STEM教育理念下科学课程与技术实践的融合.doc

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1、STEM教育理念下科学课程与技术实践的融合作者：丁良峰/赵小军 作者简介：丁良峰，南京师范大学苏州实验学校；赵小军，工业园区第一中学（江苏苏州215000）。原文出处：实验教学与仪器内容提要：STEM教育是科学、技术、工程和数学内容的有机融合，能够提升学生的科学探究和解决实际问题的能力。通过原电池实验装置的设计，可以运用科学、技术等知识方法，采用项目的形式尝试课程融合实践教学，以更好地提升学生的科学素养，培养学生的创新精神与实践能力。期刊代号：G37分类名称：中学化学教与学复印期号：2019年04期关键词：STEM 科学 技术实

2、践 课程融合       STEM教育主张跨学科知识融合，强调在学习科学、技术、工程和数学知识的基础上培养学生的设计、实践、问题解决、合作和创新能力[1]。在科学课程的课堂实践过程中进行科学实验探究，对实验器材进行改进设计时，必然会需要多学科的知识进行探究，运用技术手段进行设计制作。这样，STEM教育在其理念与思路上就不谋而合。下面，笔者就STEM教育理念下，基于“可视化微功耗原电池实验平台”的设计开发，阐述其科学探究和技术实践过程。      一、依托STEM教育和融合理念，确立研究课题      STEM教育重在培养学生的科

3、学探究能力、创新意识、批判性思维、信息技术能力等未来社会必备的技能和创新能力。课程融合是针对学生身心发展特点，试图通过多学科知识的整合，培养学生的综合能力和实践能力[2]。      科学探究，可以成为学生获取直观感性认识，积累直观感性经验的源泉。例如，原电池是高中化学课程中的重要内容，在引导学生学习时不仅仅要学习原电池的反应原理，更要从“化学能与电能”的两个角度出发，让学生学习能量的转化[3]。一是来分析原电池装置的构成要素和各要素之间的关系，二是要从能量的转化角度，思考产生的电能可以实现哪些用途。这就需要通过化学实验来认识化

4、学规律，探究现有实验装置的特点。常见的原电池实验装置如图1所示，可以达到观察实验现象的效果，让学生知道有电流产生，但缺陷是没有体现电能的转化，并且作为演示实验，学生无法进行观察，不能很好地满足教和学的需求。因此，优化实验装置，从多种方式来探究“化学能与电能”的转化就是一个很好的融合性课题。            二、跨学科探究，寻求科学依据      以一个学科的内容为核心，在实践探究中利用其他学科领域的现实问题情境来推动核心内容的学习。基于STEM教育理念，通过跨学科知识学习，认识科学与知识之间的联系，可以培养学生研究问题的能

5、力和实践创新能力。在教学过程中探究“化学能与电能”中需要研究原电池、电能转化装置以及记录实验的多媒体摄像装置。      1.原电池实验      原电池的本质是氧化还原反应，其组成条件是：电解质、闭合回路、活泼性不同的电极。常见的原电池种类有：①金属（碳棒）稀硫酸原电池实验。以铜锌（铝、镁）做两个电极，稀硫酸为电解质，用导线连接组成原电池。根据能斯特方程E=E（标准）-（RT）/（nF）ln（[氧化态]/[还原态]），查阅资料可得，中学实验中常见金属及其电极电动势为：。②水果电池实验。用铜导电线或铜片、碳棒、锌片、铁钉等材料作

6、电极，与柠檬、西红柿、猕猴桃等水果制作电池，在极板间距1.5cm，极板有效面积为4.5的情况下，大多数水果电池的开路电压不超过1V，短路电流不超过0.5mA。③金属-空气电池。以金属如镁、铝、锌、汞、铁等作负极，以空气中的氧或纯氧作正极，可以构成相应的金属-空气电池。镁的电极电位较负、电化学当量较小，用它与空气电极配对可以组成镁-空气电池，在碱性溶液中的φ=-2.69V。      2.微功耗电器件      件在这里指的是工作电压（电流）很小的元件。因为原电池装置具有产生的电压低、电流小的弱点，难以驱动常用的电器来工作，所以要

7、在原电池实验中来实现化学能-电能的演示，就需要寻求工作电压更低、驱动电路更小的微功耗元件。为实现从声、光、机械等形式进行电能的转化，可以从以下元器件中选择元器件进行试验。①小量程电压表。目前主要有机械式和数字电压表，机械式的量程可以在0V-3V之间，数字电压表可以准确显示0.00V-30.00V。②LED发光二极管也是一种常见的微功耗电子元器件。红、黄发光二极管的工作电压一般只有1.70V-2.20V，低电流LED发光二极管的工作电流在2mA以下，有的仅零点几毫安即可发光。③微型电机也是一件非常好的元件，这种电机的启动电压仅有0

8、.15V，额定工作电压为3.40V。④音乐芯片是一种比较简单的语音电路，它通过内部的振荡电路，再外接小量分立元件，就能产生各种音乐信号。其输入电压在0.8V就可以发出声音信号。当然还有旧的电子手表也是低电压工作的元件[4]，如图2所示。随着微电子技术的发展，也会