基于STEAM教育理念的初中化學(xué)實驗設(shè)計與實踐研究

鄭州師范學(xué)院化學(xué)化工學(xué)院(450000) 賀玉婷

河南省南陽市社旗縣宛東實驗高級中學(xué)(473000) 馬龍威

1 初中化學(xué)STEAM實驗的設(shè)計原則及設(shè)計思路

1.1 設(shè)計原則

1.1.1 科學(xué)性原則

科學(xué)性原則是指STEAM實驗的設(shè)計必須符合化學(xué)學(xué)科及其他學(xué)科的基本知識、基本原理，符合科學(xué)邏輯，不能憑借自己的意愿，違背客觀規(guī)律進行設(shè)計。STEAM實驗的設(shè)計包括實驗的原理、實驗材料的選擇、實驗的方法和步驟，只有這些都符合科學(xué)性原則，才能夠保證實驗成功進行，才能夠得出科學(xué)的結(jié)論。因此，科學(xué)性原則是STEAM實驗設(shè)計的第一原則。

1.1.2 安全性原則

安全性原則是指從實驗開始到結(jié)束，整個過程都要保證實驗人員的安全。初中生剛剛接觸到實驗，尤其是化學(xué)實驗，積累的實驗經(jīng)驗甚少，缺乏安全意識。因此，進行實驗設(shè)計時必須時刻考慮到學(xué)生的安全。從實驗選材，到實驗方法和步驟都必須采用無毒無害的材料，避免帶有危險性的操作，選用符合初中生認知能力的實驗方法以保證學(xué)生實驗時的安全。

1.1.3 可行性原則

可行性原則是指STEAM實驗的設(shè)計要考慮到組織者及實驗操作人員的實際能力，既要考慮到組織者籌備實驗器材、實驗藥品與實驗儀器的能力，也要考慮到實驗人員本身的實驗技能。若實驗設(shè)計的實驗器材、藥品與儀器超出實驗人員籌備能力，則實驗難以開展；若實驗設(shè)計對操作技能的要求高于實驗者本身具備的實驗技能，則實驗也很難有效完成。因此，STEAM實驗的可行性原則是設(shè)計實驗的一個重要原則。

1.1.4 趣味性原則

趣味性原則是在設(shè)計STEAM實驗時，要考慮到實驗人員的興趣愛好，要求實驗具有一定的趣味性。因為實施實驗的主體是初中生，該階段學(xué)生具有很強的求知欲和好奇心，他們對于知識的獲得往往更傾向于自己感興趣或是有趣味的知識。因此，設(shè)計實驗時主動添加一些趣味性元素，更有利于激發(fā)學(xué)生的好奇心和求知欲，有利于學(xué)生對知識的學(xué)習和應(yīng)用。

1.1.5 生活化原則

生活化原則是設(shè)計家庭STEAM實驗時必須考慮到的一個原則。家庭中的STEAM實驗是學(xué)生把學(xué)到的知識運用于生活中的體現(xiàn)，是聯(lián)系課堂與生活的重要媒介，同時生活中STEAM實驗的設(shè)計需要遵循生活化原則。生活化原則有利于降低實驗對實驗儀器、設(shè)備、試劑、藥品的要求，有利于降低實驗對實驗者的要求，有利于擴大實驗的實施范圍，更能夠保證實驗的有效實施。

1.2 設(shè)計思路

1.2.1 利用顏色變化進行設(shè)計

顏色變化是學(xué)生觀察實驗的首要因素，利用顏色變化進行實驗設(shè)計有利于吸引學(xué)生的注意力，有利于提高學(xué)生的興趣。初中化學(xué)教材中涉及到顏色變化的化學(xué)反應(yīng)有很多，比如化學(xué)下冊第10單元“常見的酸和堿”中的酸堿指示劑與酸堿反應(yīng)部分，涉及到五顏六色的顏色變化。可以設(shè)計成“秘密情報”“隱形墨水”“調(diào)制雞尾酒”等STEAM實驗，既能培養(yǎng)學(xué)生良好的實驗操作能力，又能培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新思維。

