基于控制變量思想的STEM活動的開發

馬圓 嚴文法 羅佳美

摘要：STEM教育理念是通過跨學科的方式來綜合運用科學、技術、工程和數學這四門學科的相關知識，以培養滿足社會需求的具有個性化及實踐創新能力的人才。文章以靛藍胭脂紅在不同的氧化還原狀態呈現不同顏色為主線，基于控制變量思想來探究不同因素對顏色變化所需時間的影響，利用多學科知識解決特定的問題，以培養學生必備的科學核心素養。

關鍵詞：STEM;科學探究;控制變量

文章編號：1008-0546（2018）12-0005-04中圖分類號：G633.8文獻標識碼：B

doi：10.3969/j.issn.1008-0546.2018.12.002

STEM教育是科學（Science）、技術（Technology）、工程（Engineering）和數學（Mathematics）教育的簡稱，起源于1980年代的美國。STEM教育將四門學科內容融合在一起，在傳授知識的同時注重培養學生的問題解決能力和實踐創新能力，有利于提升學生整合學科知識的思維能力。美國為保持其科技創新的國際領先地位而越來越重視STEM教育，甚至將其視為國家戰略，并且將該教育理念覆蓋幼兒園到高中整個學段，學科范圍涉及眾多工程領域，主要培養學生的創新意識和實踐能力 [1]。國內提出的學科核心素養的目標是學生通過學科學習而逐漸形成正確的價值觀念、必備品格和關鍵能力 [2]，STEM教育是實現這一目標的有效途徑，將二者結合培養學生成為具有綜合素質的人才，因此重視并發展STEM教育具有深遠意義。

自然界中的變化或工業生產過程往往由多個因素所控制，在研究其變化規律時，為了避免各因素間相互作用帶來的復雜性，在科學實驗中，常采用控制變量的方法。在科學探究活動中，正確運用控制變量法是達到探究目的、完成探究的關鍵。基于控制變量思想的STEM活動的開發，讓學生親自體驗和探究，形成知識體系，有利于培養和發展學生的科學、技術、工程和數學素養，使學生成為全面發展的人。

STEM教育在國外已有一些較為成熟的研究和實踐，但在我國尚屬新興領域。本文以靛藍胭脂紅在不同的氧化還原狀態呈現不同顏色為主線，運用控制變量的思想，利用多學科知識解決特定的問題，探討基于控制變量思想的STEM活動的開發。

一、設計思路

1.選題思路

靛藍胭脂紅（C16H8N2Na2O8S2，或稱酸性靛藍）既是氧化還原指示劑，也是酸堿指示劑，它是一種藍色染料。將靛藍胭脂紅粉末溶于氫氧化鈉和葡萄糖的堿性溶液中（11.4

體系顏色的變化所需的時間是振蕩周期，振蕩周期的長短受反應條件如溶液的酸堿度、反應物濃度和溫度等因素的顯著影響。當反應受到多個因素影響時，通常采用只改變某個因素，而維持其他因素不變的基于控制變量的對照實驗法來探究不同因素對振蕩周期的影響。

本探究活動是基于控制變量思想和STEM教育理念進行開發的，不將重點放在某個特定學科或者過于關注學科界限，而是將重心放在特定問題上，運用固定其他因素只讓一種因素變化的控制變量思想，強調利用科學、技術、工程和數學等學科相互關聯的知識解決問題，實現跨越學科界限，從多學科知識綜合應用的角度提高學生解決實際問題的能力。

2.設計要點

S（科學）：錐形瓶中溶液的溶質是靛藍胭脂紅、氫氧化鈉和葡萄糖。在這個反應體系中，靛藍胭脂紅在11.4

T（技術）：運用化學實驗的操作技術制作“紅綠燈裝飾品”，體現了STEM理念中的情境與合作。在活動中，每個小組都扮演了“紅綠燈飾品”制作工廠的角色，運用科學的操作技術，能從制作過程中理解所包含的技術要素，能夠從節能和環保的角度采取一些技術措施和方法。

E（工程）：整個活動過程體現了工程學中從明確問題到制定方案，最后優化改進的系統性步驟。首先明確問題，即明確溶液變色的原理;其次制定方案，即探究影響振蕩周期長短的因素，能從成本、環境等方面考慮制作“紅綠燈飾品”的最佳方案;最后優化改進，即制成具有觀賞性的“紅綠燈飾品”。

M（數學）：當反應受到多個因素影響時，能夠通過確定和控制變量進行研究;能夠利用數據進行分析、得出結論，并能進行適當的推理，從而加深學生對科學探究的理解。在活動中還涉及到試劑取用量的讀數、反應物濃度配比等，不僅能培養學生的數學素養，還能鞏固學生對科學概念的掌握。

二、活動流程

活動設計主要包含四部分，準備階段、實施階段、改進階段和反思階段。其中，準備階段包含“創設情境，激發興趣”和“提出問題，明確原理”兩個環節;實施階段和改進階段對應“自主探究，制定方案”環節;反思階段對應“總結反思，應用遷移”環節。每個環節都有相關的活動內容和設計目的。具體的流程設計如圖2所示：

三、活動過程

環節一：創設情境，激發興趣

[引入]教師將配制好的葡萄糖溶液和氫氧化鈉溶液混合，然后將玻璃棒的一端用蒸餾水打濕，蘸取一些靛藍胭脂紅粉末，再將玻璃棒伸入混合溶液中攪拌，請同學觀察溶液的顏色變化。

