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

河南省南陽(yáng)市社旗縣宛東實(shí)驗(yàn)高級(jí)中學(xué)(473000) 馬龍威

1 初中化學(xué)STEAM實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)原則及設(shè)計(jì)思路

1.1 設(shè)計(jì)原則

1.1.1 科學(xué)性原則

科學(xué)性原則是指STEAM實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)必須符合化學(xué)學(xué)科及其他學(xué)科的基本知識(shí)、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(jìn)行設(shè)計(jì)。STEAM實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)包括實(shí)驗(yàn)的原理、實(shí)驗(yàn)材料的選擇、實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)成功進(jìn)行，才能夠得出科學(xué)的結(jié)論。因此，科學(xué)性原則是STEAM實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的第一原則。

1.1.2 安全性原則

安全性原則是指從實(shí)驗(yàn)開(kāi)始到結(jié)束，整個(gè)過(guò)程都要保證實(shí)驗(yàn)人員的安全。初中生剛剛接觸到實(shí)驗(yàn)，尤其是化學(xué)實(shí)驗(yàn)，積累的實(shí)驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)甚少，缺乏安全意識(shí)。因此，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)時(shí)必須時(shí)刻考慮到學(xué)生的安全。從實(shí)驗(yàn)選材，到實(shí)驗(yàn)方法和步驟都必須采用無(wú)毒無(wú)害的材料，避免帶有危險(xiǎn)性的操作，選用符合初中生認(rèn)知能力的實(shí)驗(yàn)方法以保證學(xué)生實(shí)驗(yàn)時(shí)的安全。

1.1.3 可行性原則

可行性原則是指STEAM實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)要考慮到組織者及實(shí)驗(yàn)操作人員的實(shí)際能力，既要考慮到組織者籌備實(shí)驗(yàn)器材、實(shí)驗(yàn)藥品與實(shí)驗(yàn)儀器的能力，也要考慮到實(shí)驗(yàn)人員本身的實(shí)驗(yàn)技能。若實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)器材、藥品與儀器超出實(shí)驗(yàn)人員籌備能力，則實(shí)驗(yàn)難以開(kāi)展；若實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)對(duì)操作技能的要求高于實(shí)驗(yàn)者本身具備的實(shí)驗(yàn)技能，則實(shí)驗(yàn)也很難有效完成。因此，STEAM實(shí)驗(yàn)的可行性原則是設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)的一個(gè)重要原則。

1.1.4 趣味性原則

趣味性原則是在設(shè)計(jì)STEAM實(shí)驗(yàn)時(shí)，要考慮到實(shí)驗(yàn)人員的興趣愛(ài)好，要求實(shí)驗(yàn)具有一定的趣味性。因?yàn)閷?shí)施實(shí)驗(yàn)的主體是初中生，該階段學(xué)生具有很強(qiáng)的求知欲和好奇心，他們對(duì)于知識(shí)的獲得往往更傾向于自己感興趣或是有趣味的知識(shí)。因此，設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)時(shí)主動(dòng)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(duì)知識(shí)的學(xué)習(xí)和應(yīng)用。

1.1.5 生活化原則

生活化原則是設(shè)計(jì)家庭STEAM實(shí)驗(yàn)時(shí)必須考慮到的一個(gè)原則。家庭中的STEAM實(shí)驗(yàn)是學(xué)生把學(xué)到的知識(shí)運(yùn)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(shí)生活中STEAM實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)需要遵循生活化原則。生活化原則有利于降低實(shí)驗(yàn)對(duì)實(shí)驗(yàn)儀器、設(shè)備、試劑、藥品的要求，有利于降低實(shí)驗(yàn)對(duì)實(shí)驗(yàn)者的要求，有利于擴(kuò)大實(shí)驗(yàn)的實(shí)施范圍，更能夠保證實(shí)驗(yàn)的有效實(shí)施。

