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初中化學家庭實驗活動設計研究論文
【摘要】通過本文概述STEM教育理念對開展初中化學家庭實驗活動的指導意義，以“環保小衛士自制凈水器”活動為例，基于STEM教育的工程設計過程，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、研究準備與活動實施。結合學生反思與活動效果,對開展STEM家庭實驗提出可供參考的實施建議。
【關鍵詞】STEM；化學家庭實驗活動；環保小衛士；自制凈水器
一、問題的提出
STEM教育提倡基于生活實驗任務的活動，要求學生在這些活動中制作一系列實體模型，在制作過程中探索、應用、修正對科學、工程、環境等領域的知識。STEM實驗活動中使用的材料簡單，能讓學生在活動中體驗科學家、工程技術師的思維及工作方式。STEM教育在美國備受關注，我國近些年也很重視STEM教育對國家經濟發展、基礎教育改革以及工程技術類人才培養工作的重要意義。在STEM理念指導下，已有多個學校設計出許多優秀的STEM項目和課程，并將其與現有的中小學相關課程或探究性實驗活動有機結合[1][2]。初中化學課程標準指出，教師在教學中“應高度重視和加強實驗教學，充分發揮實驗的教育教學功能”，鼓勵開展家庭小實驗。其中，“自制簡易凈水器”是許多學校組織學生開展家庭實驗競賽活動的常見項目。初中化學教師指導學生開展家庭實驗活動，教育行政部門組織展覽活動，旨在創造機會，讓學生靈活運用知識，動手動腦，積極參加化學科技實驗活動，提高科技意識；提倡自己動手設計并完成實驗，充分發揮其創新精神，把所學的化學知識、技能與生活實際緊密聯系起來，讓化學科技活動在校園、家庭和社會開花結果。
二、設計目的與實施方法
（一）設計目的
如今地球上淡水資源短缺，許多地區都面臨缺水的問題。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前世界最主要的問題之一。學生已學過過濾、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。
（二）實施方法
1.文獻研究法：班級學生以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概念或原理上的學習成果及查閱、引用的文獻資料，其中需附2張所研究內容的圖片。教師要為學生提供資料查閱的路徑和方法，組織學生召開資料查閱總結報告會，使學生學會收集信息，學會提出問題，學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、構成與功能，并提出一些凈水器的制作方案，進行頭腦風暴選擇可行方案，進而著手制作原型，并通過實驗探究對原型進行測評，然后重新設計并改進原型，最后交流展示。
三、設計過程
本研究包括三個階段：學習過濾與凈水原理，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）學習過濾與凈水原理
學生通過學習教材中有關水資源分布、凈化和利用的內容，進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實驗小組的學生通過查閱文獻知道生活中常用的凈水器主要有四種前置過濾器類產品、PP棉過濾類產品、超濾膜過濾類產品、反滲透膜、納濾膜過濾類產品。并對他們的作用、優點、缺點進行比較。
（三）開展自制凈水器的家庭實驗活動
在工程設計過程指導下(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、水的凈化等相關知識；針對如何制作凈水器進行頭腦風暴；繪制一份凈水器的設計圖。其次是著手制作環保型凈水器，并查閱相關科學書籍或其他資料，檢測模型的準確性和有效性，記錄檢測對比的結果，對模型進行評價，分析凈水器各個部分的成分與功能。接著是確定裝置設計的改進方案，進行必要的更改，對改進后的設計重新進行檢驗和評價。最后是展示小組學習成果，每個小組需要在老師規定的時間內，提交下述成果：一是完成一篇1-2頁的論文，總結對凈水器原理的研究結果，標注引用文獻，論文中要包含兩張圖片；二是完成一張環保型凈水器制作的設計圖；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和實踐過程的總結，其中應包含任務的目標、檢驗過程的簡要說明以及對檢驗結果的解釋；五是完成自我評價和反思總結。
四、實驗準備
（一）梳理實驗原理
利用紗布與卵石過濾較大顆粒的不溶性物質、利用石英砂過濾顆粒較小的不溶性物質、利用活性炭吸附有色有味的物質、利用蓬松棉吸附顆粒較小的不溶性物質的性質來凈化水源。
（二）準備實驗材料
學生自主選擇塑料瓶、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活動環節，首先是設計制作方案：簡要寫出個人的制作方案；STEM小組內部交流討論；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，學生分組、動手制作；家長巡視、指導。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校，在實驗室準備好凈水器，下端與接水的燒杯相連，學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、改進策略以及經驗教訓。
六、反思與建議
在開展該家庭實驗活動的過程中，學生設計制作了許多優秀的作品（如圖2）。與此同時，STEM小組的學生在修正和改進凈水器的過程也進行了以下反思：首先是過濾室的外觀、構成與設計起到關鍵作用，其構造會影響過濾反應時間，若水在過濾室內停留時間短，過濾時間不足，過濾效果不理想，因此需要經過多次實驗檢測后運用數學和工程設計的方法對過濾室進行優化。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，吸附效果不穩定，容易失效，目前沒有科學有效的監測手段，需要通過對水質變化的直觀觀察來判斷木炭吸附效果是否下降，且吸附效果受進口水質的影響很大。基于STEM理念開展初中化學家庭實驗活動時，建議教師指導學生按照如下步驟進行探究實驗：首先是問題研究，在收集、整理和閱讀與本活動任務相關的資料后做一個小結，展示文獻資料的已有研究成果。其次是模型設計，在設計圖紙上進行標注，并解釋團隊的策略。接著是結果分析，記錄、分析并解釋測試結果。然后是實驗總結，總結任務和實際發生的情況，總結中應當包括實驗目的、測試過程的簡短描述和對實驗結果的解釋。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，學生個體反思在團隊中的行為表現，完成自我評價。
七、結語
STEM實驗要求學生從實際問題出發，將科學探究和工程教育融會貫通，從中感受探究的樂趣和科學的奧秘，從而在掌握嚴謹的科學探究方法的同時，激發探究欲與好奇心。理科教師在課堂上開設STEM實驗活動，要明確學生們能確定和研究需處理的問題，并為改進、解決這些問題而進行項目學習和團隊合作。在這個過程中，學生將更加深刻地認識和理解科學與技術、工程、健康、環境和經濟、社會等領域的密切聯系。學生通過STEM課程認識技術工具、了解技術世界，意識到技術、工程、科學和數學如何相互支持，要如何學習日益普及的科學技術，以及我們的科技決策如何影響日常生活。STEM課程中，學生將使用科學儀器和工具等現有技術去構建和檢驗產品。學生還將在調查和解決方案中使用數字工具和技能，將創建技術(也許包括涉及編碼的數字技術)作為解決問題的一部分，以及與專家和其他學生的虛擬互動。STEM課程應該盡可能向學生介紹可供學習和解決問題的新技術，教師要有意識地將學生所學知識與具體的現實職業相聯系，可將STEM專家請進課堂，提供給學生前沿科技知識、重要生活技能及學術成就，讓學生接受職業教育，并能夠在實際生活中運用他們學到的技能、方法與思維。
參考文獻：
[1]林建芬,劉月嬌,古春文.互聯網+視角下化學教師運用信息技術促進課堂教學方式轉變的應為—以人教版“甲烷”的教學為例[J].教育與裝備研究,2016,(12):29-32.
[2]朱少祥.初中化學“大晶體制作”家庭實驗活動的研究[J].化學教學,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：深圳市寶安中學集團實驗學校 深圳市福田區翰林實驗學校 深圳市坪山區光祖中學
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