化学教学中STEAM案例的设计与实施*

一、研究背景

2017年3月，《2017新媒体联盟中国高等教育技术展望：地平线项目区域报告》明确指出：STEAM学习的兴起将是短期内我国教育技术的重要发展趋势之一。这说明研究STEAM教育是很有必要的。STEAM教育中包括科学(Science)、技术(Technology)、工程(Engineering)、艺术(Arts)和数学(Mathematics)几大学科的综合知识。学生在STEAM教育中收获跨学科知识，培养综合能力，发展核心素养[1]。化学教学注重的是培养学生的科学探究能力。完成化学实验的过程中离不开数学运算和实验室技术。而STEAM教育与化学课程相比，更加重视工程和艺术设计。以STEAM视角设计化学课程，变科学探究为制作精美的学科作品。作品的设计与制作有利于培养科学探究能力。此外，制作过程需要计算反应物配比，体现数学思想。也需要运用实验室技术体现工程思想。作品外观则离不开艺术设计。融合STEAM思想的化学教学需要学生在一段时间里在小组合作模式下设计、制作、调试并发布产品。在提高学生科学探究能力的基础上，将学科知识以产品的形式外显，突出了学科核心知识对人类生活的指导性意义，发展核心素养。

二、案例设计流程

STEAM教育改变了学生传统的学习方式，重视学生在课堂上学习的过程，促进对核心知识的理解。图1是融合STEAM思想的化学教学案例设计的基本流程。教师在设计STEAM教学案例时，首先要研读课程标准，梳理学科核心知识。学生通过科学探究的途径获得核心知识。设计STEAM教学案例时，如何将化学实验探究成功地转化为制作产品是核心问题。此时，如果课程标准中建议的实验可以结合技术、工程、艺术相关知识设计转化成产品，则选择该实验为载体，开发STEAM案例。如果课程标准中建议的实验不能转化为产品，则可以查阅科研文献、网络资料，设计创新实验，并以此为载体，设计STEAM案例。当STEAM案例设计思路相对成熟时，再次查阅课程标准、人教版教材和教学参考用书，反思该STEAM案例是否能承载学科核心知识，是否能培养学生的科学探究能力。在进行教学设计时，运用UbD课程设计理论(Understanding by Design，译为追求理解的教学设计)，采用“逆向设计”模式[2]。该设计模式要求课程设计者以终为始，依次设计学习目标、学习评价和学习活动。STEAM案例的特点是学生学习后能够制作产品，制作产品是学习目标。围绕产品制作，设计相应的评价方式和工具，最后设计合理的学习活动。这样的教学过程重视学习评价对学习过程的指导作用。

图1 融合STEAM思想的化学教学案例设计流程

三、案例实施效果

1.案例1—小而生动的分子

《分子和原子》的教学位于人教版第3单元第1节，承载着帮助学生建立微粒观、渗透“宏观辨识与微观探析”核心素养的重要功能。课程标准中建议的相关实验是探讨分子这一类微观粒子的性质。理解分子和原子之间的关系则建议使用球棍模型。球棍模型已经指明了原子的大小，不利于学生主动生成原子大小的相关知识。在传统教学中，有教师提出通过捏橡皮泥的活动理解分子和原子的关系。但橡皮泥的拼接不够规范，很难产生美的感受。通过网络调研，认识了3D打印技术，设计了“小而生动的分子”案例。案例引用3D打印技术，重视学生主动生成知识的过程，增加了美育的内涵。案例学习目标为：通过3D打印多种分子，理解分子、原子、物质之间的关系。在制作过程中，学生理解了分子和原子之间的关系、微观粒子与宏观物质的关系，这是化学学科核心知识。在计算机端设计分子的空间结构时，学生需要学习立体几何的数学知识。计算机端的设计过程、运用设备打印3D分子的过程需要学生具备技术素养，分子的美观设计属于艺术范畴，而课程结束后产生的3D分子则体现出学生的工程意识。案例为2课时。

