基于控制變量思想的STEM活動(dòng)的開發(fā)

馬圓 嚴(yán)文法 羅佳美

摘要：STEM教育理念是通過跨學(xué)科的方式來綜合運(yùn)用科學(xué)、技術(shù)、工程和數(shù)學(xué)這四門學(xué)科的相關(guān)知識(shí)，以培養(yǎng)滿足社會(huì)需求的具有個(gè)性化及實(shí)踐創(chuàng)新能力的人才。文章以靛藍(lán)胭脂紅在不同的氧化還原狀態(tài)呈現(xiàn)不同顏色為主線，基于控制變量思想來探究不同因素對(duì)顏色變化所需時(shí)間的影響，利用多學(xué)科知識(shí)解決特定的問題，以培養(yǎng)學(xué)生必備的科學(xué)核心素養(yǎng)。

關(guān)鍵詞：STEM;科學(xué)探究;控制變量

文章編號(hào)：1008-0546（2018）12-0005-04中圖分類號(hào)：G633.8文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

doi：10.3969/j.issn.1008-0546.2018.12.002

STEM教育是科學(xué)（Science）、技術(shù)（Technology）、工程（Engineering）和數(shù)學(xué)（Mathematics）教育的簡稱，起源于1980年代的美國。STEM教育將四門學(xué)科內(nèi)容融合在一起，在傳授知識(shí)的同時(shí)注重培養(yǎng)學(xué)生的問題解決能力和實(shí)踐創(chuàng)新能力，有利于提升學(xué)生整合學(xué)科知識(shí)的思維能力。美國為保持其科技創(chuàng)新的國際領(lǐng)先地位而越來越重視STEM教育，甚至將其視為國家戰(zhàn)略，并且將該教育理念覆蓋幼兒園到高中整個(gè)學(xué)段，學(xué)科范圍涉及眾多工程領(lǐng)域，主要培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)和實(shí)踐能力 [1]。國內(nèi)提出的學(xué)科核心素養(yǎng)的目標(biāo)是學(xué)生通過學(xué)科學(xué)習(xí)而逐漸形成正確的價(jià)值觀念、必備品格和關(guān)鍵能力 [2]，STEM教育是實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)的有效途徑，將二者結(jié)合培養(yǎng)學(xué)生成為具有綜合素質(zhì)的人才，因此重視并發(fā)展STEM教育具有深遠(yuǎn)意義。

自然界中的變化或工業(yè)生產(chǎn)過程往往由多個(gè)因素所控制，在研究其變化規(guī)律時(shí)，為了避免各因素間相互作用帶來的復(fù)雜性，在科學(xué)實(shí)驗(yàn)中，常采用控制變量的方法。在科學(xué)探究活動(dòng)中，正確運(yùn)用控制變量法是達(dá)到探究目的、完成探究的關(guān)鍵?；诳刂谱兞克枷氲腟TEM活動(dòng)的開發(fā)，讓學(xué)生親自體驗(yàn)和探究，形成知識(shí)體系，有利于培養(yǎng)和發(fā)展學(xué)生的科學(xué)、技術(shù)、工程和數(shù)學(xué)素養(yǎng)，使學(xué)生成為全面發(fā)展的人。

STEM教育在國外已有一些較為成熟的研究和實(shí)踐，但在我國尚屬新興領(lǐng)域。本文以靛藍(lán)胭脂紅在不同的氧化還原狀態(tài)呈現(xiàn)不同顏色為主線，運(yùn)用控制變量的思想，利用多學(xué)科知識(shí)解決特定的問題，探討基于控制變量思想的STEM活動(dòng)的開發(fā)。

一、設(shè)計(jì)思路

1.選題思路

靛藍(lán)胭脂紅（C16H8N2Na2O8S2，或稱酸性靛藍(lán)）既是氧化還原指示劑，也是酸堿指示劑，它是一種藍(lán)色染料。將靛藍(lán)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(shí)間是振蕩周期，振蕩周期的長短受反應(yīng)條件如溶液的酸堿度、反應(yīng)物濃度和溫度等因素的顯著影響。當(dāng)反應(yīng)受到多個(gè)因素影響時(shí)，通常采用只改變某個(gè)因素，而維持其他因素不變的基于控制變量的對(duì)照實(shí)驗(yàn)法來探究不同因素對(duì)振蕩周期的影響。

