STEM视域下初中化学跨学科项目式学习实践研究

STEM视域下初中化学跨学科项目式学习实践研究

在STEM教育理念的指导下，以"探寻火箭发射的奥秘"为主题，本文详细介绍了初中化学跨学科项目式学习的实践研究。通过四个子任务驱动，引导学生运用多学科知识设计和制作模拟火箭，有效提升学生的综合素养，实现跨学科协同育人。

项目背景与意义

《义务教育课程方案（2022年版）》明确提出"各门课程用不少于10%的课时设计跨学科主题学习"，这是新一轮课程改革的重要内容之一。《义务教育化学课程标准（2022年版）》强调初中化学教学应注重创设真实问题情境，倡导开展项目式学习，重视跨学科实践活动。STEM教育是一种通过整合科学（Science）、技术（Technology）、工程（Engineer）和数学（Mathematics）领域内容指引教学和学习的途径和方法，其重视各学科之间的交叉渗透，旨在提升学生的实践应用能力及迁移创新能力，与新课标的指导思想相契合。项目式学习是实现STEM教育理念的一种有效教学模式，融合STEM理念的项目式学习通过创设真实的工程情境，引导学生动手实践操作，应用科学知识解决问题，依托技术达成目标，培养解决真实复杂问题的关键能力和必备品格。

近年来，中国航天事业取得了举世瞩目的成就，引发世界关注。航天事业的发展离不开物理、化学、数学等多学科的协同发展，本文以"探寻火箭发射的奥秘"为主题，探索一种关乎知识世界、生活世界与个体世界的整体性学习。

基于STEM理念的项目研发

项目主题遴选

物质的变化与性质、燃料及其利用以及牛顿第三定律是初中生学习的重难点，学生对于化学反应原理以及反应体系中的多因素分析缺乏结构化认知思路，信息加工处理能力不强，面对整体的生活场域未能形成独立的系统性思维。基于学生对物质的变化和燃料的了解，以"探寻火箭发射的奥秘"为主题开展跨学科项目式学习，既符合新课标的要求，又突出教学的重难点，同时贴合学生的生活经验，有助于培育学生的航天精神和社会责任感，实现教书与育人相统一。从课程标准的维度看，该项目内容有效链接主题1（科学探究与化学实验）、主题2（物质的性质与应用）、主题4（物质的化学变化）以及主题5（化学与社会·跨学科实践）。从学科内容的维度看，该项目式学习内容整合了人教版九年级化学上册物质的变化与性质、物质的燃烧、燃料能源和生活中常见的盐等化学知识，同时融合了牛顿第三定律、反冲运动、气体压强等物理知识以及行程测算、数据处理、图表分析等数学知识。项目设计如图1所示。

理论抽提和任务分解

现实世界中的问题往往具有复杂性和挑战性，项目设计中应注重情境整合重构、删繁就简，剥离与学生知识和能力要求相差甚远的内容并进行理论抽提，抽提出复分解反应与质量守恒定律、燃料及其利用、反冲运动与牛顿第三定律等物理、化学学科核心知识，通过"四段进阶式"任务驱动，引领学生从"掌握单一学科知识"走向"构建结构化、网络化的认知系统"，发挥多学科协同育人功能。"探寻火箭发射的奥秘"项目构建流程如图2所示。

项目学习目标

初中生的抽象逻辑思维处于由"经验型"向"理论型"的转化阶段，初中三年级处于辩证逻辑思维迅速发展的转折期，因此该项目的教学重点放在模拟火箭动力系统设计上，通过动力系统的构建有助于发展学生的批判性思维。考虑到真实火箭涉及的原理较为复杂，结合初三学生的认知结构和心理特征，在设计项目时把重点放在学生运用所学知识进行一级动力系统设计上。基于STEM教育的四个维度构建项目学习目标，详见表1。

