基于STEAM教育理念的初中化学实验设计与实践研究

郑州师范学院化学化工学院(450000) 贺玉婷

河南省南阳市社旗县宛东实验高级中学(473000) 马龙威

1 初中化学STEAM实验的设计原则及设计思路

1.1 设计原则

1.1.1 科学性原则

科学性原则是指STEAM实验的设计必须符合化学学科及其他学科的基本知识、基本原理，符合科学逻辑，不能凭借自己的意愿，违背客观规律进行设计。STEAM实验的设计包括实验的原理、实验材料的选择、实验的方法和步骤，只有这些都符合科学性原则，才能够保证实验成功进行，才能够得出科学的结论。因此，科学性原则是STEAM实验设计的第一原则。

1.1.2 安全性原则

安全性原则是指从实验开始到结束，整个过程都要保证实验人员的安全。初中生刚刚接触到实验，尤其是化学实验，积累的实验经验甚少，缺乏安全意识。因此，进行实验设计时必须时刻考虑到学生的安全。从实验选材，到实验方法和步骤都必须采用无毒无害的材料，避免带有危险性的操作，选用符合初中生认知能力的实验方法以保证学生实验时的安全。

1.1.3 可行性原则

可行性原则是指STEAM实验的设计要考虑到组织者及实验操作人员的实际能力，既要考虑到组织者筹备实验器材、实验药品与实验仪器的能力，也要考虑到实验人员本身的实验技能。若实验设计的实验器材、药品与仪器超出实验人员筹备能力，则实验难以开展；若实验设计对操作技能的要求高于实验者本身具备的实验技能，则实验也很难有效完成。因此，STEAM实验的可行性原则是设计实验的一个重要原则。

1.1.4 趣味性原则

趣味性原则是在设计STEAM实验时，要考虑到实验人员的兴趣爱好，要求实验具有一定的趣味性。因为实施实验的主体是初中生，该阶段学生具有很强的求知欲和好奇心，他们对于知识的获得往往更倾向于自己感兴趣或是有趣味的知识。因此，设计实验时主动添加一些趣味性元素，更有利于激发学生的好奇心和求知欲，有利于学生对知识的学习和应用。

1.1.5 生活化原则

生活化原则是设计家庭STEAM实验时必须考虑到的一个原则。家庭中的STEAM实验是学生把学到的知识运用于生活中的体现，是联系课堂与生活的重要媒介，同时生活中STEAM实验的设计需要遵循生活化原则。生活化原则有利于降低实验对实验仪器、设备、试剂、药品的要求，有利于降低实验对实验者的要求，有利于扩大实验的实施范围，更能够保证实验的有效实施。

1.2 设计思路

1.2.1 利用颜色变化进行设计

颜色变化是学生观察实验的首要因素，利用颜色变化进行实验设计有利于吸引学生的注意力，有利于提高学生的兴趣。初中化学教材中涉及到颜色变化的化学反应有很多，比如化学下册第10单元“常见的酸和碱”中的酸碱指示剂与酸碱反应部分，涉及到五颜六色的颜色变化。可以设计成“秘密情报”“隐形墨水”“调制鸡尾酒”等STEAM实验，既能培养学生良好的实验操作能力，又能培养学生的创新思维。

1.2.2 利用物质反应能量或状态发生变化进行设计

化学反应大多涉及到能量变化，只是很多反应的能量变化不明显，不易察觉到。但是在初中化学课本中也有一些能量变化比较明显的化学反应，除燃烧反应放出大量热之外，双氧水分解、浓硫酸稀释、氢氧化钠固体溶解等也会放出大量热。大多数化学反应中物质状态多为液体，如果物质的状态发生变化大多生成沉淀或气体，比如生成气体的实验有碳酸盐溶液和稀盐酸反应、生成沉淀的实验有澄清石灰水和二氧化碳反应等。利用物质化学反应中发生能量变化或是状态变化进行设计，不仅实验现象明显，易于观察，还能够提高学生参与活动的积极性。

