基于STEAM的初中實驗教學設計與實施

摘 要：STEAM教育理論強調對學生的跨學科整合與實踐能力的培養，成為學校教育改革的重要方向。教師應深入研究STEAM教育理論的內涵及特點，將STEAM與初中實驗教學相結合，構建基于STEAM的初中實驗教學模式。以校本課程“染料敏化太陽能電池的探究”為例，可從課程設計、教學內容、教學方法、教學評價等方面，探索基于STEAM的初中實驗教學設計與實施。

關鍵詞：STEAM教育；初中實驗教學；跨學科；染料敏化太陽能電池

中圖分類號：G63 文獻標識碼：A 文章編號：0450-9889（2025）01-0099-06

實驗教學作為理論知識與實踐操作相結合的重要環節，對培養學生的實踐能力和創新思維具有重要作用。然而，傳統的初中實驗教學往往局限于單一學科的驗證性實驗，缺乏跨學科整合及方法創新，不利于學生構建系統知識體系和培養跨學科思維與創新能力。隨著社會對創新型人才需求的日益增長，傳統的教育模式正逐步向多元化、綜合化的方向發展。STEAM教育以其獨特的跨學科融合特性，有機融合科學、技術、工程、藝術和數學等多學科的知識和方法，通過跨學科主題式學習、項目式學習和探究式學習等學習方式，培養學生的創新思維和綜合能力，為培養創新型人才提供了新的途徑。將STEAM教育理論融入傳統的初中實驗教學，有助于打破學科壁壘，促進學生綜合運用知識、提升實踐能力、發展創新思維。筆者致力于將STEAM與初中實驗教學相結合的研究，設計并實施了一套富有創意和實效性的初中實驗教學方案，選取富含跨學科知識的校本課程“染料敏化太陽能電池的探究”，探索基于STEAM的初中實驗教學設計與實施。

一、STEAM教育理論的內涵及特點

STEAM教育是指實施由科學（Science）、技術（Technology）、工程（Engineering）、藝術（Arts）、數學（Mathematics）等學科共同構成的跨學科融合教育［1］，簡稱STEAM。學生在真實的情境任務驅動下，能夠運用自身所學的知識或者各種獲取信息的渠道，積極主動地去分析實際問題、對多學科知識進行整合，從而發現解決問題的方法。STEAM有別于傳統的單一學科書本知識傳授的教育方式，強調課程的綜合化、實踐化、活動化，注重讓課程回歸生活、回歸社會、回歸自然。STEAM通過項目式學習、探究式學習等方式，培養學生的創新思維、問題解決能力和團隊合作精神，提升學生的綜合能力，使學生在解決問題的過程中逐步形成高階思維能力，從而適應時代發展對創新型人才的需求，對未來社會發展具有深遠而積極的影響。

STEAM有多方面的特點。首先，STEAM打破單一學科壁壘，注重學科間的關聯和整合，以此培養學生多維度思考和知識遷移運用能力。其次，STEAM以實踐為導向，常以實際項目或任務為驅動，引導學生聚焦社會熱點和實際問題，通過參與和體驗來獲取知識，即“做中學”“創中學”。再次，STEAM重視創新，鼓勵學生開展多樣化、個性化的學習與探索，運用新方法和新技術解決問題，以此促進學生對科學、技術、工程、藝術和數學等多學科知識的理解和深度學習，培養學生的創新思維和解決實際問題的能力［2］。最后，STEAM強調以學生為中心，注重團隊協作，鼓勵學生分組完成任務，使學生在團隊中發揮專長，通過相互學習、交流和表達，培養溝通與協作能力。

