化學視角提取信息，在獲取信息和思考總結(jié)中形成質(zhì)疑和批判能力，在評價燃料的過程中實現(xiàn)社會參與感的涵育，發(fā)展其辯證唯物主義世界觀。2.2.3

任務三：模擬火箭設計和制作［團隊建設］組建“火火箭”隊、“氣火箭”隊和“水火箭”隊，探究模擬火箭的設計和發(fā)射。下面以“成果交流與展示”環(huán)節(jié)為例進行闡述。案例1：“火火箭”展示交流［“火火箭”隊代表］“火火箭”的實驗裝置如圖5所示，操作方法如下：在礦泉水瓶下端的瓶蓋中間鉆出一個孔，往礦泉水瓶噴消毒酒精2～4次，旋好瓶蓋，將瓶子置于鐵架臺的鐵圈中，打火機點燃木棍，將燃著的木棍移近小孔處，點燃發(fā)射火箭。最初設計的是無尾翼和頭錐的火箭模型（圖5a），測試射程為3.9m。經(jīng)查閱資料發(fā)現(xiàn)流線型的物體飛行時能減少阻力，一次改進后形成有尾翼、無頭錐的火箭模型（圖5b），射程可達5.7m，后經(jīng)進一步優(yōu)化，獲得有尾翼和頭錐的火箭成品（圖5c），射程達6.3m。［導引問題］（1）選擇酒精作為“火火箭”燃料的依據(jù)是什么？（2）從物理學受力分析的角度作圖分析“火火箭”升空的動力。（3）基于上述的受力分析，結(jié)合物理和化學知識分析“火火箭”的發(fā)射原理，并寫出相應的化學方程式。（4）分析“火火箭”技術(shù)改進的思路。［評價］綜合分析氫氣、乙醇等生活中常見燃料的反應原理、獲取方法、安全系數(shù)、經(jīng)濟成本等，選擇合適的燃料（酒精），發(fā)展工程思維和創(chuàng)新能力；結(jié)合靜止和飛行狀態(tài)“火火箭”的受力情況，綜合分析“火火箭”的發(fā)射原理，評價和發(fā)展學生綜合應用物理和化學學科知識解決真實問題的能力。設計意圖：引導學生應用“物質(zhì)燃燒”相關(guān)物理和化學知識以及燃燒后氣體的膨脹和做功原理，設計合理的實驗方案并完成“火火箭”的制作和發(fā)射，利用工程學思維對產(chǎn)品進行優(yōu)化改進，逐步形成工業(yè)生產(chǎn)的思維模型：建構(gòu)基礎模型——設計實驗方案——開展科學探究——改進技術(shù)裝置——形成項目產(chǎn)品，實現(xiàn)教學內(nèi)容結(jié)構(gòu)化，學生思維顯性化。案例2：“氣火箭”展示交流［導引問題］除了燃燒外，還可以通過什么方式為火箭提供動力？［“氣火箭”隊代表1］還可以通過化學反應生成氣體的方式為火箭提供動力制作“氣火箭”。已學過實驗室制氣體的方法有過氧化氫分解制氧氣法、大理石和稀鹽酸制二氧化碳法、稀硫酸和鋅粒制氫氣法等，本組選擇小蘇打與食醋作為反應物。［導引問題］“氣火箭”的實驗體系是如何構(gòu)建的，哪些因素會影響“氣火箭”飛行的高度？［“氣火箭”隊代表1］稀硫酸和鋅粒可產(chǎn)生氫氣，但通過查閱資料了解到氫氣爆炸極限在4%～75%，容易產(chǎn)生危險。硫酸和鹽酸具有腐蝕性，實驗操作不安全故排除。首先嘗試用過氧化氫溶液（30%）作反應物，碘化鉀作催化劑，但由于反應放出大量的熱，火箭的底座（塑料）被燒毀；后來通過調(diào)整過氧化氫的濃度、用量以及催化劑的種類和用量，發(fā)現(xiàn)火箭要么飛不起來，要么底座被燒毀，實驗條件較難控制。由此可見，真實情境是復雜的，應綜合考慮多方面的因素。