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初中化學(xué)家庭實驗活動設(shè)計研究論文
【摘要】通過本文概述STEM教育理念對開展初中化學(xué)家庭實驗活動的指導(dǎo)意義，以“環(huán)保小衛(wèi)士自制凈水器”活動為例，基于STEM教育的工程設(shè)計過程，開展STEM小組的實驗探究活動，介紹研究目的、研究方法、研究階段、研究準(zhǔn)備與活動實施。結(jié)合學(xué)生反思與活動效果,對開展STEM家庭實驗提出可供參考的實施建議。
【關(guān)鍵詞】STEM；化學(xué)家庭實驗活動；環(huán)保小衛(wèi)士；自制凈水器
一、問題的提出
STEM教育提倡基于生活實驗任務(wù)的活動，要求學(xué)生在這些活動中制作一系列實體模型，在制作過程中探索、應(yīng)用、修正對科學(xué)、工程、環(huán)境等領(lǐng)域的知識。STEM實驗活動中使用的材料簡單，能讓學(xué)生在活動中體驗科學(xué)家、工程技術(shù)師的思維及工作方式。STEM教育在美國備受關(guān)注，我國近些年也很重視STEM教育對國家經(jīng)濟發(fā)展、基礎(chǔ)教育改革以及工程技術(shù)類人才培養(yǎng)工作的重要意義。在STEM理念指導(dǎo)下，已有多個學(xué)校設(shè)計出許多優(yōu)秀的STEM項目和課程，并將其與現(xiàn)有的中小學(xué)相關(guān)課程或探究性實驗活動有機結(jié)合[1][2]。初中化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)指出，教師在教學(xué)中“應(yīng)高度重視和加強實驗教學(xué)，充分發(fā)揮實驗的教育教學(xué)功能”，鼓勵開展家庭小實驗。其中，“自制簡易凈水器”是許多學(xué)校組織學(xué)生開展家庭實驗競賽活動的常見項目。初中化學(xué)教師指導(dǎo)學(xué)生開展家庭實驗活動，教育行政部門組織展覽活動，旨在創(chuàng)造機會，讓學(xué)生靈活運用知識，動手動腦，積極參加化學(xué)科技實驗活動，提高科技意識；提倡自己動手設(shè)計并完成實驗，充分發(fā)揮其創(chuàng)新精神，把所學(xué)的化學(xué)知識、技能與生活實際緊密聯(lián)系起來，讓化學(xué)科技活動在校園、家庭和社會開花結(jié)果。
二、設(shè)計目的與實施方法
（一）設(shè)計目的
如今地球上淡水資源短缺，許多地區(qū)都面臨缺水的問題。每天都有大量的水資源被浪費和污染。水資源短缺問題成為了當(dāng)前世界最主要的問題之一。學(xué)生已學(xué)過過濾、吸附、水的凈化、保護水資源等概念或原理，對自然界中水的成分、除雜所需的必備材料和原理有所了解，對過濾的操作已經(jīng)掌握，希望通過自己動腦和動手來制作簡易凈水裝置的興致很高。
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1.文獻(xiàn)研究法：班級學(xué)生以3-4人形式組建STEM實驗小組，用簡要的篇幅概括介紹小組在實驗主題相關(guān)概念或原理上的學(xué)習(xí)成果及查閱、引用的文獻(xiàn)資料，其中需附2張所研究內(nèi)容的圖片。教師要為學(xué)生提供資料查閱的路徑和方法，組織學(xué)生召開資料查閱總結(jié)報告會，使學(xué)生學(xué)會收集信息，學(xué)會提出問題，學(xué)會撰寫資料查閱報告。2.實驗探究法：STEM實驗小組合作研究凈水器的原理、構(gòu)成與功能，并提出一些凈水器的制作方案，進(jìn)行頭腦風(fēng)暴選擇可行方案，進(jìn)而著手制作原型，并通過實驗探究對原型進(jìn)行測評，然后重新設(shè)計并改進(jìn)原型，最后交流展示。
三、設(shè)計過程
本研究包括三個階段：學(xué)習(xí)過濾與凈水原理，比較生活中常見的凈水器；開展自制凈水器的家庭實驗活動。