1.2.2 利用物質(zhì)反應(yīng)能量或狀態(tài)發(fā)生變化進行設(shè)計

化學(xué)反應(yīng)大多涉及到能量變化，只是很多反應(yīng)的能量變化不明顯，不易察覺到。但是在初中化學(xué)課本中也有一些能量變化比較明顯的化學(xué)反應(yīng)，除燃燒反應(yīng)放出大量熱之外，雙氧水分解、濃硫酸稀釋、氫氧化鈉固體溶解等也會放出大量熱。大多數(shù)化學(xué)反應(yīng)中物質(zhì)狀態(tài)多為液體，如果物質(zhì)的狀態(tài)發(fā)生變化大多生成沉淀或氣體，比如生成氣體的實驗有碳酸鹽溶液和稀鹽酸反應(yīng)、生成沉淀的實驗有澄清石灰水和二氧化碳反應(yīng)等。利用物質(zhì)化學(xué)反應(yīng)中發(fā)生能量變化或是狀態(tài)變化進行設(shè)計，不僅實驗現(xiàn)象明顯，易于觀察，還能夠提高學(xué)生參與活動的積極性。

1.2.3 通過改進實驗裝置進行設(shè)計

實驗裝置是評判實驗是否科學(xué)的一個重要依據(jù)，實驗裝置的好壞或優(yōu)劣在很大程度上決定了實驗是否能夠順利進行，決定實驗?zāi)芊袢〉贸晒ΑＵn本中一些實驗裝置的設(shè)計，一是設(shè)計時間較早，隨著時代的發(fā)展，科技的進步，新的實驗裝置的誕生，一些實驗的裝置需要跟著改進；二是課本中部分實驗裝置過于復(fù)雜或是儀器較貴，一些鄉(xiāng)鎮(zhèn)學(xué)?？赡懿痪邆湎鄳?yīng)的實驗室條件，或是學(xué)生自己在家進行實驗時沒有相應(yīng)的器材，因此需要對實驗裝置進行改進。改進路徑有兩條：針對實驗室條件較差的鄉(xiāng)鎮(zhèn)學(xué)校進行改進、針對家庭STEAM實驗進行改進。

2 初中化學(xué)教材分析與STEAM實驗案例設(shè)計

2.1 基于STEAM教育理念下初中化學(xué)教材分析

筆者依據(jù)《義務(wù)教育化學(xué)課程標準》對人教版9年級化學(xué)上、下冊(2012版)的教材內(nèi)容進行STEAM實驗設(shè)計，對教材中共計12個單元100余個實驗(包含討論、探究以及書中的課外實驗)進行整理分析，歸納實驗的相同之處與特點。并在STEAM教育理念的基礎(chǔ)上結(jié)合多種教育理論，根據(jù)STEAM實驗設(shè)計的科學(xué)性、安全性、便捷性、可行性、趣味性、生活化等設(shè)計原則，對歸納的知識點進行重組，根據(jù)STEAM實驗的需要合理地加入一些新的元素，設(shè)計出了16個化學(xué)STEAM實驗，具體實驗見表1。

表1 初中化學(xué)STEAM實驗表

2.2 初中化學(xué)STEAM實驗的案例設(shè)計

2.2.1 STEAM實驗案例一：制作葉脈書簽

知識基礎(chǔ)：氫氧化鈉的腐蝕性，雙氧水的氧化性和漂白性。

實驗說明：本實驗在學(xué)習第10單元課題1常見的酸和堿之后進行實驗，在課外實驗“制作葉脈書簽”的基礎(chǔ)上進行STEAM實驗設(shè)計，具體設(shè)計內(nèi)容見表2。

2.2.2 STEAM實驗案例二：彩繪雞蛋

知識基礎(chǔ)：二氧化碳的制取和二氧化碳的化學(xué)性質(zhì)。

實驗說明：本實驗是依據(jù)人教版(2012版)9年級上冊課外實驗——觀察雞蛋殼與醋酸的反應(yīng)進行STEAM實驗設(shè)計。該STEAM實驗既適宜在實驗室實驗，也適宜在家庭中實驗，具體設(shè)計內(nèi)容見表3。

表2 葉脈書簽制作的STEAM教學(xué)設(shè)計

表3 彩繪雞蛋STEAM實驗設(shè)計

實驗?zāi)康模毫私怆u蛋殼中含有碳酸鈣，熟悉碳酸鈣和醋酸的反應(yīng)。通過彩繪雞蛋實驗既可以陶冶學(xué)生的實驗興趣，又可以培養(yǎng)學(xué)生的情操，還可以提高學(xué)生的實驗操作能力。

