STEM教育理念的“净水器制作”教学设计

冯艳颜 杜馨 郭艳

摘要：STEM教育理念整合科学、技术、工程、数学学科，重视学科之间的逻辑关系与内在联系，培养学生解决问题能力和创新能力。文章结合给排水专业课程体系的特点，以“净水器制作”为例进行STEM教育理念的教学方案设计，引导学生通过趣味试验与创意写作，认识到水安全的重要性和水污染的危害。

关键词：STEM教育理念；净水器制作；过滤工艺

一、STEM教育理念概述

STEM是科学（Science）、技术（Technology）、工程（Engineering）、数学（Mathematics）四个单词的首字母缩写，代表将科学、技术、工程和数学有机统一的思想。STEM理念目标与职业教育人才培养目标高度一致，即从学科教学走向跨学科整合教育。

STEM教育理念下的“净水器制作”教学设计将工程学、物理科学、地球科学与创意写作整合在一起，通过STEM教育理念连接科学与艺术，能培养学生不同领域的重要技能，帮助学生最大限度发挥自己在某学科的天赋和才能，更好地学习知识。研究发现，当学生不是通过死记硬背，而是通过故事的方式来学习的时候，他们能更快地掌握知识，并且记得更牢。

二、学情分析

在认知基础方面，学生在第一学年已学习环保概论、水质检测与分析课程，具备了环境保护与水质检测等基本知识，但对水处理工艺缺少感性认识和实践经验。在学习特点方面，学生不再满足于传统教学方式，喜欢新奇事物，对感兴趣的事物会认真学习和研究。

三、教学内容

教師根据给排水工程施工与运行专业人才培养方案，融合STEM教育理念，将“净水器制作”教学内容设计成递进式：认识水污染→水质检测→净水器制作。

首先，认识水污染。教师结合已学的环保概论课程，通过学生身边的案例介绍水污染的概念和水污染的来源及其主要污染物。学生自己动手进行趣味试验一，将“干净的水”自由发挥成“污染”水样，从趣味试验中直观感受水污染对动植物的危害，从而体会水的重要性。

其次，水质检测。学生结合已学的水质检测与分析课程进行趣味试验二，检测“被污染的水”的水样，从中学习“干净的水”和“被污染的水”的特征，初步认识水质评价指标。

最后，净水器制作。学生进行水的净化，自由发挥设计过滤器并检测过滤后的水，从而学习过滤工艺。除此之外，在课堂教学中，教师穿插安排创意写作，让学生通过故事的方式学习。

四、教学目标

在知识目标方面，学生通过学习本课程内容说出水的重要性、水污染的危害、水质检测的常用方法和过滤工艺的原理。在能力目标方面，学生制作具有完整的净水系统的净水器，并对水样进行水质检测，基本能用技术写作记录、传递信息，以及用创意写作表达思想和情感。在职业态度目标方面，教师讲授本课程，意在培养学生安全生产的意识、团队合作精神和创新精神。

五、教学重点与难点

本课程的教学重点是学生能说出水质检测的常用方法和过滤工艺的原理，教学难点是学生能制作一个具有完整净水系统的净水器。

六、教学方法

（一）实验法

在认识水污染环节，学生通过趣味试验观察水污染对动植物的危害。在水质检测环节，学生分别检测酸性水样、碱性水样、混合水样，发现其中的规律。在净水挑战与趣味制作环节，学生设计制作过滤器，检测过滤后水的pH值、盐度和浊度等指标，从趣味制作中学习水的净化方法与过滤器制作方法。

（二）讨论法

在认识水污染环节，学生利用趣味试验一等待试验结果的时间，通过头脑风暴法交流口渴的体验。在水质检测环节，在等待趣味试验二试验结果时，学生讨论决定水是否适合饮用的因素，并继续进行创意写作。在净水挑战与趣味制作环节，学生初步制作出过滤器并进行作品分享，借助讨论获得的信息，制作改良版的过滤器，提高净化效果。

七、教学过程

教学过程分别是认识水污染、水质检测、净水挑战与趣味制作、作品分享会四个环节，共计8课时，每个环节2课时。教学活动安排如图1所示。

（一）认识水污染

趣味实验一用时15分钟。其主要设计思路：学生把水果和蔬菜分别置于自来水和浓盐水中，观察高盐对植物的影响。学生按小组领取试验材料，用各种物质将干净的水污染成各种颜色的混合物，从中学习酸和碱的关系。随后，学生分别将自来水与浓盐水倒在两个透明塑料杯里，再将水果和蔬菜分别浸泡在自来水与浓盐水中，静待一段时间，观察水果和蔬菜的变化。