1.2.3 通过改进实验装置进行设计

实验装置是评判实验是否科学的一个重要依据，实验装置的好坏或优劣在很大程度上决定了实验是否能够顺利进行，决定实验能否取得成功。课本中一些实验装置的设计，一是设计时间较早，随着时代的发展，科技的进步，新的实验装置的诞生，一些实验的装置需要跟着改进；二是课本中部分实验装置过于复杂或是仪器较贵，一些乡镇学校可能不具备相应的实验室条件，或是学生自己在家进行实验时没有相应的器材，因此需要对实验装置进行改进。改进路径有两条：针对实验室条件较差的乡镇学校进行改进、针对家庭STEAM实验进行改进。

2 初中化学教材分析与STEAM实验案例设计

2.1 基于STEAM教育理念下初中化学教材分析

笔者依据《义务教育化学课程标准》对人教版9年级化学上、下册(2012版)的教材内容进行STEAM实验设计，对教材中共计12个单元100余个实验(包含讨论、探究以及书中的课外实验)进行整理分析，归纳实验的相同之处与特点。并在STEAM教育理念的基础上结合多种教育理论，根据STEAM实验设计的科学性、安全性、便捷性、可行性、趣味性、生活化等设计原则，对归纳的知识点进行重组，根据STEAM实验的需要合理地加入一些新的元素，设计出了16个化学STEAM实验，具体实验见表1。

表1 初中化学STEAM实验表

2.2 初中化学STEAM实验的案例设计

2.2.1 STEAM实验案例一：制作叶脉书签

知识基础：氢氧化钠的腐蚀性，双氧水的氧化性和漂白性。

实验说明：本实验在学习第10单元课题1常见的酸和碱之后进行实验，在课外实验“制作叶脉书签”的基础上进行STEAM实验设计，具体设计内容见表2。

2.2.2 STEAM实验案例二：彩绘鸡蛋

知识基础：二氧化碳的制取和二氧化碳的化学性质。

实验说明：本实验是依据人教版(2012版)9年级上册课外实验——观察鸡蛋壳与醋酸的反应进行STEAM实验设计。该STEAM实验既适宜在实验室实验，也适宜在家庭中实验，具体设计内容见表3。

表2 叶脉书签制作的STEAM教学设计

表3 彩绘鸡蛋STEAM实验设计

实验目的：了解鸡蛋壳中含有碳酸钙，熟悉碳酸钙和醋酸的反应。通过彩绘鸡蛋实验既可以陶冶学生的实验兴趣，又可以培养学生的情操，还可以提高学生的实验操作能力。

实验原理：醋酸(CH3COOH)可以和碳酸钙(CaCO3)反应，但不和蜡笔反应。

实验用品：红皮鸡蛋、食醋、蜡笔、小毛笔、250 mL大烧杯、100 mL小烧杯、玻璃棒(可用筷子代替)、吸水纸(可用手帕纸代替)、未使用过的一次性注射器。

本实验通过学生自己动手彩绘鸡蛋的STEAM实验，既可以加深学生对于酸与碳酸盐的反应认识，也可以锻炼学生的实验操作能力，实验过程有趣，实验产品具有艺术性，可以提高学生的艺术修养，从而达到促进学生全面发展的目标。

本研究的实践对象是郑州市某中学9年级某班学生，共52人。笔者将设计的初中化学STEAM实验项目在这个班进行实践，在实践后开展调查问卷并对结果进行测评，由此来验证STEAM实验的有效性。实践过程中的授课教师由笔者来担任。

笔者在实施化学STEAM实验前，向学生介绍什么是STEAM实验，为什么要做STEAM实验，STEAM实验与我们学习的实验有什么区别。每一个项目实施前会向学生先讲解STEAM实验的实验目的、实验原理、注意事项等知识。利用每一次实验课时间，认真组织学生开展初中STEAM实验。最后，在学生做过STEAM实验之后对其进行问卷调查，分析STEAM实验的实施效果。分析STEAM实验对学生的学习能力、学习兴趣和态度的影响。

本调查发出问卷52份，收回有效问卷51份，问卷有效率为98.1%。

结合问题1“你是否喜欢做创意实验？”的数据(见图1)，分析学生对实验的喜欢程度。

从图1中可以看出有92.2%的学生表示喜爱创意实验，只有7.8%的学生表示无所谓。这意味着学生们具有强烈地做创意实验的想法和欲望，这对发展STEAM教育理念和开展STEAM实验课程非常有利。