本探究活動(dòng)是基于控制變量思想和STEM教育理念進(jìn)行開發(fā)的，不將重點(diǎn)放在某個(gè)特定學(xué)科或者過于關(guān)注學(xué)科界限，而是將重心放在特定問題上，運(yùn)用固定其他因素只讓一種因素變化的控制變量思想，強(qiáng)調(diào)利用科學(xué)、技術(shù)、工程和數(shù)學(xué)等學(xué)科相互關(guān)聯(lián)的知識(shí)解決問題，實(shí)現(xiàn)跨越學(xué)科界限，從多學(xué)科知識(shí)綜合應(yīng)用的角度提高學(xué)生解決實(shí)際問題的能力。

2.設(shè)計(jì)要點(diǎn)

S（科學(xué)）：錐形瓶中溶液的溶質(zhì)是靛藍(lán)胭脂紅、氫氧化鈉和葡萄糖。在這個(gè)反應(yīng)體系中，靛藍(lán)胭脂紅在11.4

T（技術(shù)）：運(yùn)用化學(xué)實(shí)驗(yàn)的操作技術(shù)制作“紅綠燈裝飾品”，體現(xiàn)了STEM理念中的情境與合作。在活動(dòng)中，每個(gè)小組都扮演了“紅綠燈飾品”制作工廠的角色，運(yùn)用科學(xué)的操作技術(shù)，能從制作過程中理解所包含的技術(shù)要素，能夠從節(jié)能和環(huán)保的角度采取一些技術(shù)措施和方法。

E（工程）：整個(gè)活動(dòng)過程體現(xiàn)了工程學(xué)中從明確問題到制定方案，最后優(yōu)化改進(jìn)的系統(tǒng)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(huán)境等方面考慮制作“紅綠燈飾品”的最佳方案;最后優(yōu)化改進(jìn)，即制成具有觀賞性的“紅綠燈飾品”。

M（數(shù)學(xué)）：當(dāng)反應(yīng)受到多個(gè)因素影響時(shí)，能夠通過確定和控制變量進(jìn)行研究;能夠利用數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、得出結(jié)論，并能進(jìn)行適當(dāng)?shù)耐评?，從而加深學(xué)生對(duì)科學(xué)探究的理解。在活動(dòng)中還涉及到試劑取用量的讀數(shù)、反應(yīng)物濃度配比等，不僅能培養(yǎng)學(xué)生的數(shù)學(xué)素養(yǎng)，還能鞏固學(xué)生對(duì)科學(xué)概念的掌握。

二、活動(dòng)流程

活動(dòng)設(shè)計(jì)主要包含四部分，準(zhǔn)備階段、實(shí)施階段、改進(jìn)階段和反思階段。其中，準(zhǔn)備階段包含“創(chuàng)設(shè)情境，激發(fā)興趣”和“提出問題，明確原理”兩個(gè)環(huán)節(jié);實(shí)施階段和改進(jìn)階段對(duì)應(yīng)“自主探究，制定方案”環(huán)節(jié);反思階段對(duì)應(yīng)“總結(jié)反思，應(yīng)用遷移”環(huán)節(jié)。每個(gè)環(huán)節(jié)都有相關(guān)的活動(dòng)內(nèi)容和設(shè)計(jì)目的。具體的流程設(shè)計(jì)如圖2所示：

三、活動(dòng)過程

環(huán)節(jié)一：創(chuàng)設(shè)情境，激發(fā)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(lán)胭脂紅粉末，再將玻璃棒伸入混合溶液中攪拌，請同學(xué)觀察溶液的顏色變化。

