基于STEM理念的研究性学习设计

张世勇 彭雪丽 钟辉生

摘要：基于STEM理念的研究性学习按照“确立课题，激活旧知”“项目探究，知识拓展”“项目实施，产品制作”“知识整合，作品设计”四项流程展开。以“乙醇”为例，围绕“乙醇相关基础知识”“白葡萄酒的检测”“白葡萄酒的酿造”“设计一座酒庄”四项活动实施，培养学生运用化学、数学、生物、地理、环境学、工程学等相关知识分析问题、解决问题能力，为基于STEM理念的研究性学习实施提供参考。

关键词：STEM理念;研究性学习;核心素养;乙醇

文章编号：1008-0546（2020）08-0067-06

中图分类号：C632.41

文献标识码：B

doi： 10.3969/j.issn. 1008-0546.2020.08.019

STEM理念是科学（Science）、技术（Technology）、工程（Engineering）和数学（Mathematics）教育理念的简称，该理念旨将多门学科交叉融合成有机整体，促进学生获取知识与技能的同时，提升应用知识解决问题的实践能力和创新意识，形成STEM综合素养[1]。21世纪以来，以美国、英国、德国为代表的发达国家，都从国家战略高度制定了基于STEM的教育政策与措施。现今STEM教育在我国也进入蓬勃发展阶段。但目前，我国仍然缺少有关STEM教育国家战略高度的顶层设计，没有专门设置STEM中学课程[2]。借鉴STEM教育已取得的成果[3]，将STEM理念与基础教育新课程改革倡导的研究性学习相结合进行探索，为化学新课程的推动实施提供参考。

一、STEM理念下的研究性学习概述

研究性学习是在类似“科学研究”情境中和教师指导下，学生从社会生活自主挖掘研究问题、合作探究解决问题的过程中获取新知并运用于实际问题[4]。STEM研究性学习活动以科学、技术、工程、数学知识为基础，以项目和问题为主线进行。研究性学习的一般流程是：确立研究课题一设计实验活动方案一讨论优选实验方案一实验探究一确定结论。为了更好地将多门跨学科知识融人真实问题情境，解决现实问题，故将STEM研究性学习操作流程定为：“确立课题，激活旧知”“项目探究，知识拓展”“项目实施，产品制作”“知识整合，作品设计”四阶段，如图1所示：

1.确立研究课题：STEM教育以跨学科知识为载体，以科学知识、实践技术、工程活动和数学运算为项目研究性学习的核心。教师通过创设情境，引发学生思考并提出问题，从而确立研究的课题。此阶段注重学生已有知识经验、引导学生回忆旧知，为后续项目活动提供基础，启发学生积极思考并发现问题，调动研究兴趣，激发学习动机。

2.项目探究，知识拓展：进一步深入主题探究，拓展相关知识，为后续项目活动提供理论基础。教师需要循序渐进引导学生思路、提供拓展知识材料，学生依据探究目的设计方案步骤。此阶段注重对跨学科知识进行重组与运用。

3.项目实施，产品制作：该环节是STEM研究性学习的重要组成部分。在教师的指导下，学生自主有序地实施项目方案，运用科学、技术、工程和数学知识完成项目任务，注重培养学生研究问题能力，实践动手技术。

4.知识整合，作品设计：STEM注重四门学科的交叉融合，在项目探究结束后，教师组织学生进行交流、发表、总结，学生将知识进行内化迁移，融会贯通。该阶段注重对新知进行总结与整合，使知识真正地内化，能够迁移到现实生活中解决问题。

二、“乙醇”教学设计案例

1.学情分析

“乙醇”是高中化学必修课程中概念原理类的内容，是高一年级学生所要学习的重点知识，本案例将乙醇与项目实践相结合，在巩固有机化学知识的同时，提升学生多方面素质能力。本课题适用于学习完新教材《必修二》有机化合物章节过后的学生，此时学生已经初步掌握烷烃、烯烃、醇、醛、酸、酯等有机物知识和一些基本化学操作，但还缺乏独立进行方案设计和项目研究的实践经历，因此需要在教师指导下完成本次项目探究活动。

2.活动设计

（1）活动设计思路

本项目研究性学习活动流程设计围绕“化学知识线”“问题线”“项目流程线”“学生主体线”而展开，切实体现STEM研究性学习的核心：以项目问题为主线，又突出学生主体性、尊重学生兴趣、提供开放空间、强调师生共同发展。具体活动设计思路见图2。

