基于STEAM的初中实验教学设计与实施

摘 要：STEAM教育理论强调对学生的跨学科整合与实践能力的培养，成为学校教育改革的重要方向。教师应深入研究STEAM教育理论的内涵及特点，将STEAM与初中实验教学相结合，构建基于STEAM的初中实验教学模式。以校本课程“染料敏化太阳能电池的探究”为例，可从课程设计、教学内容、教学方法、教学评价等方面，探索基于STEAM的初中实验教学设计与实施。

关键词：STEAM教育；初中实验教学；跨学科；染料敏化太阳能电池

中图分类号：G63 文献标识码：A 文章编号：0450-9889（2025）01-0099-06

实验教学作为理论知识与实践操作相结合的重要环节，对培养学生的实践能力和创新思维具有重要作用。然而，传统的初中实验教学往往局限于单一学科的验证性实验，缺乏跨学科整合及方法创新，不利于学生构建系统知识体系和培养跨学科思维与创新能力。随着社会对创新型人才需求的日益增长，传统的教育模式正逐步向多元化、综合化的方向发展。STEAM教育以其独特的跨学科融合特性，有机融合科学、技术、工程、艺术和数学等多学科的知识和方法，通过跨学科主题式学习、项目式学习和探究式学习等学习方式，培养学生的创新思维和综合能力，为培养创新型人才提供了新的途径。将STEAM教育理论融入传统的初中实验教学，有助于打破学科壁垒，促进学生综合运用知识、提升实践能力、发展创新思维。笔者致力于将STEAM与初中实验教学相结合的研究，设计并实施了一套富有创意和实效性的初中实验教学方案，选取富含跨学科知识的校本课程“染料敏化太阳能电池的探究”，探索基于STEAM的初中实验教学设计与实施。

一、STEAM教育理论的内涵及特点

STEAM教育是指实施由科学（Science）、技术（Technology）、工程（Engineering）、艺术（Arts）、数学（Mathematics）等学科共同构成的跨学科融合教育［1］，简称STEAM。学生在真实的情境任务驱动下，能够运用自身所学的知识或者各种获取信息的渠道，积极主动地去分析实际问题、对多学科知识进行整合，从而发现解决问题的方法。STEAM有别于传统的单一学科书本知识传授的教育方式，强调课程的综合化、实践化、活动化，注重让课程回归生活、回归社会、回归自然。STEAM通过项目式学习、探究式学习等方式，培养学生的创新思维、问题解决能力和团队合作精神，提升学生的综合能力，使学生在解决问题的过程中逐步形成高阶思维能力，从而适应时代发展对创新型人才的需求，对未来社会发展具有深远而积极的影响。

STEAM有多方面的特点。首先，STEAM打破单一学科壁垒，注重学科间的关联和整合，以此培养学生多维度思考和知识迁移运用能力。其次，STEAM以实践为导向，常以实际项目或任务为驱动，引导学生聚焦社会热点和实际问题，通过参与和体验来获取知识，即“做中学”“创中学”。再次，STEAM重视创新，鼓励学生开展多样化、个性化的学习与探索，运用新方法和新技术解决问题，以此促进学生对科学、技术、工程、艺术和数学等多学科知识的理解和深度学习，培养学生的创新思维和解决实际问题的能力［2］。最后，STEAM强调以学生为中心，注重团队协作，鼓励学生分组完成任务，使学生在团队中发挥专长，通过相互学习、交流和表达，培养沟通与协作能力。

二、构建基于STEAM的初中实验教学模式

笔者通过对国内外关于STEAM研究文献的梳理发现，目前常见的STEAM教学模式有：基于项目的学习（PBL）、基于设计的学习模式（LBD）、5E教学模式以及我国教育学者和教师本土化交叉整合的混合式教学模式［3］。《中国STEAM发展报告》中总结出了STEAM教学模式的共同要素：真实情境、关键问题、方案设计、实施、改进、展示交流。2022年版义务教育课程方案提出了对学科实验综合实践活动课的开设要求，其所强调的实践性、综合性、探索性、合作性等要求与STEAM教学模式高度契合。笔者尝试将STEAM与初中实验教学相结合，构建基于STEAM的初中实验教学模式（如图1），以此培养学生的综合素养和实践能力。