通過查閱資料和小組研討，最終選擇生活中常見物質(zhì)（碳酸鈣、蘇打和小蘇打）分別與食醋（5g/100mL）反應，并通過平行實驗控制變量法探究最佳實驗條件。“氣火箭”的實驗裝置如圖6所示。［平行實驗一］探究物質(zhì)的性質(zhì)對反應的影響：取1g碳酸鈣、蘇打和小蘇打粉末，分別與一定量的食醋反應，實驗結(jié)果表明碳酸鈣、蘇打和食醋反應，動力不足，無法使箭體起飛，而小蘇打粉末和食醋反應可以使箭體起飛。因此，選擇小蘇打和食醋作為反應物。［導引問題］為什么上述實驗小蘇打與食醋反應可以使箭體起飛，而碳酸鈣或蘇打與食醋反應無法使箭體起飛？請寫出相關(guān)的化學方程式。［思維進階］上述碳酸鈣或蘇打粉末與食醋反應無法使火箭起飛，有沒有其他的優(yōu)化方案？［“氣火箭”隊代表2］通過增加碳酸鈣或蘇打的用量（2g），提高醋酸的濃度（30%乙酸），可以推動火箭發(fā)射，飛行高度分別為5m和7m。［評價］通過生活中常見的鹽與酸的反應，了解學生對“鹽的性質(zhì)”“復分解反應”“質(zhì)量守恒定律”和“反應物用量對反應的影響”等化學核心知識的掌握情況，選擇合適的物質(zhì)作為反應物。［平行實驗二］探究物質(zhì)狀態(tài)對反應的影響：取等量的小蘇打粉末和小蘇打片分別與足量食醋反應，實驗結(jié)果表明，小蘇打粉末作為反應物，“氣火箭”的飛行高度優(yōu)于小蘇打片。［評價］通過不同狀態(tài)物質(zhì)與酸的反應，了解學生對影響化學反應速率因素的掌握情況。［平行實驗三］探究反應物用量對反應的影響：通過控制食醋和小蘇打粉末的用量進行平行實驗，得出最佳的反應物料比。反應物用量對實驗結(jié)果的影響如表2所示，當小蘇打粉末的質(zhì)量為2.0g，食醋的體積為24mL時，火箭的最大飛行高度可達12m。［思維進階］學生依據(jù)之前所學知識猜想反應物用量越大，反應速率越快，火箭應飛得越高。實驗結(jié)果與預期不符，隨著反應物用量的增加，火箭的射程先增大后減小，引發(fā)學生的認知沖突。教師應把握最佳教學時機，引導學生基于科研事實進行知識拓展和深度研討，拓寬學生知識面的同時，培養(yǎng)學生的質(zhì)疑精神和批判能力。［知識拓展］根據(jù)齊奧爾科夫斯基火箭方程，火箭的推進速度為ΔV=ωlnm0m1（ω是噴氣速度，m0和m1分別為飛行器加速前后的質(zhì)量）。真實火箭的飛行距離，與質(zhì)量差有關(guān)，而“氣火箭”中的液體倒入箭體中，箭體飛行時液體來不及排出，其質(zhì)量差較小會影響飛行高度。［評價］通過控制變量法調(diào)整反應物的種類、用量和狀態(tài)等，了解學生對影響化學反應速率因素的掌握情況。通過模擬火箭發(fā)射比賽，評價項目產(chǎn)品。設計意圖：通過“氣火箭”的設計和制作，有效統(tǒng)整化學反應原理、物理運動學、數(shù)據(jù)分析等多學科知識。通過平行實驗控制變量法，加深學生對影響化學反應速率因素的理解，引導學生掌握科學的學習方法，當結(jié)果與假設有出入時，學會通過實證研究和邏輯推理不斷豐富和完善認知體系，形成基于陌生復雜情境的問題解決思維模型，實現(xiàn)對現(xiàn)實世界的系統(tǒng)思考和整體把握。案例3：“水火箭”展示交流［導引問題］以上兩個案例是通過什么方法為火箭提供動力的，還有沒有其他方法可以推動火箭發(fā)射？