實驗原理：醋酸(CH3COOH)可以和碳酸鈣(CaCO3)反應(yīng)，但不和蠟筆反應(yīng)。

實驗用品：紅皮雞蛋、食醋、蠟筆、小毛筆、250 mL大燒杯、100 mL小燒杯、玻璃棒(可用筷子代替)、吸水紙(可用手帕紙代替)、未使用過的一次性注射器。

本實驗通過學(xué)生自己動手彩繪雞蛋的STEAM實驗，既可以加深學(xué)生對于酸與碳酸鹽的反應(yīng)認識，也可以鍛煉學(xué)生的實驗操作能力，實驗過程有趣，實驗產(chǎn)品具有藝術(shù)性，可以提高學(xué)生的藝術(shù)修養(yǎng)，從而達到促進學(xué)生全面發(fā)展的目標。

本研究的實踐對象是鄭州市某中學(xué)9年級某班學(xué)生，共52人。筆者將設(shè)計的初中化學(xué)STEAM實驗項目在這個班進行實踐，在實踐后開展調(diào)查問卷并對結(jié)果進行測評，由此來驗證STEAM實驗的有效性。實踐過程中的授課教師由筆者來擔任。

筆者在實施化學(xué)STEAM實驗前，向?qū)W生介紹什么是STEAM實驗，為什么要做STEAM實驗，STEAM實驗與我們學(xué)習的實驗有什么區(qū)別。每一個項目實施前會向?qū)W生先講解STEAM實驗的實驗?zāi)康?、實驗原理、注意事項等知識。利用每一次實驗課時間，認真組織學(xué)生開展初中STEAM實驗。最后，在學(xué)生做過STEAM實驗之后對其進行問卷調(diào)查，分析STEAM實驗的實施效果。分析STEAM實驗對學(xué)生的學(xué)習能力、學(xué)習興趣和態(tài)度的影響。

本調(diào)查發(fā)出問卷52份，收回有效問卷51份，問卷有效率為98.1%。

結(jié)合問題1“你是否喜歡做創(chuàng)意實驗？”的數(shù)據(jù)(見圖1)，分析學(xué)生對實驗的喜歡程度。

從圖1中可以看出有92.2%的學(xué)生表示喜愛創(chuàng)意實驗，只有7.8%的學(xué)生表示無所謂。這意味著學(xué)生們具有強烈地做創(chuàng)意實驗的想法和欲望，這對發(fā)展STEAM教育理念和開展STEAM實驗課程非常有利。

根據(jù)問題2“你之前是否了解過STEAM實驗？”的分析(見圖2)，分析學(xué)生對STEAM實驗的了解程度。

從圖2中可以看出有49.0%的學(xué)生表示之前沒有了解過STEAM實驗，有41.2%的學(xué)生表示之前有了解過但沒有做過STEAM實驗，只有9.8%的學(xué)生表示表示了解過并做過STEAM實驗。這表明學(xué)生對STEAM實驗的了解程度很低，從另一角度說明發(fā)展STEAM教育理念和開展STEAM實驗課程的必要性。

根據(jù)問題3“你對STEAM實驗的滿意度”的數(shù)據(jù)(見圖3)，預(yù)測開展STEAM實驗的教學(xué)效果。

從圖3中可以看出有92.2%的學(xué)生表示喜歡或非常喜歡STEAM實驗，有7.8%的學(xué)生表示一般，并且沒有人表示不喜歡。這表明學(xué)生們對STEAM實驗的滿意程度很高，這一數(shù)據(jù)表明至少在學(xué)生層面發(fā)展STEAM教育理念和開展STEAM實驗課程會有很好的預(yù)期效果。

根據(jù)問題4“你認為STEAM實驗有哪些優(yōu)點？”的數(shù)據(jù)繪圖分析(見圖4)，根據(jù)問題5“你認為STEAM實驗有哪些缺點？”的數(shù)據(jù)繪圖分析(見圖5)。