基于STEAM的初中实验教学模式涵盖课程设计、课程实施和教学评价三个阶段。课程设计阶段需要确定课程主题、进行学情分析、解构跨学科知识、设定课时计划和教学目标、设计实验、构建评价体系。课程实施阶段需要创设情境、规划任务、组建团队，通过开展探究活动实现知识建模，最终生成实物产品和实验报告等成果。教学评价阶段需要开展教师评价、学生评价，借助调查问卷和知识小测等方式对课程进行综合评价，评价标准涵盖过程与结果、定量与定性等多个维度。三个阶段紧密相连，形成一个完整且系统的教学过程。在STEAM教育理论指导下，教师选取与学生生活紧密相关且富含跨学科知识的实验主题，将科学、技术、工程、艺术和数学等元素有机融合，形成具有挑战性和趣味性的实验项目，采用项目式学习、小组合作学习等多样化的教学方法，引导学生主动开展实践探索。在项目推进过程中，学生需要综合运用多学科的知识和方法解决实际问题，从而深化对知识的理解与掌握。

三、基于STEAM的初中实验课程设计

（一）围绕学生的兴趣和学习需求选择课程主题

好的课程主题直接关系着STEAM教学设计的质量，STEAM课程主题的选择应围绕学生的兴趣和学习需求，锚定生产、生活中的真实问题，筛选出具有跨学科、可操作、适度挑战、趣味性强的真实问题作为教学驱动［4］，确保以此开发的教学内容既能激发学生的学习兴趣和创新意识，提高教学效果，又能充分发挥出STEAM多维而深远的教育价值。例如，能源短缺、环境污染和生态平衡被破坏是当今全球性的热点问题，光电化学太阳能电池技术因其高效、环保的特点受到广泛关注。为了激发学生对新能源技术的兴趣，同时培养学生的跨学科综合素养，教师精心选择了“染料敏化太阳能电池的探究”作为初中实验课程的主题。该主题涉及多学科、多学段知识，学科综合性较强，符合新课标跨学科和小初高衔接的要求。学生通过探究染料敏化太阳能电池的工作原理、性能优化及应用前景，能够深入了解科学、技术、工程、艺术和数学等多个学科领域的知识。

（二）分析学情，进行知识解构和设定教学目标

对学生进行学情分析是STEAM课程设计的重要环节。通过问卷调查、课堂观察、作业分析等评估方式对学生现阶段的已有知识基础、技能水平、学习风格、兴趣偏好、元认知等方面的特征进行分析［5］，教师以此为基础设计符合学生需求的课程内容，可确保STEAM教育的有效实施。“染料敏化太阳能电池的探究”校本课程的实施对象为七年级学生，该学段学生刚结束小学阶段科学课程的学习，认知水平较低，虽然对实验探究有着较强的兴趣和好奇心，但是实验设计和操作能力相对薄弱，尚未深入学习物理、化学、生物学等多个学科的基础概念，在科学探究过程中缺乏分析和解决问题的深度和广度。这就要求教师在课程设计中充分考虑学生的实际情况和认知特点，从科学、技术、工程、艺术、数学五个方面对“染料敏化太阳能电池的探究”课程主题所涉及的学科内容进行知识点解构（如表1），区分学生必须掌握的基础知识点、主题学习的核心知识点，以及可以深化的拓展知识点。通过分析不同学科知识之间的内在联系，教师以制作染料敏化太阳能电池为任务导向，作出课时计划，设定出相应的STEAM素养教学目标（如表2）。

（三）组织课程内容，构建知识结构模型

基于STEAM的初中实验课程应融合多个学科知识，注重课程内容的趣味性和实践性，以激发学生的学习兴趣和探究欲望，让学生在实践中发现问题、解决问题，从而提高跨学科学习能力和创新思维能力。“染料敏化太阳能电池的探究”课程分为引入主题、发布任务、探究活动、生成作品和成果评比五个环节。课程设置7个课时，通过深入衔接上期校本课程“土壤探究”主题的丰硕成果，巧妙地将课程内容延伸至植物的应用领域，激发学生对清洁能源主题的探究兴趣。

例如，教师向学生发起“制作染料敏化太阳能电池并使音乐元件响起来”这一项目任务，招募团队开展探究活动，以探究活动中的知识模型建构环节为教学重难点，引导团队精心设计一系列探究实验，通过小组讨论、问题引导等方式，探究背后的科学逻辑，帮助学生逐步构建起染料敏化太阳能电池的知识结构模型（如图2）。

完成知识建模后，学生根据多学科的知识和方法，以及所收集的数据资料，完成电池的制作方案。教师提供场地与材料，协助学生生成作品。最后开展成果评比活动，对学生提交的探究报告及电池进行检验，培养学生的科研素养，促进学生的自我成长。在进行实验设计时，教师应通过大量的资料调研，根据课程内容提前对实验内容进行多次预实施检验，寻求专业机构对样品进行检测与方法指导，确保实验内容科学严谨、可操作性强。