（2）活动设计说明

本项目研究性学习活动知识融合性强，设计实验操作较多，贴近学生实际生活经验，实用性广，切实体现出研究性学习、STEM理念和化学核心素养，具体设计说明如图3所示

3.教学目标与评价分析

高中化学新课程标准中要求课程设置应满足学生多元化发展，课程内容要体现出基础性和时代性，重视以“素养为本”的教学，因此本案例从四个项目内容展开，根据化学学科核心素养的内涵及其发展水平、高中化学课程目标、高中化学课程內容及学业质量要求，结合学生已有经验、对教学目标和教学评价进行整体规划和设计。具体教学目标与教学评价标准，见图4。

4.教学过程

确立课题、激活旧知：乙醇相关基础知识的学习

[教师]播放视频“酒文化”，视频中内容涉及生活中各类酒的简单介绍以及历史由来，激发起学生兴趣，为引导学生回忆旧知识，随后教师抛出一系列乙醇相关问题，见表1。

[学生]根据视频总结酒产地分布特征;自行回忆已经学过有关乙醇的知识，在教师引导下根据结构决定性质，性质决定用途的化学思维，全面整理有关乙醇的知识框架，主要知识内容见表2，以小组为单位进行讨论、分析酒中还有可能存在哪些物质。

[设计意图]提出环环相扣有关“酒”的问题既有助于学生巩固乙醇的性质又有利于激发学生兴趣，同时问题4“酒中还可能存在那些物质？”引发学生深入思考，也为后继探究做准备。该设计由与生活息息相关的“酒”引入学习主题，体现出STEM研究性学习中的情境性。

项目探究、拓展新知：白葡萄酒分析检测

[教师]展示一款白葡萄酒酒，我们应该如何判断这款酒的品质如何？其中含有哪些物质呢？请同学们检验这款酒的理化性质，并根据葡萄酒发酵过程以及所学的有机化合物知识来猜测并验证这瓶白葡萄酒酒中含有哪些物质。

[学生]收集葡萄酒理化指标检验资料，一般葡萄酒理化检验包括酒精度检验、残糖检验、酸度检验等[5]。经过讨论推测葡萄酒发酵过程中存在以下化学变化：淀粉糖化产生葡萄糖，葡萄糖经发酵变为乙醇，醇氧化得到醛最后变成酸，酸可与醇反应生成酯[6]，由此得出葡萄酒中含有醇、醛、酸、酯，经查阅资料得知其中还含有酚类物质。

[学生活动]自行分为两组对白葡萄酒进行理化检测和官能团检测，记录分析数据，得出结论，并反思活动过程中存在的问题，最后对本次活动进行评价。活动实施报告，见表3。

[设计意图]学生自行根据研究兴趣分组，更有利于激发学生主体性;在实验过程中感受化学变化观念与平衡思想;运用研究性学习的方式通过查阅书籍和网络资料，先合理猜测可能具有的物质并设计实验并进行验证，将有机化学知识、实验操作技术、数学计算等多学科融合，在拓展知识的同时解决问题并提升学生综合素质。

项目实施，产品制作：白葡萄酒的酿造

[教师]播放视频“葡萄酒工厂的酿酒操作流程”和“家庭中白葡萄酒酿造方法”激发学生想要自己动手酿造的欲望。

[教师布置任务]我们已近知道了如何检测一款酒的质量，现在假如你是一名酿酒师，你将如何酿造一款品质优良的白葡萄酒呢？要求：酒体澄清，无明显沉淀，有浓郁葡萄酒香气，酒精度在8.5%-15%。

[学生活动]收集资料，设计并优选简洁高效的酿造方案[7]，实施流程见表4。

[教师]对整个酿造过程及成品酒进行综合评价.提出指导意见。

[设计意图]学生通过视频的观看，激发了强烈动手操作的欲望。赋予学生酿酒工程师这一角色体验，置身于真实的社会情境中进行STEM研究性学习，增强了学生对于知识的理解、运用和动手实践能力。

