基于STEM理念的高中化学项目化学习——以“简单燃料电池的制作与原理循证”为例.pdf
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1、第2 2卷第2期2 0 2 3年6月 淮阴师范学院学报(自然科学版)J OUR NA LO FHUA I Y I NT E A C HE R SC O L L E G E(NA TUR A LS C I E N C EE D I T I ON)V o l.2 2 N o.2J u n.2 0 2 3 基于S T EM理念的高中化学项目化学习 以“简单燃料电池的制作与原理循证”为例陈 静,朱 征,张玉娟(南京外国语学校,江苏 南京 2 1 0 0 0 8)摘 要:基于S T EM理念,围绕“简单燃料电池的制作与原理循证”的高中化学项目,从“聚焦高中化学核心知识”“注重跨学科的交叉融合”“开展持续
2、、多元的学习活动”“形成公开的项目成果”四个方面探讨了项目化学习的实施,旨在帮助学生建立对电化学过程的系统分析思路,促进化学学科核心素养和跨学科素养的融合发展。关键词:S T EM理念;项目化学习;燃料电池;原理循证中图分类号:G 6 3 3.8 文献标识码:A 文章编号:1 6 7 1-6 8 7 6(2 0 2 3)0 2-0 1 6 7-0 3 收稿日期:2 0 2 2-1 2-1 9 基金项目:江苏省中小学教学研究2 0 1 9年度第十三期重点资助课题“S T EM视域下高中化学项目化学习设计的实践研究”(2 0 1 9 J K 1 3-Z A 0 1);2 0 2 0年度江苏省基础教
3、 育前瞻性教学改 革实验项目“指向复合 型创新人才培 养的S T EM+教 育 实 践 探 索”(2 0 2 0 J S Q Z 0 1 3 7)通信作者:陈静,中学高级教师,硕士,主要从事化学教学研究。普通高中化学课程标准(2 0 1 7年版2 0 2 0年修订)(以下简称新课标)倡导创设真实且富有价值的问题情境,合理选择和组织化学教学内容,重视跨学科内容主题的选择和组织,加强化学与其他学科的联系,帮助学生拓宽视野,开阔思路1。本文尝试开展基于S T EM理念的“简单燃料电池的制作与原理循证”的项目化学习,综合运用多学科知识和技能完成项目任务,以促进学生化学学科核心素养和跨学科素养的融合发展
4、。1基于S T EM理念的项目化学习概述S T EM表示科学(S c i e n c e)、技术(T e c h n o l o-g y)、工程(E n g i n e e r i n g)和数学(M a t h e m a t i c s)。近些年来,S T EM教育迅猛发展,以科学技术为路径、实现跨学科融合为特征,关注最新技术及其实践应用,综合运用多学科知识解决实际问题2。项目化学习(又称项目式学习)是一种以建构主义理论为指导的学习方式,以学生小组合作方式开展,进行项目规划、解决项目任务并形成公开成果3-4。基于S T EM理念的项目化学习以项目化学习作为教学框架,引导学生运用科学、技术、
5、工程、数学等多学科的知识和技能,进行跨学科整合,解决真实的、有挑战性的项目任务,更好地理解知识学习与实际应用之间的联系,提升学生的问题解决能力、创新能力和团队合作能力等5-6。2基于S T EM理念的项目化学习实施2.1聚焦高中化学核心知识新课标“内容要求”指出“认识化学能与电能相互转化的实际意义及其重要应用;了解原电池及常见化学电源的工作原理”,并将制作简单的燃料电池确定为学生必做实验1。新课标还设置了不同等级的学业质量标准,“能与同伴合作进行实验探究”“能设计实验方案探究物质和能量的转化”等。这一系列具体的要求充分表明了原电池是高中化学核心知识,也显示了高水平的实验探究活动在该教学中的重要
6、作用。在高中化学学习过程中,学生对原电池的工作原理以及电化学系统的基本要素(电极反应、电极材料、离子导体、电子导体)往往会存在偏差认识,缺乏分析电化学问题的合理思路7。本项目化学习旨在转变学生的偏差认识,帮助学生理解原电池的工作原理、构建电化学认知模型以及建立分析电化学问题的合理思路。例如,某学生小组设计如下实验方案探究氢氧燃料 电 池 的 工 作 原 理:向 三 颈 烧 瓶 内 注 入0.5 m o l/LN a2S O4溶液,以两根石墨棒作为工作电极,先接通直流电源电解一段时间。再断开直流电源,生成的H2和O2组成燃料电池驱动小风扇。利用氧气传感器测得正极附近O2浓度减小,利用p H计测得
7、负极附近溶液中H+浓度增大。通过宏、微观结合分析燃料电池工作过程,学生可判断出负极附近的H2失去电子成为H+进入溶液,电子由负极通过导线流向正极,正极附近的O2获得电子生成H2O,氢氧燃料电池产生了电流,小风扇转动起来。基于证据分析推理,学生厘清了电化学系统的基本要素,深入理解了原电池的工作原理,构建了电化学认知模型,建立了对电化学过程的系统分析思路。2.2注重跨学科的交叉融合本项目化学习是一个跨学科的项目化学习主题,包含了丰富的多学科知识(见表1)。本项目化学习基于S T EM教育理念,以学生学科核心素养和跨学科素养的融合发展为导向,通过简单燃料电池的制作与原理循证,理解原电池的工作原理,提
8、高学生对电化学本质的认识。在项目化学习过程中,注重跨学科的交叉融合,结合物理学规律,运用传感器等技术手段,并辅以数据分析、图表绘制等数学方法,综合运用工程思维,最终完成项目任务。表1 项目化学习的S T EM理念支持高中化学学科核心知识跨学科知识科学与工程学实践化学能与电能的相互转化、自发的氧化还原反应、原电池的电极反应及离子的移动方向、原电池的基本要素、原电池认知模型物理:左手定则 判断运动电荷在磁场中受到洛伦兹力数学:数据分析、图表绘制技术:实验操作技能、使用传感器艺术:探究实验装置体现设计与审美制作简单的燃料电池、实验装置的创新设计、实验探究离子的移动方向、绘制原电池认知模型图 例如,学
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