（一）學(xué)習(xí)過濾與凈水原理
學(xué)生通過學(xué)習(xí)教材中有關(guān)水資源分布、凈化和利用的內(nèi)容，進(jìn)一步理解自然界中水的成分、除雜所需的必備材料和原理，掌握過濾的操作要點。
（二）比較生活中常見的凈水器
STEM實驗小組的學(xué)生通過查閱文獻(xiàn)知道生活中常用的凈水器主要有四種前置過濾器類產(chǎn)品、PP棉過濾類產(chǎn)品、超濾膜過濾類產(chǎn)品、反滲透膜、納濾膜過濾類產(chǎn)品。并對他們的作用、優(yōu)點、缺點進(jìn)行比較。
（三）開展自制凈水器的家庭實驗活動
在工程設(shè)計過程指導(dǎo)下(如圖1)，STEM實驗小組開展自制簡易凈水器家庭小實驗活動。實施流程為：首先研究過濾、水的凈化等相關(guān)知識；針對如何制作凈水器進(jìn)行頭腦風(fēng)暴；繪制一份凈水器的設(shè)計圖。其次是著手制作環(huán)保型凈水器，并查閱相關(guān)科學(xué)書籍或其他資料，檢測模型的準(zhǔn)確性和有效性，記錄檢測對比的結(jié)果，對模型進(jìn)行評價，分析凈水器各個部分的成分與功能。接著是確定裝置設(shè)計的改進(jìn)方案，進(jìn)行必要的更改，對改進(jìn)后的設(shè)計重新進(jìn)行檢驗和評價。最后是展示小組學(xué)習(xí)成果，每個小組需要在老師規(guī)定的時間內(nèi)，提交下述成果：一是完成一篇1-2頁的論文，總結(jié)對凈水器原理的研究結(jié)果，標(biāo)注引用文獻(xiàn)，論文中要包含兩張圖片；二是完成一張環(huán)保型凈水器制作的設(shè)計圖；三是完成一份凈水器性能檢測后的記錄、分析和說明；四是完成對實驗任務(wù)和實踐過程的總結(jié)，其中應(yīng)包含任務(wù)的目標(biāo)、檢驗過程的簡要說明以及對檢驗結(jié)果的解釋；五是完成自我評價和反思總結(jié)。
四、實驗準(zhǔn)備
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利用紗布與卵石過濾較大顆粒的不溶性物質(zhì)、利用石英砂過濾顆粒較小的不溶性物質(zhì)、利用活性炭吸附有色有味的物質(zhì)、利用蓬松棉吸附顆粒較小的不溶性物質(zhì)的性質(zhì)來凈化水源。
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學(xué)生自主選擇塑料瓶、塑料管、清洗過的沙子、紗布、蓬松棉包、活性炭、清洗過的小卵石、剪刀、鉆子、燒杯等儀器或用品。五、實施方案STEM活動環(huán)節(jié)，首先是設(shè)計制作方案：簡要寫出個人的制作方案；STEM小組內(nèi)部交流討論；制定最佳方案，具體操作如下：取一個空的塑料飲料瓶，剪去底部，約占二分之一；在瓶蓋處用鉆子鉆一個孔，把準(zhǔn)備的塑料管插入孔中；把瓶口處倒過來放，依次放入膨松棉、紗布、活性炭、石英砂、紗布、小卵石。其次是制作凈水器，學(xué)生分組、動手制作；家長巡視、指導(dǎo)。接著是檢驗自制簡易凈水器的凈水效果，STEM小組將自制凈水器帶回學(xué)校，在實驗室準(zhǔn)備好凈水器，下端與接水的燒杯相連，學(xué)生把污水沿玻璃棒倒入凈水器中，觀察凈水效果。最后是交流評價各小組匯報凈水效果、改進(jìn)策略以及經(jīng)驗教訓(xùn)。
六、反思與建議