根据问题2“你之前是否了解过STEAM实验？”的分析(见图2)，分析学生对STEAM实验的了解程度。

从图2中可以看出有49.0%的学生表示之前没有了解过STEAM实验，有41.2%的学生表示之前有了解过但没有做过STEAM实验，只有9.8%的学生表示表示了解过并做过STEAM实验。这表明学生对STEAM实验的了解程度很低，从另一角度说明发展STEAM教育理念和开展STEAM实验课程的必要性。

根据问题3“你对STEAM实验的满意度”的数据(见图3)，预测开展STEAM实验的教学效果。

从图3中可以看出有92.2%的学生表示喜欢或非常喜欢STEAM实验，有7.8%的学生表示一般，并且没有人表示不喜欢。这表明学生们对STEAM实验的满意程度很高，这一数据表明至少在学生层面发展STEAM教育理念和开展STEAM实验课程会有很好的预期效果。

根据问题4“你认为STEAM实验有哪些优点？”的数据绘图分析(见图4)，根据问题5“你认为STEAM实验有哪些缺点？”的数据绘图分析(见图5)。

STEAM实验的优点和缺点大多数是相对的，对于同一因素有的学生认为是优点，倘若看的角度不同可能会有另一些学生认为是缺点，因此结合图4、图5综合分析STEAM实验的优缺点。首先可以得出有98%的学生认为STEAM实验更有趣，有超过80%的学生认为STEAM实验更容易理解和更贴近生活。但是根据STEAM实验的趣味性原则和生活性原则，部分实验仪器会被生活用品替代，这在一定程度上会使学生心中认为与科学家所做实验不一致，因此可能被认为具有实验步骤不够严格、实验器材不够规范等缺点。

根据问题6“你认为STEAM实验对你有什么影响？”的数据绘图分析(见图6)。

从图6中可以得出有96.1%的学生表示STEAM实验对自己产生了积极影响，有3.9%的学生表示无明显变化，没有学生表示会增加自己学习负担。其中，有88.2%的学生认为STEAM实验有助于提高自己的学习兴趣，有58.8%的学生认为STEAM实验有助于提高自己的自信心，有80.4%的学生认为STEAM实验有助于提高自己的动手能力，有54.9%的学生认为STEAM实验有助于增强自己合作学习的意识，有70.6%的学生认为STEAM实验有助于增强自己探究学习的意识。这表明STEAM实验对学生提高学习兴趣、提高自信心、增强合作学习和探究学习的意识有很大帮助。

根据问题7“你是否建议STEAM实验在教学实践中得到开展？”的数据绘图分析(见图7)。

从图7中可以看出有92.2%的学生表示支持STEAM实验在教学实践中得到开展，有7.8%的学生表示无所谓，没有学生表示反对。

4 结论

对研究结果分析发现STEAM实验应用于中学化学教学，对学生和教师都有很大帮助，主要表现在以下几个方面：

第一，STEAM实验能够提高学生的学习兴趣。相对于一般实验，STEAM实验具有取材新颖、贴近生活、操作灵活的优点，而且大多数实验可以在家中进行，因此更受学生喜爱。而不管做任何STEAM实验都需要具备一定的科学知识，因此学生会因为想做STEAM实验而主动学习有关知识。这样学习的效果要比课堂上教师讲授的效果好得多，学生记得更快、更准、更久。

第二，STEAM实验能够提高学生学习的自信心。调查发现，学生自己动手成功完成一个实验的成就感要远高于做对一道数学题或是正确解答一道化学题所带来的成就感。这从侧面反映出学生的自信心不仅可以而且更多地来源于对动手能力的肯定。

第三，STEAM实验能够提高学生的实验操作能力。笔者观察发现学生在实验室进行实验考试的时候，普遍存在心情紧张、遗忘操作步骤、动作不稳等问题。STEAM实验的设计遵循以学生为本的原则，让学生在没有压力心情放松的情况下进行实验操作，能够有效锻炼学生的实验操作能力，降低学生在实验考试时的紧张感。

第四，STEAM实验能够增强学生的合作学习意识。STEAM实验不仅有个人实验，也有两人合作实验或多人合作实验，通过和其他学生相互合作共同完成整个实验，可以培养学生的合作意识。

第五，STEAM实验能够增强学生的探究学习能力。在学生自己想做实验的情况下，会在实验前主动与同学交流、向教师请教或者在网络上搜集实验信息，提前学习熟悉实验内容，消化并吸收相关知识。