二、構建基于STEAM的初中實驗教學模式

筆者通過對國內外關于STEAM研究文獻的梳理發現，目前常見的STEAM教學模式有：基于項目的學習（PBL）、基于設計的學習模式（LBD）、5E教學模式以及我國教育學者和教師本土化交叉整合的混合式教學模式［3］?！吨袊鳶TEAM發展報告》中總結出了STEAM教學模式的共同要素：真實情境、關鍵問題、方案設計、實施、改進、展示交流。2022年版義務教育課程方案提出了對學科實驗綜合實踐活動課的開設要求，其所強調的實踐性、綜合性、探索性、合作性等要求與STEAM教學模式高度契合。筆者嘗試將STEAM與初中實驗教學相結合，構建基于STEAM的初中實驗教學模式（如圖1），以此培養學生的綜合素養和實踐能力。

基于STEAM的初中實驗教學模式涵蓋課程設計、課程實施和教學評價三個階段。課程設計階段需要確定課程主題、進行學情分析、解構跨學科知識、設定課時計劃和教學目標、設計實驗、構建評價體系。課程實施階段需要創設情境、規劃任務、組建團隊，通過開展探究活動實現知識建模，最終生成實物產品和實驗報告等成果。教學評價階段需要開展教師評價、學生評價，借助調查問卷和知識小測等方式對課程進行綜合評價，評價標準涵蓋過程與結果、定量與定性等多個維度。三個階段緊密相連，形成一個完整且系統的教學過程。在STEAM教育理論指導下，教師選取與學生生活緊密相關且富含跨學科知識的實驗主題，將科學、技術、工程、藝術和數學等元素有機融合，形成具有挑戰性和趣味性的實驗項目，采用項目式學習、小組合作學習等多樣化的教學方法，引導學生主動開展實踐探索。在項目推進過程中，學生需要綜合運用多學科的知識和方法解決實際問題，從而深化對知識的理解與掌握。

三、基于STEAM的初中實驗課程設計

（一）圍繞學生的興趣和學習需求選擇課程主題

好的課程主題直接關系著STEAM教學設計的質量，STEAM課程主題的選擇應圍繞學生的興趣和學習需求，錨定生產、生活中的真實問題，篩選出具有跨學科、可操作、適度挑戰、趣味性強的真實問題作為教學驅動［4］，確保以此開發的教學內容既能激發學生的學習興趣和創新意識，提高教學效果，又能充分發揮出STEAM多維而深遠的教育價值。例如，能源短缺、環境污染和生態平衡被破壞是當今全球性的熱點問題，光電化學太陽能電池技術因其高效、環保的特點受到廣泛關注。為了激發學生對新能源技術的興趣，同時培養學生的跨學科綜合素養，教師精心選擇了“染料敏化太陽能電池的探究”作為初中實驗課程的主題。該主題涉及多學科、多學段知識，學科綜合性較強，符合新課標跨學科和小初高銜接的要求。學生通過探究染料敏化太陽能電池的工作原理、性能優化及應用前景，能夠深入了解科學、技術、工程、藝術和數學等多個學科領域的知識。

（二）分析學情，進行知識解構和設定教學目標

對學生進行學情分析是STEAM課程設計的重要環節。通過問卷調查、課堂觀察、作業分析等評估方式對學生現階段的已有知識基礎、技能水平、學習風格、興趣偏好、元認知等方面的特征進行分析［5］，教師以此為基礎設計符合學生需求的課程內容，可確保STEAM教育的有效實施?！叭玖厦艋柲茈姵氐奶骄俊毙１菊n程的實施對象為七年級學生，該學段學生剛結束小學階段科學課程的學習，認知水平較低，雖然對實驗探究有著較強的興趣和好奇心，但是實驗設計和操作能力相對薄弱，尚未深入學習物理、化學、生物學等多個學科的基礎概念，在科學探究過程中缺乏分析和解決問題的深度和廣度。這就要求教師在課程設計中充分考慮學生的實際情況和認知特點，從科學、技術、工程、藝術、數學五個方面對“染料敏化太陽能電池的探究”課程主題所涉及的學科內容進行知識點解構（如表1），區分學生必須掌握的基礎知識點、主題學習的核心知識點，以及可以深化的拓展知識點。通過分析不同學科知識之間的內在聯系，教師以制作染料敏化太陽能電池為任務導向，作出課時計劃，設定出相應的STEAM素養教學目標（如表2）。