[學生]查閱資料并結合已有的知識分析上述反應體系變色的原理，交流討論。

設計意圖：情境性是STEM教育的組成部分之一。學習受具體情境的影響，情境不同學習也不同。通過創設情境，能夠激發學生的興趣，讓學生結合已有的化學知識和經驗作出猜想，培養學生的知識遷移能力。

環節二：提出問題，明確原理

[預設提問]在這個反應中，氫氧化鈉起到調節溶液pH的作用。那么，溶液變色的實質是什么呢？

[學生]針對教師提出的問題，學生可以通過教師準備的資料（資料包）來收集信息，也可以使用網絡檢索相關信息。學生可以獨立完成，也可合作完成，并將整理好的答案與同學交流，明確“紅綠燈”變色實驗的原理：

（1）在這個反應體系中，振蕩溶液時，溶液與空氣的接觸面積增大，溶液中溶解的氧氣量就增多，溶液的顏色就由靛藍胭脂紅最高還原態的黃色逐步氧化為中間態的紅色和最高氧化態的綠色。

（2）葡萄糖是一種多羥基醛，靜置溶液，溶液中溶解的氧氣逸出，溶液中的葡萄糖就會將靛藍胭脂紅的最高氧化態逐步還原為最高還原態，溶液的顏色就會相應的由綠色變為紅色再變為黃色。

（3）顏色可以重復變化，直到所有的葡萄糖都被氧化完畢或溶液內的氧氣耗盡為止。溶液顏色由綠色變為黃色所需的時間是振蕩周期。

設計意圖：溶液僅在靜置和振蕩時就會發生顏色變化，激發學生的認知沖突，引起學生積極思維。STEM學習是探究性的學習，而探究需從問題開始，老師引導學生發現問題，從而明確溶液變色的原理。

環節三：自主探究，制定方案

[教師]溶液顏色由綠色變為黃色所需的時間是振蕩周期，影響溶液顏色振蕩周期的因素有哪些呢？這些因素又是如何影響振蕩周期的呢？請同學們設計實驗進行探究。

[學生]選擇儀器和試劑設計實驗方案。在規定的時間內完成，進行交流討論。

[教師]點評實驗方案。提出控制變量實驗法：研究振蕩周期的長短受何種因素影響時，為了避免各因素間相互作用帶來的復雜性，在科學實驗中，通常采用只改變某個因素而維持其他因素不變的控制變量實驗法來進行探究。

[學生]設計最佳實驗方案，指出分別要控制和考查的變量，說明這些變量如何影響振蕩周期。

（1）控制反應物濃度和溫度不變，考查溶液的酸堿度對振蕩周期的影響（如表1所示）：

[預設提問]明確了此溶液的變色原理，確定了影響因素后，同學們能否將其設計成一種裝飾品？制作成裝飾品應該注意哪些事項呢？假設每個小組是生產“紅綠燈飾品”工廠的成員，請從成本、能耗、環保、具有觀賞性等角度制定生產方案。

[學生]查閱資料，交流討論，小結注意事項;合作交流進行設計。每個小組展示成果，說明設計理念和設計特色。其他小組對展示的飾品進行評價。最后全班同學選出設計最好的飾品。

設計意圖：在教師的引導下，將學習者分組進行合作探究，能更好地促進學生知識和技能的發展 [10]。了解了控制化學反應條件的作用、掌握了運用控制變量法進行對比試驗后，提出工程問題，讓學生根據已有知識和經驗設計并制作“紅綠燈飾品”，增強學生的動手能力和解決問題的能力，符合STEM教育中體驗情境、團結協作的理念。每個小組展示產品并說明設計理念時，增強學生的語言表達能力。

環節四：總結反思，應用遷移

本活動中，溶液變色的本質是交替發生氧化與還原反應的結果。其中，葡萄糖作還原劑，使得靛藍胭脂紅被還原而發生顏色變化;溶解的氧氣作氧化劑，振蕩溶液時，溶液與空氣中氧氣的接觸面積增大，溶液中溶解氧氣的量就增多從而溶液顏色發生變化。在反應中改變反應的條件會影響化學反應進行的快慢。自然界中的變化或工業生產過程往往由多個因素所控制，在研究其變化規律時采取固定其他因素，只讓一種因素變化的方法。另外，在本活動中，每個小組模擬工廠員工進行開發、設計、生產一件產品，但在實際的生產中是大規模、大批量生產的，因此要考慮到的因素更多。

設計意圖：總結本節課的相關內容，讓學生靈活掌握知識。除了科學知識外，還讓學生意識到一些工業生產雖然來源于實驗室，但是高于實驗室，體現了跨學科整合的STEM教育理念。

四、教學反思

STEM教育的目的是提升學生整合學科知識的思維能力，以培養滿足社會需求的創新型人才。化學學科核心素養立足于現代生活和未來發展的需要，是化學學科中學生形成的正確價值觀、關鍵能力與必備品格，是學生終身學習和發展的重要基礎。因此，通過STEM教育對發展學科核心素養具有深遠意義?？刂谱兞糠ㄊ强茖W探究中常用的方法，化學是一門以實驗為基礎的學科，對于每一個具體的化學實驗而言，控制好實驗條件非常重要，是完成實驗的關鍵。以化學內容為載體，基于控制變量思想開發一些STEM活動，使學生在活動過程中實現化學學科核心素養的發展，幫助學生正確認識化學對人類生活和社會發展的影響，有助于學生對科學方法、科學概念和科學原理的掌握和應用，有利于提升學生綜合利用跨學科知識解決問題的能力，為學生的終身學習和發展夯實基礎以培養滿足社會需求的實踐創新型人才。

參考文獻

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