[學(xué)生]查閱資料并結(jié)合已有的知識(shí)分析上述反應(yīng)體系變色的原理，交流討論。

設(shè)計(jì)意圖：情境性是STEM教育的組成部分之一。學(xué)習(xí)受具體情境的影響，情境不同學(xué)習(xí)也不同。通過創(chuàng)設(shè)情境，能夠激發(fā)學(xué)生的興趣，讓學(xué)生結(jié)合已有的化學(xué)知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)作出猜想，培養(yǎng)學(xué)生的知識(shí)遷移能力。

環(huán)節(jié)二：提出問題，明確原理

[預(yù)設(shè)提問]在這個(gè)反應(yīng)中，氫氧化鈉起到調(diào)節(jié)溶液pH的作用。那么，溶液變色的實(shí)質(zhì)是什么呢？

[學(xué)生]針對(duì)教師提出的問題，學(xué)生可以通過教師準(zhǔn)備的資料（資料包）來收集信息，也可以使用網(wǎng)絡(luò)檢索相關(guān)信息。學(xué)生可以獨(dú)立完成，也可合作完成，并將整理好的答案與同學(xué)交流，明確“紅綠燈”變色實(shí)驗(yàn)的原理：

（1）在這個(gè)反應(yīng)體系中，振蕩溶液時(shí)，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(lán)胭脂紅最高還原態(tài)的黃色逐步氧化為中間態(tài)的紅色和最高氧化態(tài)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(huì)將靛藍(lán)胭脂紅的最高氧化態(tài)逐步還原為最高還原態(tài)，溶液的顏色就會(huì)相應(yīng)的由綠色變?yōu)榧t色再變?yōu)辄S色。

（3）顏色可以重復(fù)變化，直到所有的葡萄糖都被氧化完畢或溶液內(nèi)的氧氣耗盡為止。溶液顏色由綠色變?yōu)辄S色所需的時(shí)間是振蕩周期。

設(shè)計(jì)意圖：溶液僅在靜置和振蕩時(shí)就會(huì)發(fā)生顏色變化，激發(fā)學(xué)生的認(rèn)知沖突，引起學(xué)生積極思維。STEM學(xué)習(xí)是探究性的學(xué)習(xí)，而探究需從問題開始，老師引導(dǎo)學(xué)生發(fā)現(xiàn)問題，從而明確溶液變色的原理。

環(huán)節(jié)三：自主探究，制定方案

[教師]溶液顏色由綠色變?yōu)辄S色所需的時(shí)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(xué)們設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行探究。

[學(xué)生]選擇儀器和試劑設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案。在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)完成，進(jìn)行交流討論。

[教師]點(diǎn)評(píng)實(shí)驗(yàn)方案。提出控制變量實(shí)驗(yàn)法：研究振蕩周期的長短受何種因素影響時(shí)，為了避免各因素間相互作用帶來的復(fù)雜性，在科學(xué)實(shí)驗(yàn)中，通常采用只改變某個(gè)因素而維持其他因素不變的控制變量實(shí)驗(yàn)法來進(jìn)行探究。

[學(xué)生]設(shè)計(jì)最佳實(shí)驗(yàn)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(yīng)物濃度和溫度不變，考查溶液的酸堿度對(duì)振蕩周期的影響（如表1所示）：

[預(yù)設(shè)提問]明確了此溶液的變色原理，確定了影響因素后，同學(xué)們能否將其設(shè)計(jì)成一種裝飾品？制作成裝飾品應(yīng)該注意哪些事項(xiàng)呢？假設(shè)每個(gè)小組是生產(chǎn)“紅綠燈飾品”工廠的成員，請從成本、能耗、環(huán)保、具有觀賞性等角度制定生產(chǎn)方案。

[學(xué)生]查閱資料，交流討論，小結(jié)注意事項(xiàng);合作交流進(jìn)行設(shè)計(jì)。每個(gè)小組展示成果，說明設(shè)計(jì)理念和設(shè)計(jì)特色。其他小組對(duì)展示的飾品進(jìn)行評(píng)價(jià)。最后全班同學(xué)選出設(shè)計(jì)最好的飾品。