［學生回答］前面兩個例子主要是通過化學反應為火箭提供動力，還可以通過物理方法推動火箭發(fā)射。［“水火箭”隊代表］展示交流“水火箭”的實驗裝置（圖7）和操作方法：將頭錐、發(fā)射塔、尾翼（4片）、打氣筒、500毫升可樂瓶（2個）、用膠帶和貼紙按圖7方法粘貼組裝。往火箭體（完整可樂瓶）中加水，旋好噴嘴，將裝置與發(fā)射塔連接，打氣至無法再充氣，按下手控發(fā)射把手即可發(fā)射，最大射程約可達100m，需在空曠安全的場所進行試驗。［導引問題］（1）“水火箭”的發(fā)射原理是什么？（2）影響“水火箭”射程的因素有哪些？［評價］通過壓強變化、氣體做功、反沖作用等原理分析，了解學生對力的沖量、牛頓第三定律以及動量守恒定律等核心知識的認知水平。從工程學的角度對“水火箭”的設計（包括箭頭、箭身、尾翼、配重、動力系統(tǒng)）進行評價。運用受力分析、力的沖量計算、動量守恒定律等知識，從理論上進行分析，并通過控制變量法探究最佳實驗條件，開展游戲比賽強化項目體驗。設計意圖：“水火箭”的制作和發(fā)射涉及工程、物理、數(shù)學等多領域知識，有效鏈接初高中的知識體系，發(fā)展跨學科、跨學段綜合素養(yǎng)。在“水火箭”項目實施過程中，學生根據(jù)工程原理完成“水火箭”箭體的組建，提升實踐動手能力，合作完成“水火箭”的調(diào)試和發(fā)射，培養(yǎng)團隊協(xié)作精神，引領學生體驗和感受火箭升空的魅力以及中國航天事業(yè)的偉大成就，激發(fā)學生對科研的向往和對祖國的熱愛。2.3

項目評價任務四：項目成果展示與評價［導引問題］通過項目活動你有什么感受和收獲？請從科學性、創(chuàng)新性、可操作性、趣味性和安全性等維度對產(chǎn)品進行評價。［分享交流］在學生自評和小組互評的基礎上，教師進行綜合性評價，師生共同評選出“明星火箭”。評價結(jié)果見表3。設計意圖：引導學生綜合運用多學科知識將科學探究和問題解決成果轉(zhuǎn)化為項目產(chǎn)品，強化學科認知和項目體驗。教師根據(jù)學生回答問題、實踐操作及成果匯報等情況將過程評價和綜合評價有機結(jié)合，師生協(xié)同完成基于學生自評、小組互評和教師評價的多元化評價表，著力建構(gòu)評價角度多維、評價主體多元、評價過程多段、評價模式多樣的評價體系，促使核心素養(yǎng)具象化。3

項目反思跨學科項目式學習不是簡單的學科知識拼湊，在實際教學過程中容易出現(xiàn)主體不明確、目標不清晰、內(nèi)容“拼盤化”等問題。教師應注重多學科知識、方法和思想的融合貫通，形成超越學科的邏輯體系，引領學生像科學家一樣做研究，像工程師一樣做設計［9］。下面談幾點教學建議［9］：（1）堅定學科“立足點”，實現(xiàn)“跨中有核”。教師要正確理解學科知識與其他學科知識之間的關(guān)系，跨學科不等同于無學科邊界?？鐚W科項目式學習應立足學科本位，在此基礎上最大限度地挖掘和整合課程資源，引導學科教學縱深發(fā)展的同時，促使多學科知識橫向配合，形成大概念統(tǒng)攝下的整體理解和系統(tǒng)思維，真正做到基于學科又超越學科。（2）找準學科“鏈接點”，實現(xiàn)“跨中有聯(lián)”。真實世界是多維、立體、復雜的，跨學科項目式學習是基于真實問題解