1.2 設(shè)計(jì)思路

1.2.1 利用顏色變化進(jìn)行設(shè)計(jì)

顏色變化是學(xué)生觀察實(shí)驗(yàn)的首要因素，利用顏色變化進(jìn)行實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)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(cè)第10單元“常見(jiàn)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?？梢栽O(shè)計(jì)成“秘密情報(bào)”“隱形墨水”“調(diào)制雞尾酒”等STEAM實(shí)驗(yàn)，既能培養(yǎng)學(xué)生良好的實(shí)驗(yàn)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(jìn)行設(shè)計(jì)

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(jué)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(huì)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(shí)驗(yàn)有碳酸鹽溶液和稀鹽酸反應(yīng)、生成沉淀的實(shí)驗(yàn)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(jìn)行設(shè)計(jì)，不僅實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象明顯，易于觀察，還能夠提高學(xué)生參與活動(dòng)的積極性。

1.2.3 通過(guò)改進(jìn)實(shí)驗(yàn)裝置進(jìn)行設(shè)計(jì)

實(shí)驗(yàn)裝置是評(píng)判實(shí)驗(yàn)是否科學(xué)的一個(gè)重要依據(jù)，實(shí)驗(yàn)裝置的好壞或優(yōu)劣在很大程度上決定了實(shí)驗(yàn)是否能夠順利進(jìn)行，決定實(shí)驗(yàn)?zāi)芊袢〉贸晒ΑＵn本中一些實(shí)驗(yàn)裝置的設(shè)計(jì)，一是設(shè)計(jì)時(shí)間較早，隨著時(shí)代的發(fā)展，科技的進(jìn)步，新的實(shí)驗(yàn)裝置的誕生，一些實(shí)驗(yàn)的裝置需要跟著改進(jìn)；二是課本中部分實(shí)驗(yàn)裝置過(guò)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(shí)驗(yàn)室條件，或是學(xué)生自己在家進(jìn)行實(shí)驗(yàn)時(shí)沒(méi)有相應(yīng)的器材，因此需要對(duì)實(shí)驗(yàn)裝置進(jìn)行改進(jìn)。改進(jìn)路徑有兩條：針對(duì)實(shí)驗(yàn)室條件較差的鄉(xiāng)鎮(zhèn)學(xué)校進(jìn)行改進(jìn)、針對(duì)家庭STEAM實(shí)驗(yàn)進(jìn)行改進(jìn)。

2 初中化學(xué)教材分析與STEAM實(shí)驗(yàn)案例設(shè)計(jì)

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(biāo)準(zhǔn)》對(duì)人教版9年級(jí)化學(xué)上、下冊(cè)(2012版)的教材內(nèi)容進(jìn)行STEAM實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，對(duì)教材中共計(jì)12個(gè)單元100余個(gè)實(shí)驗(yàn)(包含討論、探究以及書中的課外實(shí)驗(yàn))進(jìn)行整理分析，歸納實(shí)驗(yàn)的相同之處與特點(diǎn)。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(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的科學(xué)性、安全性、便捷性、可行性、趣味性、生活化等設(shè)計(jì)原則，對(duì)歸納的知識(shí)點(diǎn)進(jìn)行重組，根據(jù)STEAM實(shí)驗(yàn)的需要合理地加入一些新的元素，設(shè)計(jì)出了16個(gè)化學(xué)STEAM實(shí)驗(yàn)，具體實(shí)驗(yàn)見(jiàn)表1。

表1 初中化學(xué)STEAM實(shí)驗(yàn)表

2.2 初中化學(xué)STEAM實(shí)驗(yàn)的案例設(shè)計(jì)

