基于科學本質(zhì)觀的STEAM項目學習教學設計

張婕

一、項目簡介

科學本質(zhì)觀的重要內(nèi)容之一是將發(fā)現(xiàn)的知識用于技術(shù)開發(fā)產(chǎn)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(zhì)的組成”“組成物質(zhì)的元素”兩個單元的內(nèi)容，也融合了“家庭電路”和“酸堿鹽的性質(zhì)”等幾個單元的部分內(nèi)容，通過綜合應用知識解決問題，實現(xiàn)對教材內(nèi)容的重構(gòu)。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(fā)、制造了系列產(chǎn)品。項目的研究學習過程促進學生把學過的知識用于技術(shù)開發(fā)產(chǎn)品，體驗“工程師”研究問題、開發(fā)產(chǎn)品的創(chuàng)新設計和制造歷程，培養(yǎng)學生技術(shù)運用、工程設計、創(chuàng)新解決實際問題的核心素養(yǎng)，是一個在人文引領(lǐng)下的科學、技術(shù)、工程和數(shù)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(diào)人文精神指引的科學、技術(shù)、工程和數(shù)學教育。由人文（Arts）引領(lǐng)，而不是只讓學生學習硬科技，一方面強調(diào)STEM項目要為人類福祉服務，另一方面強調(diào)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(zhì)的元素；能應用電解、PH試紙原理、次氯酸鈉的性質(zhì)等科學知識以及實驗能力;T（技術(shù)）：運用電工技術(shù)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(shù)及信息技術(shù);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(chǎn)品使用說明書的安全美觀便捷設計，體現(xiàn)了人文與藝術(shù);M（數(shù)學）：會計算有關(guān)溶液濃度、元素質(zhì)量分數(shù)；掌握表格和比色卡數(shù)據(jù)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(xiàn)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(jù)實驗結(jié)果，最后優(yōu)選出兼顧最佳褪色效果和實驗時間的實驗數(shù)據(jù)進行制作84消毒液濃度比色卡（示例如下）：

四、課程結(jié)構(gòu)

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(shù)據(jù)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(jù)消毒液的褪色性質(zhì)，選擇有色物質(zhì)進行實驗。比色卡有色物質(zhì)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(guān)系，根據(jù)實驗結(jié)果，最后優(yōu)選出兼顧最佳褪色效果和實驗時間的一組實驗數(shù)據(jù)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(shù)量；（4）消毒液的制造時間與濃度的關(guān)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(guān)實現(xiàn)。定時時間的選擇設定則通過研究獲得數(shù)據(jù)（一定濃度、數(shù)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(guān)。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(chǎn)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(xù)拓展研究思考：關(guān)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(huán)境（臟抹布浸泡在牛奶中使其變質(zhì)，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(zhì)，推斷殺菌效果等等。

五、教學反思

1.任務驅(qū)動。源于生活的真實問題情境中的任務驅(qū)動，可以激發(fā)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(yǎng)學生利用所學知識解決實際問題的能力。

3.經(jīng)歷科學家的科學發(fā)現(xiàn)史。分析需要的物質(zhì)（消毒液）的主要成分和家庭常見物質(zhì)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(zhì)，這正是科學家們在元素的發(fā)現(xiàn)以及利用元素獲得更多物質(zhì)的科學發(fā)現(xiàn)史的歷程。

4.體驗工程師研究問題、創(chuàng)新設計、制造、開發(fā)產(chǎn)品的歷程。科學本質(zhì)觀包含的一個重要內(nèi)容是發(fā)現(xiàn)的知識用于技術(shù)開發(fā)產(chǎn)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(fā)的產(chǎn)品有消毒液制造機、自制84消毒液以及產(chǎn)品使用說明書，還特別創(chuàng)意開發(fā)了支持探究活動的技術(shù)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(fā)、引導，通過對溶液濃度-褪色-顏色與數(shù)值對應-PH試紙比色卡-溶液濃度比色卡等系列問題的聯(lián)系-轉(zhuǎn)化-聯(lián)想-遷移-創(chuàng)新，創(chuàng)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(chǎn)品的研究。

這些活動具有真實學習的諸多特點，并根據(jù)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(nèi)容領(lǐng)域的基本科學概念、科學事實和科學研究與推理活動，培養(yǎng)學生勇于探究的科學精神，運用技術(shù)、問題解決的實踐創(chuàng)新能力，領(lǐng)悟科學本質(zhì)，這正是核心素養(yǎng)的重要組成。