（三）組織課程內容，構建知識結構模型

基于STEAM的初中實驗課程應融合多個學科知識，注重課程內容的趣味性和實踐性，以激發學生的學習興趣和探究欲望，讓學生在實踐中發現問題、解決問題，從而提高跨學科學習能力和創新思維能力?！叭玖厦艋柲茈姵氐奶骄俊闭n程分為引入主題、發布任務、探究活動、生成作品和成果評比五個環節。課程設置7個課時，通過深入銜接上期校本課程“土壤探究”主題的豐碩成果，巧妙地將課程內容延伸至植物的應用領域，激發學生對清潔能源主題的探究興趣。

例如，教師向學生發起“制作染料敏化太陽能電池并使音樂元件響起來”這一項目任務，招募團隊開展探究活動，以探究活動中的知識模型建構環節為教學重難點，引導團隊精心設計一系列探究實驗，通過小組討論、問題引導等方式，探究背后的科學邏輯，幫助學生逐步構建起染料敏化太陽能電池的知識結構模型（如圖2）。

完成知識建模后，學生根據多學科的知識和方法，以及所收集的數據資料，完成電池的制作方案。教師提供場地與材料，協助學生生成作品。最后開展成果評比活動，對學生提交的探究報告及電池進行檢驗，培養學生的科研素養，促進學生的自我成長。在進行實驗設計時，教師應通過大量的資料調研，根據課程內容提前對實驗內容進行多次預實施檢驗，尋求專業機構對樣品進行檢測與方法指導，確保實驗內容科學嚴謹、可操作性強。

（四）設計多維度、多層次的課程評價體系

STEAM課程的評價既關注學生的學科知識掌握情況，又重視其實踐能力、創新思維、團隊合作等方面的表現，是一個多維度、多層次的評價體系。學生評價包括自我評價和學生互評兩部分，其評價體系的構建應兼顧過程與結果評價，結合定量和定性進行評價［6］。教師評價標準的設計應全面考量，除了關注教學目標和內容維度的評價，還應關注教學過程中學生的學習狀態與情感體驗、師生交互及課堂氛圍等方面［7］。這種全方位的評價體系，有助于提升教學質量，促進師生的共同成長。

四、基于STEAM的初中實驗課程實施

（一）情境導入，激發探索欲望

生動具體的教學情境可以充分調動學生的學習熱情，激發學生的探究欲望，是學生展開深度學習的有效動力。在STEAM課堂教學中，教師可以聚焦社會真實事件創設生動具體的教學情境，利用實物、多媒體、實驗等教學資源［8］，引導學生從中發現和提出問題，然后發布與情境相關聯的學習任務，培養學生的問題和探索意識，提高課程的教學效果。在課程開始時，教師展示上學期學生對校園土壤進行科學探究的成果，提問植物長勢變好后能做什么，進而展示清潔能源的相關發明，激發學生的學習興趣和探索欲望，提出制作染料敏化太陽能電池并使音樂元件響起來的任務。

（二）組建高效團隊，解構學科知識

在組建學生團隊時，首要任務是明確團隊的目標、規模及結構，注重團隊成員間能力與性格的互補，為后續的探究活動打下堅實基礎。這樣的團隊構成能充分發揮集體智慧，高效推動項目實施。之后，教師應緊密圍繞科學、技術、工程、藝術、數學等學科知識，對課程主題知識點進行細致解構。例如，在探究電池工作原理的過程中，教師應深入剖析電流、電壓的基本概念、原電池的工作原理以及串并聯電路中電流電壓的規律等核心內容?；谶@些知識點，教師可以引導學生團隊設計和實施一系列富有創意的實驗方案，如通過燈泡的發光實驗直觀展示電流的存在，或指導學生動手制作水果電池，感受化學能轉化為電能的奇妙過程，激發學生的探究興趣，培養學生的動手能力和創新思維。