2.2.1 STEAM實(shí)驗(yàn)案例一：制作葉脈書簽

知識(shí)基礎(chǔ)：氫氧化鈉的腐蝕性，雙氧水的氧化性和漂白性。

實(shí)驗(yàn)說(shuō)明：本實(shí)驗(yàn)在學(xué)習(xí)第10單元課題1常見(jiàn)的酸和堿之后進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，在課外實(shí)驗(yàn)“制作葉脈書簽”的基礎(chǔ)上進(jìn)行STEAM實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，具體設(shè)計(jì)內(nèi)容見(jiàn)表2。

2.2.2 STEAM實(shí)驗(yàn)案例二：彩繪雞蛋

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

實(shí)驗(yàn)說(shuō)明：本實(shí)驗(yàn)是依據(jù)人教版(2012版)9年級(jí)上冊(cè)課外實(shí)驗(yàn)——觀察雞蛋殼與醋酸的反應(yīng)進(jìn)行STEAM實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)。該STEAM實(shí)驗(yàn)既適宜在實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)，也適宜在家庭中實(shí)驗(yàn)，具體設(shè)計(jì)內(nèi)容見(jiàn)表3。

表2 葉脈書簽制作的STEAM教學(xué)設(shè)計(jì)

表3 彩繪雞蛋STEAM實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

實(shí)驗(yàn)?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(guò)彩繪雞蛋實(shí)驗(yàn)既可以陶冶學(xué)生的實(shí)驗(yàn)興趣，又可以培養(yǎng)學(xué)生的情操，還可以提高學(xué)生的實(shí)驗(yàn)操作能力。

實(shí)驗(yàn)原理：醋酸(CH3COOH)可以和碳酸鈣(CaCO3)反應(yīng)，但不和蠟筆反應(yīng)。

實(shí)驗(yàn)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(guò)的一次性注射器。

本實(shí)驗(yàn)通過(guò)學(xué)生自己動(dòng)手彩繪雞蛋的STEAM實(shí)驗(yàn)，既可以加深學(xué)生對(duì)于酸與碳酸鹽的反應(yīng)認(rèn)識(shí)，也可以鍛煉學(xué)生的實(shí)驗(yàn)操作能力，實(shí)驗(yàn)過(guò)程有趣，實(shí)驗(yàn)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(dá)到促進(jìn)學(xué)生全面發(fā)展的目標(biāo)。

本研究的實(shí)踐對(duì)象是鄭州市某中學(xué)9年級(jí)某班學(xué)生，共52人。筆者將設(shè)計(jì)的初中化學(xué)STEAM實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目在這個(gè)班進(jìn)行實(shí)踐，在實(shí)踐后開(kāi)展調(diào)查問(wèn)卷并對(duì)結(jié)果進(jìn)行測(cè)評(píng)，由此來(lái)驗(yàn)證STEAM實(shí)驗(yàn)的有效性。實(shí)踐過(guò)程中的授課教師由筆者來(lái)?yè)?dān)任。

筆者在實(shí)施化學(xué)STEAM實(shí)驗(yàn)前，向?qū)W生介紹什么是STEAM實(shí)驗(yàn)，為什么要做STEAM實(shí)驗(yàn)，STEAM實(shí)驗(yàn)與我們學(xué)習(xí)的實(shí)驗(yàn)有什么區(qū)別。每一個(gè)項(xiàng)目實(shí)施前會(huì)向?qū)W生先講解STEAM實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)?zāi)康摹?shí)驗(yàn)原理、注意事項(xiàng)等知識(shí)。利用每一次實(shí)驗(yàn)課時(shí)間，認(rèn)真組織學(xué)生開(kāi)展初中STEAM實(shí)驗(yàn)。最后，在學(xué)生做過(guò)STEAM實(shí)驗(yàn)之后對(duì)其進(jìn)行問(wèn)卷調(diào)查，分析STEAM實(shí)驗(yàn)的實(shí)施效果。分析STEAM實(shí)驗(yàn)對(duì)學(xué)生的學(xué)習(xí)能力、學(xué)習(xí)興趣和態(tài)度的影響。

