化學工程思維培養教學設計研究

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工程思維是在工程的設計、研究和實踐過程中形成的思維，其關鍵是運用各種知識及方式解決現實中的問題，具有實踐性、設計性、構建性的特點[1]。在國家實施“中國制造2025”背景下，教育界也越來越重視培養學生的工程思維。教育部2016年發布的《中國學生發展核心素養》把實踐創新確定為中國學生發展的核心素養之一，工程思維是實踐創新的重要內容[2]。國內針對工程思維培養的研究大多基于高等教育階段的工程類課程，但基礎教育中開展工程思維能力的培養并不多見[3]，這主要是因為缺少培養工程思維的課程載體。STEM教育（Science，Technology，Engineering，Math?ematics）則是一種跨學科融合的教育，學生應用科學、技術、工程、數學等學科知識，以真實問題和建造產品為驅動，在工程實踐中創新性地解決實際問題。STEM教育具有實踐性、綜合性和開放性的特點，是培養工程思維的有效載體。學生在解決現實問題、開展工程設計和制造產品等活動中，能夠實現培養工程思維的目標[4]。當前我國新課標要求在教學中提升化學學科核心素養，STEM教育理念與化學課程結合，正是提升核心素養的有力途徑。在初中教學中，化學課程內容豐富，其中不乏諸多有趣的實驗，且初中化學所學內容大多與生活息息相關，有許多值得探究的問題，就STEM理念本身特性而言，正是需要由問題引領。因此，化學教學中實驗部分和STEM理念擁有可以結合的基礎[5]。本文探討了STEM理念與初中化學結合的合理性和有效性，并提供教學方案，為教師教學提供參考，培養適應信息化時代的學習者[6]。

1STEM

教育理念下初中化學教學的界說STEM教育由科學、技術、工程和數學四門學科融合而成，注重分享，強調讓學生在這一過程中獲得多元化的體驗，通過創造的過程有所收獲[7]。化學是一門以實驗為基礎的自然科學學科，其中科學知識在生活的各方各面都有跡可循，此為“科學”的體現。生活日常和化學實驗室進行實驗都要運用技術知識，此為“技術”的體現。數學是定量分析工具，化學學習對數學知識和思維有需要，此為“數學”的體現。工程是STEM教育的跨學科、綜合性的集中體現，是將其他元素綜合運用的渠道，中學化學教學中，儀器創新、小組分工都是“工程”的體現。STEM教育的四大學科在現實教學中被整合成了完整的知識體系，具有系統性，與化學教學相結合具有合理性。2014年以前，教育工作者對STEM教育關注極少，2014年以后有關研究逐年遞增，《教育信息化“十三五”規劃》與《小學科學課程標準》都曾提出過相關建議[6，8]。在“教育信息化2.0”的進程中，新課標明確要求提升化學學科核心素養，初中化學教學中的實驗是STEM教育理念的落腳點，若能結合運用，對提升素養大有裨益[9]。

2STEM教育中化學工程思維培養的教學設計

通過對STEM教育理念在初中化學教學中應用的剖析，結合資料文獻和案例分析，綜合學習及實習的實踐經驗，根據當前中學生的特點及初中化學教學實況，以“燃燒和滅火”為例，開展課程設計，培養學生的化學工程思維。

2.1教學專題價值

實驗是化學學科的基本要素，是與STEM教育理念協同融合的切入點。本節教學過程中，對于計算、實驗設計和實驗操作都有所要求，STEM教育理念適用于本節課程。

2.2教學設計

2.2.1教材分析本節課選自人教版初中化學教材上冊第七單元，包括燃燒的條件、滅火原理等。通過燃燒現象，對燃燒進行深入探究，得到滅火原理。本節旨在深化已學概念，對后續學習物質反應能量變化構建基礎。本課時主要通過探究滅火原理，讓學生結合所學知識進行滅火器的設計。本節課的知識地圖分析如表1所示。2.2.2學情分析（1）學習者知識起點分析：通過日常生活及此前學習，學生已知燃燒基本概念及簡單計算，但對控制變量等科學思想有待加強。（2）學習者技能起點分析：學生已具備基礎實驗技能，能嘗試自主設計探究方案，具備一定的分工合作和工程設計能力，總結歸納能力仍需鍛煉。（3）學習者心理起點分析：初中學生對實驗充滿興趣，實驗可提高學習積極性。2.2.3教學目標（1）了解燃燒條件的宏觀現象，探究其中化學原理，知道構成燃燒的要素。（2）了解燃燒的化學變化，知道涉及的相關反應原理及實驗現象，能夠構建模型解釋可燃物燃燒的相關條件及現象。（3）通過完成學習任務、制作滅火器的過程，知道如何使用相關裝置，進一步加強數學等跨學科知識的掌握，激發對科學探究的興趣，提高小組合作和工程設計能力。（4）體會化學學科知識在生活中的作用，加深對化學的學習興趣，培養利用化學為社會作貢獻的意識，激發關注社會的責任感。2.2.4教學重難點教學重點：燃燒的條件、可燃物和著火點的概念、滅火原理。教學難點：理解滅火原理，并運用原理進行滅火器設計。2.2.5教學方法問題—探究法、討論法。2.2.6教學準備課本實驗及創新實驗的相關儀器藥品。2.2.7教學過程（表2）2.2.8板書設計（圖1）2.2.9教學反思本節課突出學習者的主體地位，注重學生自主意識，將STEM教育理念注入傳統教學。通過小組合作，激發學生學習積極性，培養化學工程思維，在實踐中感受新知。多主體、多元素、多角度、多元化的點評也讓課堂更加飽滿立體。

3結束語

通過對比國內外研究現狀、分析文獻資料、剖析教學案例等方式，對STEM教育特點、意義及在我國初中化學教學領域實施的背景進行分析，并進行教學設計，提供可參考方案，以促進理論與實踐結合的發展。通過STEM教育理念下化學工程思維培養的教學設計，有利于提升學生研究實踐和綜合思維能力，充分體現學生的主體地位，增加自我效能感。

作者：袁立麗 胡月 葛妤 羅發寶 單位：合肥師范學院 化學與化學工程學院