（四）设计多维度、多层次的课程评价体系

STEAM课程的评价既关注学生的学科知识掌握情况，又重视其实践能力、创新思维、团队合作等方面的表现，是一个多维度、多层次的评价体系。学生评价包括自我评价和学生互评两部分，其评价体系的构建应兼顾过程与结果评价，结合定量和定性进行评价［6］。教师评价标准的设计应全面考量，除了关注教学目标和内容维度的评价，还应关注教学过程中学生的学习状态与情感体验、师生交互及课堂氛围等方面［7］。这种全方位的评价体系，有助于提升教学质量，促进师生的共同成长。

四、基于STEAM的初中实验课程实施

（一）情境导入，激发探索欲望

生动具体的教学情境可以充分调动学生的学习热情，激发学生的探究欲望，是学生展开深度学习的有效动力。在STEAM课堂教学中，教师可以聚焦社会真实事件创设生动具体的教学情境，利用实物、多媒体、实验等教学资源［8］，引导学生从中发现和提出问题，然后发布与情境相关联的学习任务，培养学生的问题和探索意识，提高课程的教学效果。在课程开始时，教师展示上学期学生对校园土壤进行科学探究的成果，提问植物长势变好后能做什么，进而展示清洁能源的相关发明，激发学生的学习兴趣和探索欲望，提出制作染料敏化太阳能电池并使音乐元件响起来的任务。

（二）组建高效团队，解构学科知识

在组建学生团队时，首要任务是明确团队的目标、规模及结构，注重团队成员间能力与性格的互补，为后续的探究活动打下坚实基础。这样的团队构成能充分发挥集体智慧，高效推动项目实施。之后，教师应紧密围绕科学、技术、工程、艺术、数学等学科知识，对课程主题知识点进行细致解构。例如，在探究电池工作原理的过程中，教师应深入剖析电流、电压的基本概念、原电池的工作原理以及串并联电路中电流电压的规律等核心内容。基于这些知识点，教师可以引导学生团队设计和实施一系列富有创意的实验方案，如通过灯泡的发光实验直观展示电流的存在，或指导学生动手制作水果电池，感受化学能转化为电能的奇妙过程，激发学生的探究兴趣，培养学生的动手能力和创新思维。

（三）强化基础知识，引导探究活动

扎实的基础知识是探究活动的基石。教师可以通过系统地讲解实验原理和实验操作，帮助学生深化对基本概念和原理的理解，逐步搭建起系统的理论框架和概念体系。完成知识建模后，教师根据“染料敏化太阳能电池的探究”教学实施过程（如下页表3），引导学生从明确实验目的、选择实验材料、确定实验步骤等多个维度出发，自主设计实验方案。学生按照既定方案实施实验，认真记录并准确分析实验数据。在此过程中，教师鼓励学生积极交流讨论，反思总结实验过程中遇到的问题，并寻求改进方法，最终形成具有创新性和实用价值的探究成果。

本次教学实施过程以小组合作为核心，学生通过探究式学习，在教师的引导下逐步完成染料敏化太阳能电池从原理探究到实物制作的系列实验，并通过成果展评检验学习成效。例如，在第4课时“光阴极的探究”中，教师通过回顾光阴极材料引发学生对廉价替代材料的思考，学生则通过实验探究适合制作光阴极的材料及方法，这一过程不仅培养了学生的多角度分析问题的思维，而且为学生创造了实验操作的机会。第7课时的成果展评内容涵盖电池产电能效检测和触发音乐机芯测试，各小组依次展示电池成品及研究报告。鉴于七年级学生的认知局限性，实验报告的评价工作由教师评委团依据科学评分标准来完成。对于实物产品的评价，则采用学生互评与教师评价相结合的方式，以确保评价的全面性和客观性，并借助评价与反馈促进学生之间的相互学习。

五、教学效果评价与改进建议

教学效果评价旨在衡量教学活动的成效，了解学生对知识的掌握情况，发现教学中的不足，并为教师提供反馈。本次教学效果评价针对20名参与“染料敏化太阳能电池的探究”课程学习的学生，采用了多元化的评价方式。通过教师量化积分评价表和学生量化积分评价表，从教学双方角度全面评价课程实施情况；知识小测检验了学生对课程内容的掌握程度；问卷调查则收集了学生对课程的反馈和建议。这些评价方式相互补充，确保了评价结果的客观性和全面性，为进一步优化教学效果提供了参考依据。

（一）教学效果评价结果分析

一是教师与学生量化积分评价表分析。教师评价标准全面覆盖了教学目标、教学内容、活动组评价反馈、学习机会和情感体验等维度。在评价中，第5、6、7节课为学生自主制作产品及成果展评活动，未纳入评价范围。通过对前四个课时的得分进行平均处理，发现第1课时得分较低，原因是教学内容繁重且师生尚未适应STEAM教学模式。经过组内研讨，通过调整教学节奏和增设教师助手等策略，后面几个课时各项分值显著提升。随着课程深入实施，学生量化积分评价表各项得分持续上升。这表明基于STEAM的实验教学模式能有效提高学生的学习热情与参与度，增强学生的实验操作能力、知识掌握程度，培养学生的创新思维，提高学生的综合能力，从而验证了STEAM教学模式的积极效果。