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

結(jié)合問(wèn)題1“你是否喜歡做創(chuàng)意實(shí)驗(yàn)？”的數(shù)據(jù)(見(jiàn)圖1)，分析學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)的喜歡程度。

從圖1中可以看出有92.2%的學(xué)生表示喜愛(ài)創(chuàng)意實(shí)驗(yàn)，只有7.8%的學(xué)生表示無(wú)所謂。這意味著學(xué)生們具有強(qiáng)烈地做創(chuàng)意實(shí)驗(yàn)的想法和欲望，這對(duì)發(fā)展STEAM教育理念和開(kāi)展STEAM實(shí)驗(yàn)課程非常有利。

根據(jù)問(wèn)題2“你之前是否了解過(guò)STEAM實(shí)驗(yàn)？”的分析(見(jiàn)圖2)，分析學(xué)生對(duì)STEAM實(shí)驗(yàn)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(méi)有了解過(guò)STEAM實(shí)驗(yàn)，有41.2%的學(xué)生表示之前有了解過(guò)但沒(méi)有做過(guò)STEAM實(shí)驗(yàn)，只有9.8%的學(xué)生表示表示了解過(guò)并做過(guò)STEAM實(shí)驗(yàn)。這表明學(xué)生對(duì)STEAM實(shí)驗(yàn)的了解程度很低，從另一角度說(shuō)明發(fā)展STEAM教育理念和開(kāi)展STEAM實(shí)驗(yàn)課程的必要性。

根據(jù)問(wèn)題3“你對(duì)STEAM實(shí)驗(yàn)的滿意度”的數(shù)據(jù)(見(jiàn)圖3)，預(yù)測(cè)開(kāi)展STEAM實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)，有7.8%的學(xué)生表示一般，并且沒(méi)有人表示不喜歡。這表明學(xué)生們對(duì)STEAM實(shí)驗(yàn)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(kāi)展STEAM實(shí)驗(yàn)課程會(huì)有很好的預(yù)期效果。

根據(jù)問(wèn)題4“你認(rèn)為STEAM實(shí)驗(yàn)有哪些優(yōu)點(diǎn)？”的數(shù)據(jù)繪圖分析(見(jiàn)圖4)，根據(jù)問(wèn)題5“你認(rèn)為STEAM實(shí)驗(yàn)有哪些缺點(diǎn)？”的數(shù)據(jù)繪圖分析(見(jiàn)圖5)。

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

根據(jù)問(wèn)題6“你認(rèn)為STEAM實(shí)驗(yàn)對(duì)你有什么影響？”的數(shù)據(jù)繪圖分析(見(jiàn)圖6)。

從圖6中可以得出有96.1%的學(xué)生表示STEAM實(shí)驗(yàn)對(duì)自己產(chǎn)生了積極影響，有3.9%的學(xué)生表示無(wú)明顯變化，沒(méi)有學(xué)生表示會(huì)增加自己學(xué)習(xí)負(fù)擔(dān)。其中，有88.2%的學(xué)生認(rèn)為STEAM實(shí)驗(yàn)有助于提高自己的學(xué)習(xí)興趣，有58.8%的學(xué)生認(rèn)為STEAM實(shí)驗(yàn)有助于提高自己的自信心，有80.4%的學(xué)生認(rèn)為STEAM實(shí)驗(yàn)有助于提高自己的動(dòng)手能力，有54.9%的學(xué)生認(rèn)為STEAM實(shí)驗(yàn)有助于增強(qiáng)自己合作學(xué)習(xí)的意識(shí)，有70.6%的學(xué)生認(rèn)為STEAM實(shí)驗(yàn)有助于增強(qiáng)自己探究學(xué)習(xí)的意識(shí)。這表明STEAM實(shí)驗(yàn)對(duì)學(xué)生提高學(xué)習(xí)興趣、提高自信心、增強(qiáng)合作學(xué)習(xí)和探究學(xué)習(xí)的意識(shí)有很大幫助。

