以化學(xué)為主題的STEAM課例設(shè)計與實施
——以《鋁鹽與氫氧化鈉反應(yīng)生成氫氧化鋁沉淀的實驗探究》為例

■李晉凱

一、化學(xué)STEAM教育的研究背景

現(xiàn)如今，STEAM教育在我國開展得如火如荼。在2016年教育部發(fā)布的《教育信息化“十三五”規(guī)劃》中，明確提出，要“積極探索信息技術(shù)在‘眾創(chuàng)空間’、跨學(xué)科學(xué)習(xí)（STEAM教育）、創(chuàng)客教育等新的教育模式中的應(yīng)用，著力提升學(xué)生的信息素養(yǎng)、創(chuàng)新意識和創(chuàng)新能力，促進(jìn)學(xué)生的全面發(fā)展”。

近年來，在化學(xué)新課程標(biāo)準(zhǔn)的指導(dǎo)下，高中化學(xué)課程改革取得了相當(dāng)大的成果，促進(jìn)了我國21世紀(jì)高中化學(xué)課程的發(fā)展。但是，隨著改革的進(jìn)行，中學(xué)化學(xué)教學(xué)也暴露出了教學(xué)模式單一、評價機(jī)制匱乏、教師水平有待提高等一系列問題。要解決這樣的問題，必須利用STEAM教育思想來思考化學(xué)教學(xué)模式，使用混合的教學(xué)模式、多元的評價機(jī)制，教師更要努力學(xué)習(xí)與化學(xué)相關(guān)的其他學(xué)科知識，以達(dá)到勝任STEAM教學(xué)的要求。

二、化學(xué)STEAM教育的內(nèi)涵與內(nèi)容

STEAM教育的根本目標(biāo)是做到以生為本，全力提升學(xué)生核心素養(yǎng)和綜合創(chuàng)新能力。STEAM教學(xué)能夠帶動師生的充分互動，讓學(xué)生成為課堂的主人，教師成為學(xué)生學(xué)習(xí)的引導(dǎo)者和輔助者，充分發(fā)揮學(xué)生的主觀能動性，讓學(xué)生的思維迸發(fā)出智慧和創(chuàng)造的火花。

以化學(xué)為主題的STEAM教育的直接手段是利用互聯(lián)網(wǎng)信息技術(shù)和現(xiàn)代化科技，做到對學(xué)生學(xué)習(xí)狀況的及時了解和精準(zhǔn)定位，做到對教學(xué)方法的多樣變革和難點創(chuàng)新，做到對創(chuàng)新環(huán)境的精心營造和協(xié)作引導(dǎo)，讓同學(xué)們從有別于傳統(tǒng)的角度來深入認(rèn)識化學(xué)問題，了解化學(xué)原理，掌握用化學(xué)知識來改變生活的技能?，F(xiàn)階段，STEAM教育的理念深入人心，硬件配置也是層出不窮。從最初的多媒體教學(xué)，到驚艷眼球的AR技術(shù)和VR技術(shù)，再到3D打印、數(shù)據(jù)建?！菬o論最終發(fā)展到什么程度，作為化學(xué)教師，我們所需要做的，都是同步甚至超前學(xué)習(xí)新技術(shù)，時刻關(guān)注學(xué)生的學(xué)習(xí)狀態(tài)?；瘜W(xué)教學(xué)方法要充滿智慧，教學(xué)重難點要力求創(chuàng)新，引導(dǎo)方式要多樣有效，讓學(xué)生在最短的時間內(nèi)攻克化學(xué)學(xué)習(xí)道路上的絆腳石。

三、以化學(xué)為主題的STEAM課例設(shè)計與實施

（一）《鋁鹽與氫氧化鈉反應(yīng)生成氫氧化鋁沉淀的實驗探究》的設(shè)計

《鋁鹽與氫氧化鈉反應(yīng)生成氫氧化鋁沉淀的實驗探究》是一個以化學(xué)為主題的STEAM綜合性課程。如何將傳統(tǒng)的化學(xué)實驗探究打造成STEAM課程，一直是擺在合肥一中老師們面前的難題。李友銀老師、石璞老師和筆者經(jīng)過多輪的探索與實踐，以數(shù)字化實驗為依托，以挑戰(zhàn)傳統(tǒng)思想、培養(yǎng)綜合實踐能力為主要目標(biāo)，開發(fā)出了這節(jié)課，并由李晉凱老師在2017年6月成都舉行的第一屆中國STEM教育發(fā)展大會暨新戰(zhàn)略、新課改、新高考論壇上進(jìn)行了公開展示。由于時間有限，這次公開展示只用了50分鐘的時間，展示了課程的實施部分。在我們的STEAM實際教學(xué)中，由于學(xué)生需要自主提出問題、自主設(shè)計探究合作方案，因此花費的時間遠(yuǎn)高于50分鐘。