教学思路

该项目包括导引课（探究火箭原理和再探火箭燃料）、探究课（模拟火箭设计和制作）和展示课（成果展示与评价）三种课型，共4课时。具体教学思路如图3所示。

基于STEM理念的项目实施过程

项目准备

前置任务：课前查阅火箭的发展史等相关资料。

问题提纲：

1. 你了解中国火箭的发展史吗？
2. 火箭的主要类型有哪些？
3. 火箭的基本结构分为哪几部分？各部分的功能是什么？

设计意图：通过前置任务驱动和开放性问题导引，引领学生自主学习相关资料，旨在明确学习主题，激发学习心向，提升信息加工处理能力，增强国家认同感。

项目开展

任务一：探究火箭原理

教师依据课前的问题提纲，组织学生汇报交流学习成果。通过观看视频《100秒看完中国航天发展史》，引出项目主题"探寻火箭发射的奥秘"。通过分析古代火箭"霹雳炮""火流星"和现代"探空火箭""运载火箭"等典型火箭的工作原理，引导学生分组设计火箭模型图，并进行展示交流。通过评价诊断和评价学生基于事实的证据推理和模型建构能力，培养学生的科学思维和创新意识。

任务二：再探火箭燃料（推进剂）

通过介绍冷藏液氧液氢、液氧煤油以及偏二甲肼（C2H8N2）和四氧化二氮（N2O4）等火箭燃料，引导学生思考为什么液氧液氢燃烧无污染，但是现在一般是使用液氧煤油作为燃料。通过分组汇报三大化石燃料、氢能、乙醇燃料的开发、利用及对环境的影响，综合考虑燃烧效率、经济成本、环境影响等诸多因素，辩证思考能源的开发和利用。通过评价培养学生的质疑和批判能力，发展其辩证唯物主义世界观。

任务三：模拟火箭设计和制作

组建"火火箭"队、"气火箭"队和"水火箭"队，探究模拟火箭的设计和发射。以"成果交流与展示"环节为例进行阐述。

案例1："火火箭"展示交流

"火火箭"的实验装置如图5所示，通过在矿泉水瓶下端的瓶盖中间钻出一个孔，往矿泉水瓶喷消毒酒精2～4次，旋好瓶盖，将瓶子置于铁架台的铁圈中，打火机点燃木棍，点燃发射火箭。最初设计的是无尾翼和头锥的火箭模型（图5a），测试射程为3.9m。经查阅资料发现流线型的物体飞行时能减少阻力，一次改进后形成有尾翼、无头锥的火箭模型（图5b），射程可达5.7m，后经进一步优化，获得有尾翼和头锥的火箭成品（图5c），射程达6.3m。

通过导引问题，引导学生分析选择酒精作为"火火箭"燃料的依据，从物理学受力分析的角度分析"火火箭"升空的动力，结合物理和化学知识分析"火火箭"的发射原理，并写出相应的化学方程式，分析"火火箭"技术改进的思路。通过评价发展学生的工程思维和创新能力，评价和发展学生综合应用物理和化学学科知识解决真实问题的能力。

案例2："气火箭"展示交流

通过化学反应生成气体的方式为火箭提供动力制作"气火箭"。通过平行实验控制变量法探究最佳实验条件，得出当小苏打粉末的质量为2.0g，食醋的体积为24mL时，火箭的最大飞行高度可达12m。通过知识拓展，根据齐奥尔科夫斯基火箭方程，火箭的推进速度为ΔV=ωlnm0m1（ω是喷气速度，m0和m1分别为飞行器加速前后的质量）。真实火箭的飞行距离，与质量差有关，而"气火箭"中的液体倒入箭体中，箭体飞行时液体来不及排出，其质量差较小会影响飞行高度。

通过评价了解学生对影响化学反应速率因素的掌握情况，通过模拟火箭发射比赛，评价项目产品。

案例3："水火箭"展示交流

通过物理方法推动火箭发射的"水火箭"，展示交流"水火箭"的实验装置（图7）和操作方法。通过导引问题，引导学生分析"水火箭"的发射原理，影响"水火箭"射程的因素。通过评价了解学生对力的冲量、牛顿第三定律以及动量守恒定律等核心知识的认知水平，从工程学的角度对"水火箭"的设计进行评价。