（三）強化基礎知識，引導探究活動

扎實的基礎知識是探究活動的基石。教師可以通過系統地講解實驗原理和實驗操作，幫助學生深化對基本概念和原理的理解，逐步搭建起系統的理論框架和概念體系。完成知識建模后，教師根據“染料敏化太陽能電池的探究”教學實施過程（如下頁表3），引導學生從明確實驗目的、選擇實驗材料、確定實驗步驟等多個維度出發，自主設計實驗方案。學生按照既定方案實施實驗，認真記錄并準確分析實驗數據。在此過程中，教師鼓勵學生積極交流討論，反思總結實驗過程中遇到的問題，并尋求改進方法，最終形成具有創新性和實用價值的探究成果。

本次教學實施過程以小組合作為核心，學生通過探究式學習，在教師的引導下逐步完成染料敏化太陽能電池從原理探究到實物制作的系列實驗，并通過成果展評檢驗學習成效。例如，在第4課時“光陰極的探究”中，教師通過回顧光陰極材料引發學生對廉價替代材料的思考，學生則通過實驗探究適合制作光陰極的材料及方法，這一過程不僅培養了學生的多角度分析問題的思維，而且為學生創造了實驗操作的機會。第7課時的成果展評內容涵蓋電池產電能效檢測和觸發音樂機芯測試，各小組依次展示電池成品及研究報告。鑒于七年級學生的認知局限性，實驗報告的評價工作由教師評委團依據科學評分標準來完成。對于實物產品的評價，則采用學生互評與教師評價相結合的方式，以確保評價的全面性和客觀性，并借助評價與反饋促進學生之間的相互學習。

五、教學效果評價與改進建議

教學效果評價旨在衡量教學活動的成效，了解學生對知識的掌握情況，發現教學中的不足，并為教師提供反饋。本次教學效果評價針對20名參與“染料敏化太陽能電池的探究”課程學習的學生，采用了多元化的評價方式。通過教師量化積分評價表和學生量化積分評價表，從教學雙方角度全面評價課程實施情況；知識小測檢驗了學生對課程內容的掌握程度；問卷調查則收集了學生對課程的反饋和建議。這些評價方式相互補充，確保了評價結果的客觀性和全面性，為進一步優化教學效果提供了參考依據。

（一）教學效果評價結果分析

一是教師與學生量化積分評價表分析。教師評價標準全面覆蓋了教學目標、教學內容、活動組評價反饋、學習機會和情感體驗等維度。在評價中，第5、6、7節課為學生自主制作產品及成果展評活動，未納入評價范圍。通過對前四個課時的得分進行平均處理，發現第1課時得分較低，原因是教學內容繁重且師生尚未適應STEAM教學模式。經過組內研討，通過調整教學節奏和增設教師助手等策略，后面幾個課時各項分值顯著提升。隨著課程深入實施，學生量化積分評價表各項得分持續上升。這表明基于STEAM的實驗教學模式能有效提高學生的學習熱情與參與度，增強學生的實驗操作能力、知識掌握程度，培養學生的創新思維，提高學生的綜合能力，從而驗證了STEAM教學模式的積極效果。

二是知識小測分析。知識小測結果顯示，第2課時學生及格率為75%，優秀人數為13人，平均分43.64，第7課時后學生及格率提升至100%，優秀人數為18人，平均分49.26。這表明學生在課程學習過程中對知識的掌握程度明顯提高，總體成績的上升揭示了基于STEAM的實驗教學模式在促進學生學業成績上的積極作用。

三是調查問卷分析。調查問卷前測設定在第1課時，后測設定在課程結束后，本次共發放20份問卷，實際回收有效問卷20份，有效率為100%。通過對比前測和后測的數據，教師發現學生在學習興趣、學習積極性和課程滿意度方面均有顯著提升：學習興趣前測均值為3.124 5，后測提升至4.756 3；學習積極性前測均值為2.987 6，后測為4.678 2；課程滿意度前測均值為3.452 1，后測高達4.892 3。教師對學生的實踐能力和團隊協作能力進行t檢驗統計（如表4），發現顯著性差異P值均小于0.05。這表明通過STEAM課程學習后，學生實踐能力顯著提高，實驗操作和知識應用更加熟練；團隊協作能力也有較為明顯提升，學生在溝通、分工合作及問題解決方面均有進步。此外，學生之間的能力水平差異也有所減小，學習態度變得更加一致。這些結果進一步驗證了基于STEAM的初中實驗教學模式實施的有效性。