知识整合，作品设计：设计一座酒庄

[教师]同学们酿造出来供大家品尝的红葡萄酒品质非常优秀，大家想不想为更多人送去这份醇香呢？中学生都充满为社会做贡献的雄心，回答是肯定的。

[教师布置任务]请同学们扮演一名酒庄设计师，综合各因素设计一座集生产与旅游于一体的葡萄酒酒庄。

[学生活动]以小组为单位，代人角色综合各方面因素进行设计[8]，实施流程见表5。

[学生]小组之间分享设计成果，进行交流研讨。

[教师]综合评估各小组方案合理性，指导学生进行优化。

[设计意图]引导学生站在全局角度，对科学、技术、工程、数学四科知识进行融合，STEM教育理念下的跨学科合作。

教师组织学生以小组为单位，结合学习过程中的数据、图表、方案等内容以PPT的形式进行成果汇报。汇报内容包括“乙醇相关基础知识”“白葡萄酒的检测”“白葡萄酒的酿造”“葡萄酒庄园设计”。汇报结束后组织学生进行互相评价，评价内容可从“跨学科知识运用”“动手实践”“团结协作”“活动参与度”等多方面展开。最后教师总结评价各小组在项目活动中的表现，对学生的学习成果表示肯定及鼓励。最后，回归“乙醇”主题，表达化学是一门充满神秘色彩、实用性很强的学科，它与社会发展以及人们生活质量的提高有着密切联系，鼓励同学们严谨求实、探索真知、崇尚真理，参与更多与化学有关的社会实践活动。

三、结语

STEM教育作为一种跨学科学习模式在我国仍处于发展探索阶段，STEM研究性学习更是将多学科知识与真实社会问题相结合的创新探索。以“乙醇”为主题展开STEM研究性学习，围绕四项活动为线索，融合化学、数学、生物、地理、环境学等核心知识，运用多媒体技术、实验技术、数学绘图技术、酿造技术、设计原理技术等相关技术手段，培养学生综合考虑问题的全局意识、节约资源的成本意识，可持续发展的责任意识。

STEM研究性学习为向导的跨学科整合项目设计中还存在着一些挑战：一是如何挖掘各学科之间交叉融合内容，这对教师的STEM素养有一定要求;二是如何兼顾学生认知特点与项目活动特点，设计合适难度的主题内容，引起学生探究欲望;三是如何设计支架引导学生挖掘项目中所蕴含的跨学科知识，将STEM研究性学习理念充分融入教学过程;四是如何设计科学有效的评估体系对教学过程进行全面评估[9]。

参考文献

[1]吴晓红，田小兰，蒋思雪.以培养学生STEM素养为目标的项目化学习设计——以“爱护水资源为例”[J].化学教学，2017（12）：38-43

[2] 中国教育科学研究院.中国STEM教育白皮书.[EB/OL].http： //www.ict.edu.e n/uploadfile/2018/05 07/201805 07033914363.pdf，2017-06-20

[3]周礼，章亚楠，朱悦卫，肖多闻，周青，李高峰.基于STEM理念的校本课程——以制作“天气瓶”为例[J].化学教学，2016（ 10）：12-15

[4]黄璨，张世勇l]用化学网络教育资源开展化学研究性学习[J].天津师范大学学报（基础教育版），2006（3）：69-72

[5]刘伟，钟奇，付伟，罗玲，刘旭，张鸿.海拔對美乐和赤霞珠葡萄酒中酚类物质含量、抗氧化活性及酯类香气成分的影响[Jl.食品工业科技，2018，39（20）：47-54

[6]马声秀，闫春更，秦璐，周宝石，周青.基于PBL理念的“甜酒制作”STEM活动设计[J].化学教与学，2019（8）：72-76

[7]张如意.新疆玛纳斯产区小芒森和贵人香混酿干白葡萄酒加工工艺及香气成分分析[D].石河子：石河子大学，2019

[8]李俊菊，白晓娟.葡萄酒庄休闲旅游游憩地点开发因素的分析研究[J].酿酒科技，2019（9）：117-121，125

[9]卢苗苗，郑雅君，占小红.STEM教育理念在高中有机化学教学中的渗透——以“柠檬精油的提取工艺”为例[J].化学教学，2018（7）：45-50

本文系江西省高等学校教学改革研究课题“化学师范生实验创新能力培养的研究与实践”（JXJC-17-14-24），江西省学位与研究生教育教学改革研究项目“核心素养导向下教育硕士教学实践创新能力培养研究”（JXYJC-2018-160）的阶段性研究成果。