布置创意写作任务用时10分钟。在等待被浸泡的水果和蔬菜变化时，教师提问：“是否有过极度口渴的体验？”学生通过开展头脑风暴交流口渴的体验，并以“世界上最口渴的人”为题，进行创意写作。

创意写作用时30分钟。教师用以下问题帮助学生进行创意写作：①这个事件发生在什么地方？②这个事件的主要人物是谁？③这个事件中的主要人物做了什么事情？在学生正进行创意写作时，趣味试验一中水果和蔬菜已发生明显变化，学生能看到高盐对植物的影响。

点拨与小结用时25分钟。学生完成趣味试验一后进行创意写作，对“水的重要性”有了进一步认识，此时教师提问：“水质安全与否由什么决定？”学生从趣味试验一认识到看起来干净的水不一定能饮用。最后，教师引导学生总结水的重要性与缺水对动植物的危害。

（二）水质检测

趣味试验二用时30分钟。教师可以先引导学生使用饮料、食醋、小苏打、泥土等“污染”水样。然后，分别使用紫甘蓝提取液、盐度计和浊度仪检测各水样的pH值、盐度和浊度，将显示为酸性的水样和显示为碱性的水样混合，再检测水样的pH值。随后，教师指导学生在无壳鸡蛋中加入酸，观察鸡蛋的变化，再分别用酸、碱浸泡植物枝叶，观察植物枝叶的变化。

创意写作用时30分钟。在等待趣味试验二无壳鸡蛋和植物枝叶发生变化时，教师可以继续创意写作环节。此时，学生可能不确定是什么决定了水是否适合饮用。教师可以让学生将这些困惑代入创意写作，写出故事中主人公的困惑和不解。

点拨与小结用时20分钟。在分享小组创意写作的故事后，教师分析故事中主人公找到的水源不能直接饮用的原因，并向学生提问，引导学生总结“干净的水”和“被污染的水”的特征。

（三）净水挑战与趣味制作

净水挑战用时30分钟。净水挑战的设计思路是按学生知道的每一项标准进行水的净化，学生自由发挥设计过滤器，并检测过滤后水的pH值、盐度和浊度。

趣味制作用时30分钟。各个小组讨论并分享过滤器的效果，学生进行创意制作分享后，借助讨论中获得的信息改良过滤器，提高净化效果。

点拨与小结用时20分钟。学生根据滤后水的pH值、盐度和浊度的检测结果，明白了仅仅过滤还不能去除水中的所有杂质。教师引导学生总结水的净化方法与过滤器制作的方法。

（四）作品分享会

趣味制作分享用时30分钟。小组之间分享交流水的净化方法与过滤器制作的心得。

创意写作后记用时40分钟。学生通过净水器的制作、分享与交流，掌握水的净化方法与过滤器的制作方法，并撰写创意写作后记。

总结与展望用时10分钟。教师引导学生总结水的重要性与缺水对动植物的危害，“干净的水”和“被污染的水”的特征，水的净化方法与过滤器制作的方法并引导学生思考依据水源水质、用水对象对水质要求不同而选用不同的处理方法。

八、教学反思

在教学组织层面，STEM教育理念侧重于培养学生在生活情境中解决问题的能力。教学内容是“认识水污染－水质检测－挑战水的净化”，层层递进，学生通过趣味试验了解水的重要性、水质评价指标和净化水的方法。在水质检测中，学生自由发挥“污染”的水样可能在净水挑战环节的过滤时间较长，导致检测滤后水的pH值、盐度和浊度的时间比较紧张，所以教师应有计划、有目的地组织好学生的学习过程。在作品分享会中，教师应提醒学生注意展示作品的结构框架。

在教学策略层面，STEM教育理念侧重于培养学生的综合能力。学生通过趣味試验与创意写作，认识到水的重要性和水污染的危害。在教学过程中，教师使用苏格拉底问答法，从学生了解和掌握的知识水平出发，有目的地进行对话，双方平等地进行讨论，提高学生思考的能动性。教师给学生的建议与改正意见是通过提问的形式，而不是直接给出答案。

在教学效果层面，针对认识水污染和水质检测，教师要结合已学的环保概论、水质检测与分析课程，引导学生学习知识整理的方法，帮助学生构建完整的知识体系。在净水挑战与趣味制作中，学生制作净水器并对滤后水进行检测，从中学习水的净化方法与过滤器的制作方法。最后，教师应根据每组净水器的净化效果，引导学生总结水质评价指标。

参考文献：

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[2]严文蕃.美国STEAM课程的实践和启示[J].教育家，2017（48）.

[3]卞钦，孙林.基于STEM理念的职业教育融合案例分析[J].集成电路应用，2021（9）.

[4]王丽，皓杜华.基于STEM理念的“水的组成与净化”教学设计[J].数理化学校，2022（3）.

（作者单位：广州市城市建设职业学校）