二是知识小测分析。知识小测结果显示，第2课时学生及格率为75%，优秀人数为13人，平均分43.64，第7课时后学生及格率提升至100%，优秀人数为18人，平均分49.26。这表明学生在课程学习过程中对知识的掌握程度明显提高，总体成绩的上升揭示了基于STEAM的实验教学模式在促进学生学业成绩上的积极作用。

三是调查问卷分析。调查问卷前测设定在第1课时，后测设定在课程结束后，本次共发放20份问卷，实际回收有效问卷20份，有效率为100%。通过对比前测和后测的数据，教师发现学生在学习兴趣、学习积极性和课程满意度方面均有显著提升：学习兴趣前测均值为3.124 5，后测提升至4.756 3；学习积极性前测均值为2.987 6，后测为4.678 2；课程满意度前测均值为3.452 1，后测高达4.892 3。教师对学生的实践能力和团队协作能力进行t检验统计（如表4），发现显著性差异P值均小于0.05。这表明通过STEAM课程学习后，学生实践能力显著提高，实验操作和知识应用更加熟练；团队协作能力也有较为明显提升，学生在沟通、分工合作及问题解决方面均有进步。此外，学生之间的能力水平差异也有所减小，学习态度变得更加一致。这些结果进一步验证了基于STEAM的初中实验教学模式实施的有效性。

（二）教学改进建议

教学评价结果真实反映了教学过程中的优点与不足，是推动教学改进、实现教育目标的重要依据。通过细致分析教学评价结果，教师可以精准定位问题所在，如内容安排、方法运用或学生参与度等，从而提出有针对性的改进建议，优化教学设计，提升教学质量，确保教学活动更加符合学生的学习需求和发展规律。

一是优化课程设计。根据教学评价结果，教师将进一步优化课程主题的选择，确保所选主题能更好地激发学生的探究兴趣和创造力，同时能全面地涵盖STEAM各学科知识。教师还可以增加一些与生活实际联系紧密的主题，以提升学生的知识应用能力和问题解决能力。同时，教师将合理安排课程内容的难度和进度，避免出现某些课时内容过多或难度过大的情况，使学生逐渐适应STEAM教学模式。

二是强化操作指导。在实验教学过程中，教师要对一些复杂的实验操作强化指导。例如，针对导电带的烧结、光阴极的制备等实验操作，教师应提供更详细、更有针对性的指导，确保学生顺利完成实验。为了鼓励学生在小组合作中积极主动地交流和分享，教师可以设计一些促进小组交流的活动和规则，提高小组合作的效率和质量。

三是完善课程评价。教师应进一步完善评价指标体系，增加对学生长期学习效果的评价指标。例如，关注学生在后续相关课程学习中的表现，以及对知识的长期记忆和应用能力等，可以更深入地评价教学效果。同时，教师还可以结合现场操作、项目作品、口头报告等多种评价方法，全面细致地了解学生的学习情况，从中发现教学中的盲点，采取有针对性的改进措施，切实提升教学质量。

综上所述，基于STEAM的初中实验教学模式打破了传统教学的学科壁垒，实现了多学科知识和方法的深度融合。这一创新的课程设计，为学生营造了一个既充满挑战又蕴含机遇的学习环境。通过跨学科项目式学习和实践操作，教师引导学生从多角度审视和理解科学知识，有效拓展了学生的学习深度和广度，培养了学生的实践能力、创新能力和团队合作精神。同时，多样化的评价方法全面、准确地反映了学生的学习成效，还为教师提供了宝贵的教学反馈，有利于进一步优化课程设计与实施，切实提升初中实验教学质量。

参考文献

［1］徐燕.初中校本课程STEAM跨学科融合教学模式探索［J］.读写算，2024（10）：32-34.

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［5］胡茜茜.基础教育课程改革以来教学设计中的学情分析研究［D］.上海：华东师范大学，2023：43-60.

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［7］潘娟.教师课堂教学评价标准重构［D］.北京：首都师范大学，2004：15-28.

［8］沈跃峰.浅谈初中科学课程中的教学情境创设［J］.新课程（下），2012（5）：77-78.

注：本文系南宁市教育科学“十四五”规划课题“基于STEAM教育理念的初中创新实验校本课程的开发与研究”（2022C442）的阶段研究成果。

（责编 韦榕峰）