（二）《鋁鹽與氫氧化鈉反應(yīng)生成氫氧化鋁沉淀的實驗探究》的實施

這節(jié)課的出發(fā)點，就是同學(xué)們在鋁鹽和氫氧化鈉反應(yīng)生成沉淀的問題上普遍存在的誤區(qū)：傳統(tǒng)的“3 :1”曲線。我們首先讓STEAM課程組的同學(xué)們總結(jié)高中所學(xué)的關(guān)于鋁的知識點，試圖引導(dǎo)他們能夠發(fā)現(xiàn)一些問題。我們給予同學(xué)們足夠的時間，最終有著欣喜的發(fā)現(xiàn)。有同學(xué)指出，根據(jù)原有的圖像，Al3+沉淀完就會溶解生成但是Al（OH）3完全沉淀的PH值約為4.7，而它又不溶于氨水（飽和氨水的PH值室溫下約為11）。這就產(chǎn)生了矛盾：剛剛生成的Al（OH）3沉淀在依然是酸性的溶液中怎么會立即溶解呢？

帶著這個問題，同學(xué)們需要自主設(shè)計研究方案，去揭開真相。經(jīng)過多輪的方案篩選、器材的選擇，同學(xué)們最終討論出了一套認(rèn)為比較理想的方案：利用PH傳感器和滴數(shù)傳感器實時監(jiān)測NaOH滴定鋁鹽過程中，NaOH的體積與溶液PH的關(guān)系，從而驗證傳統(tǒng)圖像的準(zhǔn)確性。說起來容易，做起來卻有難度。同學(xué)們沒有接觸過化學(xué)實驗數(shù)字傳感器，需要對照說明書去了解它們的用途，自主搭建實驗平臺，自主安裝電腦軟件并進(jìn)行實驗前的各項測試。在優(yōu)化實驗平臺搭建的過程中，同學(xué)們充分感受到了化學(xué)實驗也是一門藝術(shù)。

在實驗平臺的搭建完成以及實驗具體方案通過老師們的論證后，同學(xué)們即著手開始了探究。由于同學(xué)們選擇了數(shù)字化技術(shù)，讓傳統(tǒng)的實驗中看不見的東西變得顯而易見。雖然實驗過程并非一切順利，但是同學(xué)們總能通過討論與探索，解決出現(xiàn)的一系列問題。整個過程，教師作為旁觀者，僅在同學(xué)們可能出現(xiàn)明顯的地方予以適當(dāng)?shù)奶嵝?，其余時間，教師對學(xué)生的綜合表現(xiàn)進(jìn)行相應(yīng)的記錄與評價。通過這次完全自主的探究，同學(xué)們成功發(fā)現(xiàn)了實際實驗曲線與傳統(tǒng)曲線的不同之處：Al（OH）3在恰好沉淀完全之后，需要等到溶液的PH值升高到11.7左右，才會開始溶解。而且，同學(xué)們通過自主查閱的相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行了計算，計算結(jié)果與實驗結(jié)果非常的吻合。課程的探究部分技術(shù)后，師生坐在一起，共同對結(jié)果進(jìn)行了討論，通過計算和查閱資料，給出了合理的解釋，同學(xué)們也充分感受到了STEAM實驗課程的魅力。

四、取得的成效

本節(jié)課展示期間，筆者延續(xù)了合肥一中STEAM的授課傳統(tǒng)，將兩個年級的學(xué)生（高一和高二年級）混合在一起上課，使用全英文的講義和PPT，通過精心的設(shè)計，成功地將S（科學(xué)）、T（技術(shù)）、E（工程）、A（藝術(shù)）和M（數(shù)學(xué)）五個方面成功結(jié)合在了課堂中，運用現(xiàn)代技術(shù)重新進(jìn)行實驗探究，顛覆了同學(xué)們對鋁鹽與氫氧化鈉反應(yīng)生成沉淀量這一知識的傳統(tǒng)認(rèn)識，讓現(xiàn)場聽課的老師眼前一亮，交口稱贊。