（二）教學改進建議

教學評價結果真實反映了教學過程中的優點與不足，是推動教學改進、實現教育目標的重要依據。通過細致分析教學評價結果，教師可以精準定位問題所在，如內容安排、方法運用或學生參與度等，從而提出有針對性的改進建議，優化教學設計，提升教學質量，確保教學活動更加符合學生的學習需求和發展規律。

一是優化課程設計。根據教學評價結果，教師將進一步優化課程主題的選擇，確保所選主題能更好地激發學生的探究興趣和創造力，同時能全面地涵蓋STEAM各學科知識。教師還可以增加一些與生活實際聯系緊密的主題，以提升學生的知識應用能力和問題解決能力。同時，教師將合理安排課程內容的難度和進度，避免出現某些課時內容過多或難度過大的情況，使學生逐漸適應STEAM教學模式。

二是強化操作指導。在實驗教學過程中，教師要對一些復雜的實驗操作強化指導。例如，針對導電帶的燒結、光陰極的制備等實驗操作，教師應提供更詳細、更有針對性的指導，確保學生順利完成實驗。為了鼓勵學生在小組合作中積極主動地交流和分享，教師可以設計一些促進小組交流的活動和規則，提高小組合作的效率和質量。

三是完善課程評價。教師應進一步完善評價指標體系，增加對學生長期學習效果的評價指標。例如，關注學生在后續相關課程學習中的表現，以及對知識的長期記憶和應用能力等，可以更深入地評價教學效果。同時，教師還可以結合現場操作、項目作品、口頭報告等多種評價方法，全面細致地了解學生的學習情況，從中發現教學中的盲點，采取有針對性的改進措施，切實提升教學質量。

綜上所述，基于STEAM的初中實驗教學模式打破了傳統教學的學科壁壘，實現了多學科知識和方法的深度融合。這一創新的課程設計，為學生營造了一個既充滿挑戰又蘊含機遇的學習環境。通過跨學科項目式學習和實踐操作，教師引導學生從多角度審視和理解科學知識，有效拓展了學生的學習深度和廣度，培養了學生的實踐能力、創新能力和團隊合作精神。同時，多樣化的評價方法全面、準確地反映了學生的學習成效，還為教師提供了寶貴的教學反饋，有利于進一步優化課程設計與實施，切實提升初中實驗教學質量。

參考文獻

［1］徐燕.初中校本課程STEAM跨學科融合教學模式探索［J］.讀寫算，2024（10）：32-34.

［2］魏曉東，于冰，于海波.美國STEAM教育的框架、特點及啟示［J］.華東師范大學學報（教育科學版），2017，35（4）：40-46.

［3］金文君.基于STEAM理念的初中化學教學設計探究［D］.西寧：青海師范大學，2020：20-31.

［4］彭杜宏.面向未來的STEAM教育：錨定世界前沿真實問題的課程內容選擇［J］.教育導刊，2023（10）：44-51.

［5］胡茜茜.基礎教育課程改革以來教學設計中的學情分析研究［D］.上海：華東師范大學，2023：43-60.

［6］李季鵬.基于課程標準的跨學科主題學習評價設計研究：以“雨花茶韻”跨學科主題學習項目為例［J］.新課程導學，2024（9）：13-16.

［7］潘娟.教師課堂教學評價標準重構［D］.北京：首都師范大學，2004：15-28.

［8］沈躍峰.淺談初中科學課程中的教學情境創設［J］.新課程（下），2012（5）：77-78.

注：本文系南寧市教育科學“十四五”規劃課題“基于STEAM教育理念的初中創新實驗校本課程的開發與研究”（2022C442）的階段研究成果。

（責編 韋榕峰）