設(shè)計(jì)意圖：在教師的引導(dǎo)下，將學(xué)習(xí)者分組進(jìn)行合作探究，能更好地促進(jìn)學(xué)生知識(shí)和技能的發(fā)展 [10]。了解了控制化學(xué)反應(yīng)條件的作用、掌握了運(yùn)用控制變量法進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)后，提出工程問題，讓學(xué)生根據(jù)已有知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)并制作“紅綠燈飾品”，增強(qiáng)學(xué)生的動(dòng)手能力和解決問題的能力，符合STEM教育中體驗(yàn)情境、團(tuán)結(jié)協(xié)作的理念。每個(gè)小組展示產(chǎn)品并說明設(shè)計(jì)理念時(shí)，增強(qiáng)學(xué)生的語言表達(dá)能力。

環(huán)節(jié)四：總結(jié)反思，應(yīng)用遷移

本活動(dòng)中，溶液變色的本質(zhì)是交替發(fā)生氧化與還原反應(yīng)的結(jié)果。其中，葡萄糖作還原劑，使得靛藍(lán)胭脂紅被還原而發(fā)生顏色變化;溶解的氧氣作氧化劑，振蕩溶液時(shí)，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(fā)生變化。在反應(yīng)中改變反應(yīng)的條件會(huì)影響化學(xué)反應(yīng)進(jìn)行的快慢。自然界中的變化或工業(yè)生產(chǎn)過程往往由多個(gè)因素所控制，在研究其變化規(guī)律時(shí)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(dòng)中，每個(gè)小組模擬工廠員工進(jìn)行開發(fā)、設(shè)計(jì)、生產(chǎn)一件產(chǎn)品，但在實(shí)際的生產(chǎn)中是大規(guī)模、大批量生產(chǎn)的，因此要考慮到的因素更多。

設(shè)計(jì)意圖：總結(jié)本節(jié)課的相關(guān)內(nèi)容，讓學(xué)生靈活掌握知識(shí)。除了科學(xué)知識(shí)外，還讓學(xué)生意識(shí)到一些工業(yè)生產(chǎn)雖然來源于實(shí)驗(yàn)室，但是高于實(shí)驗(yàn)室，體現(xiàn)了跨學(xué)科整合的STEM教育理念。

四、教學(xué)反思

STEM教育的目的是提升學(xué)生整合學(xué)科知識(shí)的思維能力，以培養(yǎng)滿足社會(huì)需求的創(chuàng)新型人才?；瘜W(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)立足于現(xiàn)代生活和未來發(fā)展的需要，是化學(xué)學(xué)科中學(xué)生形成的正確價(jià)值觀、關(guān)鍵能力與必備品格，是學(xué)生終身學(xué)習(xí)和發(fā)展的重要基礎(chǔ)。因此，通過STEM教育對(duì)發(fā)展學(xué)科核心素養(yǎng)具有深遠(yuǎn)意義?？刂谱兞糠ㄊ强茖W(xué)探究中常用的方法，化學(xué)是一門以實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)的學(xué)科，對(duì)于每一個(gè)具體的化學(xué)實(shí)驗(yàn)而言，控制好實(shí)驗(yàn)條件非常重要，是完成實(shí)驗(yàn)的關(guān)鍵。以化學(xué)內(nèi)容為載體，基于控制變量思想開發(fā)一些STEM活動(dòng)，使學(xué)生在活動(dòng)過程中實(shí)現(xiàn)化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)的發(fā)展，幫助學(xué)生正確認(rèn)識(shí)化學(xué)對(duì)人類生活和社會(huì)發(fā)展的影響，有助于學(xué)生對(duì)科學(xué)方法、科學(xué)概念和科學(xué)原理的掌握和應(yīng)用，有利于提升學(xué)生綜合利用跨學(xué)科知識(shí)解決問題的能力，為學(xué)生的終身學(xué)習(xí)和發(fā)展夯實(shí)基礎(chǔ)以培養(yǎng)滿足社會(huì)需求的實(shí)踐創(chuàng)新型人才。

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