基于科学本质观的STEAM项目学习教学设计

张婕

一、项目简介

科学本质观的重要内容之一是将发现的知识用于技术开发产品。“家庭自制消毒液”项目涉及的科学知识、实验技能源自初中科学教材“物质的组成”“组成物质的元素”两个单元的内容，也融合了“家庭电路”和“酸碱盐的性质”等几个单元的部分内容，通过综合应用知识解决问题，实现对教材内容的重构。该课程围绕当前社会热点中的一个真实问题，通过系列活动，设计、研发、制造了系列产品。项目的研究学习过程促进学生把学过的知识用于技术开发产品，体验“工程师”研究问题、开发产品的创新设计和制造历程，培养学生技术运用、工程设计、创新解决实际问题的核心素养，是一个在人文引领下的科学、技术、工程和数学融合的STEAM学习活动。该项目适合八-九年级学生，在初中科学或课外活动课程学习，共2课时。

二、STEAM要素分析

STEAM是STEM教育的一种变式，强调人文精神指引的科学、技术、工程和数学教育。由人文（Arts）引领，而不是只让学生学习硬科技，一方面强调STEM项目要为人类福祉服务，另一方面强调学生的主体性，要满足学生的兴趣需要，促进学生的个性成长。本项目中的STEAM要素分析：S（科学）：知道组成物质的元素；能应用电解、PH试纸原理、次氯酸钠的性质等科学知识以及实验能力;T（技术）：运用电工技术进行材料的获得和实验的操作；会应用电解、比色卡制作技术及信息技术;E（工程）：能设计和制造家庭消毒液制造机、消毒液浓度比色卡;A（人文）：消毒液制造机、溶液浓度比色卡、产品使用说明书的安全美观便捷设计，体现了人文与艺术;M（数学）：会计算有关溶液浓度、元素质量分数；掌握表格和比色卡数据处理。

三、教学设计思路

（一）教学流程设计

（二）评价工具设计

1.比色卡设计思路

2．比色卡实验制作

利用现有的已知浓度的84消毒液原液，稀释成不同比例的溶液，利用家庭易得的有色物体进行变色实验。根据实验结果，最后优选出兼顾最佳褪色效果和实验时间的实验数据进行制作84消毒液浓度比色卡（示例如下）：

四、课程结构

消毒液制造实验说明：

1.消毒液制造实验原理图设计如图所示。

2.实验材料说明：电源可以用手机充电器或充电宝。电极

可以用碳棒或粗铅笔芯；大可乐瓶一个；电线（数据线）若干。

3.比色卡制造实验：

利用家庭已有（已知浓度）的少量84消毒液，计算配成不同浓度的84消毒液，根据消毒液的褪色性质，选择有色物质进行实验。比色卡有色物质材料可以选择容易获得的粉色便笺纸。把便笺纸部分浸入（方便对比颜色），研究记录不同浓度、不同褪色时间、褪色程度（拍照）的关系，根据实验结果，最后优选出兼顾最佳褪色效果和实验时间的一组实验数据进行制作84消毒液浓度比色卡。

4.实验探究影响消毒液浓度的因素：（1）电极的电压大小；（2）电极的位置高低、距离；（3）食盐水的浓度、数量；（4）消毒液的制造时间与浓度的关系；

5.消毒液制造机的改进：定时装置可以通过安装定时开关实现。定时时间的选择设定则通过研究获得数据（一定浓度、数量的溶液，在哪个实验时间获得多少浓度，可以是直接使用的浓度，也可以是浓溶液），可以有不同浓度设定的多档定时开关。简易制造机也可以用花洒加上一个底座等改进制作。

6.制作产品使用说明书：必须要有操作说明、使用说明以及安全注意事项等等。

7.后续拓展研究思考：关于消毒液浓度的其他测定方法研究（如：滴液测定法研究）；消毒液的杀菌效果如何检验？制作有菌环境（脏抹布浸泡在牛奶中使其变质，滋生细菌），然后用消毒液有无消毒进行对比实验，通过闻气味、观颜色等观察其是否变质，推断杀菌效果等等。

五、教学反思

1.任务驱动。源于生活的真实问题情境中的任务驱动，可以激发学生的研究兴趣和探究动机。

2.源于教材，高于教材。本项目中用到的科学知识、实验技能源自初中科学教材，但又不是教材的简单重复，而是各个知识的综合应用和能力的迁移，能够较好地培养学生利用所学知识解决实际问题的能力。

3.经历科学家的科学发现史。分析需要的物质（消毒液）的主要成分和家庭常见物质的主要成分，通过电解获得元素，再通过其他化学反应使元素重新组成新的物质，这正是科学家们在元素的发现以及利用元素获得更多物质的科学发现史的历程。

4.体验工程师研究问题、创新设计、制造、开发产品的历程。科学本质观包含的一个重要内容是发现的知识用于技术开发产品，这是工程师设计思维、工程思维的重要思想观念之一。本项目开发的产品有消毒液制造机、自制84消毒液以及产品使用说明书，还特别创意开发了支持探究活动的技术工具-消毒液浓度比色卡。如何检测自制的消毒液浓度、对其消毒效果做出评估和解释成为本项目的一个难题。通过教师的启发、引导，通过对溶液浓度-褪色-颜色与数值对应-PH试纸比色卡-溶液浓度比色卡等系列问题的联系-转化-联想-迁移-创新，创造设计、制作了溶液浓度比色卡，让消毒液浓度的检测、消毒效果评估可视化。学习者对于家庭中消毒水的制作与效果评估、材料的考察、分析，同“工程师”对于类似问题的真实研究是相似的，学生要进行的探究活動在方法、程序和工具上都类似于工程师对于某一产品的研究。

这些活动具有真实学习的诸多特点，并根据具体的实施条件进行了适应性的设计，使之适合这个年龄段的孩子进行科学探究。学生通过这样的真实学习而掌握内容领域的基本科学概念、科学事实和科学研究与推理活动，培养学生勇于探究的科学精神，运用技术、问题解决的实践创新能力，领悟科学本质，这正是核心素养的重要组成。