设计意图："水火箭"的制作和发射涉及工程、物理、数学等多领域知识，有效链接初高中的知识体系，发展跨学科、跨学段综合素养。在"水火箭"项目实施过程中，学生根据工程原理完成"水火箭"箭体的组建，提升实践动手能力，合作完成"水火箭"的调试和发射，培养团队协作精神，引领学生体验和感受火箭升空的魅力以及中国航天事业的伟大成就，激发学生对科研的向往和对祖国的热爱。

项目评价

通过项目活动，引导学生从科学性、创新性、可操作性、趣味性和安全性等维度对产品进行评价。在学生自评和小组互评的基础上，教师进行综合性评价，师生共同评选出"明星火箭"。评价结果见表3。

设计意图：引导学生综合运用多学科知识将科学探究和问题解决成果转化为项目产品，强化学科认知和项目体验。教师根据学生回答问题、实践操作及成果汇报等情况将过程评价和综合评价有机结合，师生协同完成基于学生自评、小组互评和教师评价的多元化评价表，着力建构评价角度多维、评价主体多元、评价过程多段、评价模式多样的评价体系，促使核心素养具象化。

项目反思

跨学科项目式学习不是简单的学科知识拼凑，在实际教学过程中容易出现主体不明确、目标不清晰、内容"拼盘化"等问题。教师应注重多学科知识、方法和思想的融合贯通，形成超越学科的逻辑体系，引领学生像科学家一样做研究，像工程师一样做设计。下面谈几点教学建议：

1. 坚定学科"立足点"，实现"跨中有核"。教师要正确理解学科知识与其他学科知识之间的关系，跨学科不等同于无学科边界。跨学科项目式学习应立足学科本位，在此基础上最大限度地挖掘和整合课程资源，引导学科教学纵深发展的同时，促使多学科知识横向配合，形成大概念统摄下的整体理解和系统思维，真正做到基于学科又超越学科。

2. 找准学科"链接点"，实现"跨中有联"。真实世界是多维、立体、复杂的，跨学科项目式学习是基于真实问题解决的学科之间的融通，教师应厘清学科知识和其他学科知识之间隐性和显性的"链接点"。只有找准多学科之间的意义关联，才能使之产生耦合效应，赋予学生认识世界的多维向度和学习支架，激发积极的学习心向，实现真正意义上的跨界融合、协同发展。

3. 厘清认知"边界点"，实现"跨中有度"。跨学科学习不可能完全取代学科教学，教师应把握好跨的度，要从学校的教学实际和学生的学习需求出发，准确定位学科的认知边界，整体把握教学内容的深度、广度和效度。通过精选项目主题，整合课程资源，拓展育人场域，引导学生走进生活，深入社区，走向社会，用科学知识理性地、深刻地品位生活，改造世界，实现有意义的学习。

参考文献

1. 中华人民共和国教育部. 义务教育课程方案（2022年版）［S］. 北京： 北京师范大学出版社， 2022.

2. 中华人民共和国教育部制定. 义务教育化学课程标准（2022年版）［S］. 北京： 北京师范大学出版社， 2022.

3. 林艺玲， 江合佩， 郑敏. 融合STEM理念的"发展中的化学科学"项目式学习——以"氢能的利用"为例［J］. 化学教学， 2022， （8）： 53～60.

4. 乙若梅， 龚正元. 高中化学开展STEM教育的实践尝试——以"纳米Cu2O的制备及处理染料废水性能测试"为例［J］. 化学教学， 2022， （5）： 43～47.

5. 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.

6. 张文兰， 杨雪琼. 基于国家课程的项目化教学能力的结构与内涵［J］. 教育信息技术， 2021， （7～8）： 3～7.

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