在開展該家庭實驗活動的過程中，學(xué)生設(shè)計制作了許多優(yōu)秀的作品（如圖2）。與此同時，STEM小組的學(xué)生在修正和改進(jìn)凈水器的過程也進(jìn)行了以下反思：首先是過濾室的外觀、構(gòu)成與設(shè)計起到關(guān)鍵作用，其構(gòu)造會影響過濾反應(yīng)時間，若水在過濾室內(nèi)停留時間短，過濾時間不足，過濾效果不理想，因此需要經(jīng)過多次實驗檢測后運用數(shù)學(xué)和工程設(shè)計的方法對過濾室進(jìn)行優(yōu)化。其次是吸附劑的選取對凈水效果及凈水器性能的影響很大，木炭的處理效果不如活性炭，吸附效果不穩(wěn)定，容易失效，目前沒有科學(xué)有效的監(jiān)測手段，需要通過對水質(zhì)變化的直觀觀察來判斷木炭吸附效果是否下降，且吸附效果受進(jìn)口水質(zhì)的影響很大�；赟TEM理念開展初中化學(xué)家庭實驗活動時，建議教師指導(dǎo)學(xué)生按照如下步驟進(jìn)行探究實驗：首先是問題研究，在收集、整理和閱讀與本活動任務(wù)相關(guān)的資料后做一個小結(jié)，展示文獻(xiàn)資料的已有研究成果。其次是模型設(shè)計，在設(shè)計圖紙上進(jìn)行標(biāo)注，并解釋團隊的策略。接著是結(jié)果分析，記錄、分析并解釋測試結(jié)果。然后是實驗總結(jié)，總結(jié)任務(wù)和實際發(fā)生的情況，總結(jié)中應(yīng)當(dāng)包括實驗?zāi)康�、測試過程的簡短描述和對實驗結(jié)果的解釋。隨后是活動反思，思考各自團隊的選擇過程，完成STEM小組反思報告。最后是自我評價，學(xué)生個體反思在團隊中的行為表現(xiàn)，完成自我評價。
七、結(jié)語
STEM實驗要求學(xué)生從實際問題出發(fā)，將科學(xué)探究和工程教育融會貫通，從中感受探究的樂趣和科學(xué)的奧秘，從而在掌握嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)探究方法的同時，激發(fā)探究欲與好奇心。理科教師在課堂上開設(shè)STEM實驗活動，要明確學(xué)生們能確定和研究需處理的問題，并為改進(jìn)、解決這些問題而進(jìn)行項目學(xué)習(xí)和團隊合作。在這個過程中，學(xué)生將更加深刻地認(rèn)識和理解科學(xué)與技術(shù)、工程、健康、環(huán)境和經(jīng)濟、社會等領(lǐng)域的密切聯(lián)系。學(xué)生通過STEM課程認(rèn)識技術(shù)工具、了解技術(shù)世界，意識到技術(shù)、工程、科學(xué)和數(shù)學(xué)如何相互支持，要如何學(xué)習(xí)日益普及的科學(xué)技術(shù)，以及我們的科技決策如何影響日常生活。STEM課程中，學(xué)生將使用科學(xué)儀器和工具等現(xiàn)有技術(shù)去構(gòu)建和檢驗產(chǎn)品。學(xué)生還將在調(diào)查和解決方案中使用數(shù)字工具和技能，將創(chuàng)建技術(shù)(也許包括涉及編碼的數(shù)字技術(shù))作為解決問題的一部分，以及與專家和其他學(xué)生的虛擬互動。STEM課程應(yīng)該盡可能向?qū)W生介紹可供學(xué)習(xí)和解決問題的新技術(shù)，教師要有意識地將學(xué)生所學(xué)知識與具體的現(xiàn)實職業(yè)相聯(lián)系，可將STEM專家請進(jìn)課堂，提供給學(xué)生前沿科技知識、重要生活技能及學(xué)術(shù)成就，讓學(xué)生接受職業(yè)教育，并能夠在實際生活中運用他們學(xué)到的技能、方法與思維。
參考文獻(xiàn)：
[1]林建芬,劉月嬌,古春文.互聯(lián)網(wǎng)+視角下化學(xué)教師運用信息技術(shù)促進(jìn)課堂教學(xué)方式轉(zhuǎn)變的應(yīng)為—以人教版“甲烷”的教學(xué)為例[J].教育與裝備研究,2016,(12):29-32.
[2]朱少祥.初中化學(xué)“大晶體制作”家庭實驗活動的研究[J].化學(xué)教學(xué),2016,(09):15-19.
作者：林建芬 陳粉心 彭炫 解慕宗 陳曉鋒 高苗蘭 單位：深圳市寶安中學(xué)集團實驗學(xué)校 深圳市福田區(qū)翰林實驗學(xué)校 深圳市坪山區(qū)光祖中學(xué)
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