STEAM實驗的優(yōu)點和缺點大多數(shù)是相對的，對于同一因素有的學(xué)生認為是優(yōu)點，倘若看的角度不同可能會有另一些學(xué)生認為是缺點，因此結(jié)合圖4、圖5綜合分析STEAM實驗的優(yōu)缺點。首先可以得出有98%的學(xué)生認為STEAM實驗更有趣，有超過80%的學(xué)生認為STEAM實驗更容易理解和更貼近生活。但是根據(jù)STEAM實驗的趣味性原則和生活性原則，部分實驗儀器會被生活用品替代，這在一定程度上會使學(xué)生心中認為與科學(xué)家所做實驗不一致，因此可能被認為具有實驗步驟不夠嚴格、實驗器材不夠規(guī)范等缺點。

根據(jù)問題6“你認為STEAM實驗對你有什么影響？”的數(shù)據(jù)繪圖分析(見圖6)。

從圖6中可以得出有96.1%的學(xué)生表示STEAM實驗對自己產(chǎn)生了積極影響，有3.9%的學(xué)生表示無明顯變化，沒有學(xué)生表示會增加自己學(xué)習負擔。其中，有88.2%的學(xué)生認為STEAM實驗有助于提高自己的學(xué)習興趣，有58.8%的學(xué)生認為STEAM實驗有助于提高自己的自信心，有80.4%的學(xué)生認為STEAM實驗有助于提高自己的動手能力，有54.9%的學(xué)生認為STEAM實驗有助于增強自己合作學(xué)習的意識，有70.6%的學(xué)生認為STEAM實驗有助于增強自己探究學(xué)習的意識。這表明STEAM實驗對學(xué)生提高學(xué)習興趣、提高自信心、增強合作學(xué)習和探究學(xué)習的意識有很大幫助。

根據(jù)問題7“你是否建議STEAM實驗在教學(xué)實踐中得到開展？”的數(shù)據(jù)繪圖分析(見圖7)。

從圖7中可以看出有92.2%的學(xué)生表示支持STEAM實驗在教學(xué)實踐中得到開展，有7.8%的學(xué)生表示無所謂，沒有學(xué)生表示反對。

4 結(jié)論

對研究結(jié)果分析發(fā)現(xiàn)STEAM實驗應(yīng)用于中學(xué)化學(xué)教學(xué)，對學(xué)生和教師都有很大幫助，主要表現(xiàn)在以下幾個方面：

第一，STEAM實驗?zāi)軌蛱岣邔W(xué)生的學(xué)習興趣。相對于一般實驗，STEAM實驗具有取材新穎、貼近生活、操作靈活的優(yōu)點，而且大多數(shù)實驗可以在家中進行，因此更受學(xué)生喜愛。而不管做任何STEAM實驗都需要具備一定的科學(xué)知識，因此學(xué)生會因為想做STEAM實驗而主動學(xué)習有關(guān)知識。這樣學(xué)習的效果要比課堂上教師講授的效果好得多，學(xué)生記得更快、更準、更久。

第二，STEAM實驗?zāi)軌蛱岣邔W(xué)生學(xué)習的自信心。調(diào)查發(fā)現(xiàn)，學(xué)生自己動手成功完成一個實驗的成就感要遠高于做對一道數(shù)學(xué)題或是正確解答一道化學(xué)題所帶來的成就感。這從側(cè)面反映出學(xué)生的自信心不僅可以而且更多地來源于對動手能力的肯定。

第三，STEAM實驗?zāi)軌蛱岣邔W(xué)生的實驗操作能力。筆者觀察發(fā)現(xiàn)學(xué)生在實驗室進行實驗考試的時候，普遍存在心情緊張、遺忘操作步驟、動作不穩(wěn)等問題。STEAM實驗的設(shè)計遵循以學(xué)生為本的原則，讓學(xué)生在沒有壓力心情放松的情況下進行實驗操作，能夠有效鍛煉學(xué)生的實驗操作能力，降低學(xué)生在實驗考試時的緊張感。

第四，STEAM實驗?zāi)軌蛟鰪妼W(xué)生的合作學(xué)習意識。STEAM實驗不僅有個人實驗，也有兩人合作實驗或多人合作實驗，通過和其他學(xué)生相互合作共同完成整個實驗，可以培養(yǎng)學(xué)生的合作意識。

第五，STEAM實驗?zāi)軌蛟鰪妼W(xué)生的探究學(xué)習能力。在學(xué)生自己想做實驗的情況下，會在實驗前主動與同學(xué)交流、向教師請教或者在網(wǎng)絡(luò)上搜集實驗信息，提前學(xué)習熟悉實驗內(nèi)容，消化并吸收相關(guān)知識。