基于STEAM理念下的科學實驗創新

陳佳清

摘要：STEAM教育理念最早是美國政府提出的教育倡議，為加強美國K12關于科學、技術、工程、藝術以及數學的教育。鼓勵孩子在科學、技術、工程和數學領域的發展和提高，培養孩子的綜合素養，從而提升其全球競爭力。[1]當下國內的科學教育正在經受著STEAM理念的沖擊，本文將以“測定氧氣在空氣中的體積比”裝置改進為例，介紹滲透STEAM理念的科學課程。

關鍵詞：STEAM；空氣的成分裝置改進

STEAM是全球化的科學教育理念，更是有效實施科學探究的指導思想。教育部制定的初中科學課程標準中也明確提出“科學探究是科學的本質特征，具有重要的教育價值，體現科學探究的精神，是教育面向未來的必然要求。[2]”在初中科學教學中，有很多教師演示實驗或學生實驗，那么如何在這些實驗中滲透STEAM理念呢？筆者以華師大版初中科學七年級下冊“測定氧氣在空氣中的體積比”為例，談談自己的一些做法，僅供參考。

一、融合科學、技術、工程，找到實驗器材處理的切入點

在設計課堂實驗時，基于大部分學生在小學科學中已經學過空氣中氧氣的體積分數為21%這一學情，故將教材中探究空氣中氧氣的含量改成驗證空氣中氧氣的含量。同時給學生提供必要的“技術”支持——提供針筒、橡膠管、玻璃彎管、電鉆等儀器，結合審美要求、呈現數理分析，引導學生對教材中的裝置進行改裝（圖1），找到新的探究點。

在“測定氧氣在空氣中的體積分數”的實驗前，引導學生要驗證空氣中氧氣的體積分數，氧氣不可能單獨從空氣中抽出（圖2），只能設法將其除去。由于教材直接呈現紅磷燃燒實驗裝置，所以在教學中我們經常忽略了這個問題，或許這個問題才是學生探究空氣中氧氣體積分數的起點。

二、圍繞科學、數學分析，發現新的探究問題

在選擇實驗藥品時，教師展示相關藥品燃燒的文字表達式及其反應物與生成物狀態的資料，學生針對藥品需要滿足的條件進行思考，從而選取合適的實驗藥品——既要滿足在空氣中能和氧氣發生反應，又不能產生新的氣體的要求。

在紅磷燃燒結束后，實驗現象表明進入集氣瓶中的水的體積少于其容積的1/5，沒有出現預期的結果。針對該實驗現象，教師圍繞STEAM理念，引導學生思考可能使實驗結果出現偏差的原因，進而歸納出裝置不能漏氣、紅磷應過量、點燃紅磷要立即伸入集氣瓶中并塞緊塞子、待裝置冷卻后打開彈簧夾等是取得實驗成功的關鍵。同時，學生能夠深刻認識到裝置氣密性好壞對實驗成功與否至關重要。

發現新的問題，剩余氣體成分是什么？學生建立假設：（1）剩余氣體還有很多氧氣；（2）剩余氣體是二氧化碳；（3）剩余氣體是氮氣。教師提供蠟燭、火柴、澄清石灰水等實驗材料，學生根據已學知識和生活經驗，設計實驗方案：利用“紅磷燃燒實驗改進裝置”左邊的針筒抽取集氣瓶內剩余的氣體，一部分氣體緩緩地推向燃燒的蠟燭火焰周圍，觀察蠟燭燃燒情況；另一部分氣體注入澄清石灰水中，觀察澄清石灰水是否變渾濁。通過實驗現象及現有知識得出結論：剩余氣體大部分是氮氣。

三、深化探究性學習，滲透STEAM教育

初中科學課標中提到“了解科學技術在日常生活和生產、社會中的應用，了解科學發現帶來的重大的技術發明及其產生的社會影響，初步認識科學和技術的社會功能”[2]。為了有效落實STEAM理念，在學習空氣的成分及其用途等知識后，給每個實驗小組準備袋裝薯片、針筒、蠟燭、火柴、澄清石灰水，探究包裝中的氣體成分。在之前一系列實驗的基礎上，學生比較容易建立假設，并且驗證假設：先抽取一針筒包裝袋內的氣體，罩在蠟燭上，觀察是否熄滅；再抽取一針筒包裝袋內的氣體，通到澄清石灰水中，觀察是否變渾濁。最終的出結論包裝袋內的氣體是氮氣。

在初中科學實驗中，并不缺乏STEAM元素，這就要求科學老師立足學情，幫助學生開辟一條自主探究合作式學習道路，促使學生在觀察、分析、操作、嘗試、交流合作等過程中，體會合作學習的快樂，提高解決實際問題的能力。

參考文獻：

[1]華東師范大學.2015.開放教育研究.上海.數字化時代的STEAM教育.楊曉哲，任友群

[2]中華人名共和國教育部制定.2011.初中科學課程標準.北京：北京師范大學出版社，6～12

[3]南京師范大學.2014.理論與爭鳴.南京.美國STEAM教育變革中“變革方程”的作用及其啟示，鐘柏昌，張麗芳