基于科學本質觀的STEAM項目學習教學設計

張婕

一、項目簡介

科學本質觀的重要內容之一是將發現的知識用于技術開發產品。“家庭自制消毒液”項目涉及的科學知識、實驗技能源自初中科學教材“物質的組成”“組成物質的元素”兩個單元的內容，也融合了“家庭電路”和“酸堿鹽的性質”等幾個單元的部分內容，通過綜合應用知識解決問題，實現對教材內容的重構。該課程圍繞當前社會熱點中的一個真實問題，通過系列活動，設計、研發、制造了系列產品。項目的研究學習過程促進學生把學過的知識用于技術開發產品，體驗“工程師”研究問題、開發產品的創新設計和制造歷程，培養學生技術運用、工程設計、創新解決實際問題的核心素養，是一個在人文引領下的科學、技術、工程和數學融合的STEAM學習活動。該項目適合八-九年級學生，在初中科學或課外活動課程學習，共2課時。

二、STEAM要素分析

STEAM是STEM教育的一種變式，強調人文精神指引的科學、技術、工程和數學教育。由人文（Arts）引領，而不是只讓學生學習硬科技，一方面強調STEM項目要為人類福祉服務，另一方面強調學生的主體性，要滿足學生的興趣需要，促進學生的個性成長。本項目中的STEAM要素分析：S（科學）：知道組成物質的元素；能應用電解、PH試紙原理、次氯酸鈉的性質等科學知識以及實驗能力;T（技術）：運用電工技術進行材料的獲得和實驗的操作；會應用電解、比色卡制作技術及信息技術;E（工程）：能設計和制造家庭消毒液制造機、消毒液濃度比色卡;A（人文）：消毒液制造機、溶液濃度比色卡、產品使用說明書的安全美觀便捷設計，體現了人文與藝術;M（數學）：會計算有關溶液濃度、元素質量分數；掌握表格和比色卡數據處理。

三、教學設計思路

（一）教學流程設計

（二）評價工具設計

1.比色卡設計思路

2．比色卡實驗制作

利用現有的已知濃度的84消毒液原液，稀釋成不同比例的溶液，利用家庭易得的有色物體進行變色實驗。根據實驗結果，最后優選出兼顧最佳褪色效果和實驗時間的實驗數據進行制作84消毒液濃度比色卡（示例如下）：

四、課程結構

消毒液制造實驗說明：

1.消毒液制造實驗原理圖設計如圖所示。

2.實驗材料說明：電源可以用手機充電器或充電寶。電極

可以用碳棒或粗鉛筆芯；大可樂瓶一個；電線（數據線）若干。

3.比色卡制造實驗：

利用家庭已有（已知濃度）的少量84消毒液，計算配成不同濃度的84消毒液，根據消毒液的褪色性質，選擇有色物質進行實驗。比色卡有色物質材料可以選擇容易獲得的粉色便箋紙。把便箋紙部分浸入（方便對比顏色），研究記錄不同濃度、不同褪色時間、褪色程度（拍照）的關系，根據實驗結果，最后優選出兼顧最佳褪色效果和實驗時間的一組實驗數據進行制作84消毒液濃度比色卡。

4.實驗探究影響消毒液濃度的因素：（1）電極的電壓大小；（2）電極的位置高低、距離；（3）食鹽水的濃度、數量；（4）消毒液的制造時間與濃度的關系；

5.消毒液制造機的改進：定時裝置可以通過安裝定時開關實現。定時時間的選擇設定則通過研究獲得數據（一定濃度、數量的溶液，在哪個實驗時間獲得多少濃度，可以是直接使用的濃度，也可以是濃溶液），可以有不同濃度設定的多檔定時開關。簡易制造機也可以用花灑加上一個底座等改進制作。

6.制作產品使用說明書：必須要有操作說明、使用說明以及安全注意事項等等。

7.后續拓展研究思考：關于消毒液濃度的其他測定方法研究（如：滴液測定法研究）；消毒液的殺菌效果如何檢驗？制作有菌環境（臟抹布浸泡在牛奶中使其變質，滋生細菌），然后用消毒液有無消毒進行對比實驗，通過聞氣味、觀顏色等觀察其是否變質，推斷殺菌效果等等。

五、教學反思

1.任務驅動。源于生活的真實問題情境中的任務驅動，可以激發學生的研究興趣和探究動機。

2.源于教材，高于教材。本項目中用到的科學知識、實驗技能源自初中科學教材，但又不是教材的簡單重復，而是各個知識的綜合應用和能力的遷移，能夠較好地培養學生利用所學知識解決實際問題的能力。

3.經歷科學家的科學發現史。分析需要的物質（消毒液）的主要成分和家庭常見物質的主要成分，通過電解獲得元素，再通過其他化學反應使元素重新組成新的物質，這正是科學家們在元素的發現以及利用元素獲得更多物質的科學發現史的歷程。

4.體驗工程師研究問題、創新設計、制造、開發產品的歷程。科學本質觀包含的一個重要內容是發現的知識用于技術開發產品，這是工程師設計思維、工程思維的重要思想觀念之一。本項目開發的產品有消毒液制造機、自制84消毒液以及產品使用說明書，還特別創意開發了支持探究活動的技術工具-消毒液濃度比色卡。如何檢測自制的消毒液濃度、對其消毒效果做出評估和解釋成為本項目的一個難題。通過教師的啟發、引導，通過對溶液濃度-褪色-顏色與數值對應-PH試紙比色卡-溶液濃度比色卡等系列問題的聯系-轉化-聯想-遷移-創新，創造設計、制作了溶液濃度比色卡，讓消毒液濃度的檢測、消毒效果評估可視化。學習者對于家庭中消毒水的制作與效果評估、材料的考察、分析，同“工程師”對于類似問題的真實研究是相似的，學生要進行的探究活動在方法、程序和工具上都類似于工程師對于某一產品的研究。

這些活動具有真實學習的諸多特點，并根據具體的實施條件進行了適應性的設計，使之適合這個年齡段的孩子進行科學探究。學生通過這樣的真實學習而掌握內容領域的基本科學概念、科學事實和科學研究與推理活動，培養學生勇于探究的科學精神，運用技術、問題解決的實踐創新能力，領悟科學本質，這正是核心素養的重要組成。