合肥一中掛牌成立了STEAM課程設(shè)計與建設(shè)工作室，對STEAM課程建設(shè)與應(yīng)用從課程實踐、課題研究、實驗室建設(shè)、學(xué)生選拔、師資隊伍培養(yǎng)等多個維度開展專門的研究工作。目前，學(xué)校已申報安徽省級課題“實施STEAM教育發(fā)展學(xué)生核心素養(yǎng)的研究”，已建成2個“STEAM”工作坊以及1個“STEAM”數(shù)字化實驗室，旨在加強(qiáng)課程實踐以及課題研究的硬件保障。實驗器材門類齊全，有3D打印機(jī)、3D眼鏡、激光雕刻機(jī)、遙感技術(shù)等，設(shè)備可謂“高大上”；師資水平也是超一流，集結(jié)了合肥一中各學(xué)科的精英，有博士、碩士和出國留學(xué)歸來的學(xué)者。STEAM教育課程創(chuàng)造性地進(jìn)行了跨年級整合，高一、高二融為一體，不同年級的同學(xué)相互交流，進(jìn)行一種傳承式的研修，所開設(shè)的課程包括《手機(jī)APP控制自制機(jī)器人小車》、《搭紙橋等系列實驗》、《水火箭的制作》、《鋁鹽與氫氧化鈉反應(yīng)生成氫氧化鋁沉淀的實驗探究》、《沙畫與科學(xué)的藝術(shù)》、《3D打印與設(shè)計》等，教師通過引導(dǎo)學(xué)生動手、動腦，培養(yǎng)學(xué)生的獨立思考能力、動手能力、解決問題的能力和團(tuán)隊協(xié)作能力。每周上課時間大約有3個小時，除此以外，學(xué)生還利用課外時間到實驗室或工作坊進(jìn)行自我研修，不同的實驗室或工作坊培養(yǎng)的主題也不同，學(xué)生可以盡早找到自己的興趣并確定研究方向。為了能夠讓學(xué)校起步不久的STEAM教育盡早趕上發(fā)展的潮流，合肥一中與中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)展開了充分的交流與合作，依托中科大強(qiáng)大的科研和師資力量，讓我們的學(xué)生能夠在學(xué)業(yè)之余，盡早接觸到能夠應(yīng)用于實際的綜合性研究項目，從高中階段就開始致力于學(xué)生核心素養(yǎng)和綜合創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。

五、反思與展望

本節(jié)課雖然較為成功地將STEAM思想運用到了化學(xué)課堂上，但是，距離我們的最終目標(biāo)——運用化學(xué)理念實現(xiàn)實用技術(shù)的生產(chǎn)和優(yōu)化，還有很大的距離。雖然STEAM教育需要硬件的支持，但是不能把STEAM教育簡單理解為“制造一個‘高大上’產(chǎn)品”的教育。產(chǎn)品固然是一個方面，但是產(chǎn)品終究是為教育服務(wù)的，制造產(chǎn)品并不是中學(xué)生的主要任務(wù)，中學(xué)生的知識結(jié)構(gòu)體系還不夠成熟，他們需要更多的摸索和經(jīng)驗積累。我們需要做的，也是我們正在做的，是打造一個將各個學(xué)科的內(nèi)容融合起來的體系，讓STEAM教育成為一種溫馨的、符合中學(xué)生身心發(fā)展規(guī)律的教育，一種能滿足各種學(xué)生能力的教學(xué)手段，一種能讓學(xué)生建立強(qiáng)大自信心的教育模式，一種真正地以教育為核心、創(chuàng)新為導(dǎo)向、快樂為目的素質(zhì)教育。

展望未來，國際競爭將會是人才競爭，而現(xiàn)階段人才的培養(yǎng)的關(guān)鍵在于教育模式的創(chuàng)新與課程的改革?！耙粠б宦贰眹翼攲討?zhàn)略的逐步推進(jìn)實施，更是為未來中國與沿線國家及區(qū)域的整體發(fā)展做出了更為宏偉而深遠(yuǎn)的綜合布局，科技領(lǐng)域及相關(guān)人才所能發(fā)揮的作用和施展的空間更為廣闊。合肥一中有著“懷天下抱負(fù)，做未來主人”的情懷，未來在STEAM課程的研發(fā)和實施過程中，將繼續(xù)發(fā)揮應(yīng)有的引領(lǐng)作用，為國家培養(yǎng)出更多、更優(yōu)秀的人才。