根據(jù)問(wèn)題7“你是否建議STEAM實(shí)驗(yàn)在教學(xué)實(shí)踐中得到開(kāi)展？”的數(shù)據(jù)繪圖分析(見(jiàn)圖7)。

從圖7中可以看出有92.2%的學(xué)生表示支持STEAM實(shí)驗(yàn)在教學(xué)實(shí)踐中得到開(kāi)展，有7.8%的學(xué)生表示無(wú)所謂，沒(méi)有學(xué)生表示反對(duì)。

4 結(jié)論

對(duì)研究結(jié)果分析發(fā)現(xiàn)STEAM實(shí)驗(yàn)應(yīng)用于中學(xué)化學(xué)教學(xué)，對(duì)學(xué)生和教師都有很大幫助，主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

第一，STEAM實(shí)驗(yàn)?zāi)軌蛱岣邔W(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。相對(duì)于一般實(shí)驗(yàn)，STEAM實(shí)驗(yàn)具有取材新穎、貼近生活、操作靈活的優(yōu)點(diǎn)，而且大多數(shù)實(shí)驗(yàn)可以在家中進(jìn)行，因此更受學(xué)生喜愛(ài)。而不管做任何STEAM實(shí)驗(yàn)都需要具備一定的科學(xué)知識(shí)，因此學(xué)生會(huì)因?yàn)橄胱鯯TEAM實(shí)驗(yàn)而主動(dòng)學(xué)習(xí)有關(guān)知識(shí)。這樣學(xué)習(xí)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(zhǔn)、更久。

第二，STEAM實(shí)驗(yàn)?zāi)軌蛱岣邔W(xué)生學(xué)習(xí)的自信心。調(diào)查發(fā)現(xiàn)，學(xué)生自己動(dòng)手成功完成一個(gè)實(shí)驗(yàn)的成就感要遠(yuǎn)高于做對(duì)一道數(shù)學(xué)題或是正確解答一道化學(xué)題所帶來(lái)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(lái)源于對(duì)動(dòng)手能力的肯定。

第三，STEAM實(shí)驗(yàn)?zāi)軌蛱岣邔W(xué)生的實(shí)驗(yàn)操作能力。筆者觀察發(fā)現(xiàn)學(xué)生在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行實(shí)驗(yàn)考試的時(shí)候，普遍存在心情緊張、遺忘操作步驟、動(dòng)作不穩(wěn)等問(wèn)題。STEAM實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)遵循以學(xué)生為本的原則，讓學(xué)生在沒(méi)有壓力心情放松的情況下進(jìn)行實(shí)驗(yàn)操作，能夠有效鍛煉學(xué)生的實(shí)驗(yàn)操作能力，降低學(xué)生在實(shí)驗(yàn)考試時(shí)的緊張感。

第四，STEAM實(shí)驗(yàn)?zāi)軌蛟鰪?qiáng)學(xué)生的合作學(xué)習(xí)意識(shí)。STEAM實(shí)驗(yàn)不僅有個(gè)人實(shí)驗(yàn)，也有兩人合作實(shí)驗(yàn)或多人合作實(shí)驗(yàn)，通過(guò)和其他學(xué)生相互合作共同完成整個(gè)實(shí)驗(yàn)，可以培養(yǎng)學(xué)生的合作意識(shí)。

第五，STEAM實(shí)驗(yàn)?zāi)軌蛟鰪?qiáng)學(xué)生的探究學(xué)習(xí)能力。在學(xué)生自己想做實(shí)驗(yàn)的情況下，會(huì)在實(shí)驗(yàn)前主動(dòng)與同學(xué)交流、向教師請(qǐng)教或者在網(wǎng)絡(luò)上搜集實(shí)驗(yàn)信息，提前學(xué)習(xí)熟悉實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，消化并吸收相關(guān)知識(shí)。