第1课时，提供各种宏观物质的模型图，帮助学生理解微粒的存在。初步理解分子、原子、物质之间的关系。完成实验探究，理解分子的几个性质。在计算机端完成分子的结构设计，并设置好打印程序，保证其美观。因打印时间较长，课后进行3D打印。打印的分子有教师规定的分子，也有学生通过自主学习查阅资料了解的分子。

第2课时，学生对分子模型做产品说明，说明内容如下。

(1)说明氧气、臭氧、氢气分子分别是由什么微粒构成的？

(2)说明二氧化碳分子中是否含有氧分子，水分子中是否含有氢分子。

(3)从分子视角理解水和空气的区别。

(4)从分子视角理解物理变化与化学变化的区别。

第2课时的交流辨析，帮助学生建立微粒观，教会学生用微观粒子的行为解释宏观物质和变化，学习过程落实学习目标的要求。为帮助学生理解学习过程，运用UbD课程设计理论设计了针对目标的评价量规(见表1)。量规在课前发给学生，学生依据量规自我评估学习目标是否达成，能够有效指导学生的学习过程。学习后，教师依据评价量规对学生学习效果展开评价。

在理解微粒的性质维度上，33.3%的学生主动设计合理方案并完成实验操作，属于学霸级，66.7%的学生能够达到合格级，100%学生达成目标。在理解分子和原子的关系维度上，33.3%的学生不仅打印出规定分子，还打印出硫酸、苯分子，属于学霸级。66.7%的学生属于合格级，100%的学生达成目标。在分子视角区分纯净物和混合物维度上，有66.7%属于学霸级，16.7%属于合格级，16.7%的属于菜鸟级。总体来看，有83.3%学生达成目标。在分子视角区分物理变化和化学变化维度上，仅16.7%的学生属于学霸级，60%属于合格级，33.3%属于菜鸟级，总体而言，66.7%学生达成学习目标。在4个测查维度上，平均而言，有87.5%的学生达成学习目标。高比例数据说明引入STEAM思想的案例教学效果优秀。此外，对于在某个测查维度上仍处于菜鸟级的学生，教师在课后应对其进行深度访谈，明确学习障碍点，开展有针对性的个别化辅导。

表1 打印3D分子的评价量规

2.案例2—制作多彩圣诞树

以制作多彩圣诞树为目的，开展单元教学，整合人教版化学教材第九单元溶液的核心知识。案例所涉及的实验不在课程标准的建议中。教师查阅网络资料，了解到“化学圣诞树”的趣味实验，其具体制作方法为在铁架台上搭配盛有不同颜色溶液的圆底烧瓶、锥形瓶等仪器形成化学圣诞树。

制作过程中如何整合核心知识呢？多彩溶液是关键。首先，学生需要识别溶液，掌握溶液、溶质、溶剂的核心知识，理解溶液和非溶液之间的区别。制作“圣诞树”所需的溶液中溶质一般为固体，溶剂一般为水。学生在制作过程中产生疑问：固体与水的量为多少？两者的比例是任意吗？自然引出了溶解度、溶质质量分数的核心知识。通过师生讨论、实验探究等学习方式，学生理解了溶质溶解在溶剂中有溶解限度，用溶质质量分数表示浓度核心知识。至此，人教版教材《溶液》单元的核心知识全部整合在项目中。那么，该项目如何体现STEAM特点呢？如图2所示，核心知识属于科学(S)的范畴，学生需要通过数学(M)运算正确表示溶液的浓度。搭建“圣诞树”的过程中需要使用锥形瓶、圆底烧瓶、铁架台、铁夹等仪器，运用实验室技术(T)。最终形成的“圣诞树”是否美观，属于艺术(A)享受，设计“圣诞树”的过程需考虑其是否稳固、是否保持受力平衡，这些因素属于工程(E)设计。

图2 “制作多彩圣诞树”案例的实施步骤与STEAM要素分析

案例实施过程分为5个步骤。按实施顺序依次为：分析与拆解项目、配制溶液、学习仪器使用、制作圣诞树和产品解读。其中第2个步骤和第3个步骤可以对调。教学实施分为5个课时。每个课时的教学过程如表2所示。以UbD理论指导教学过程设计—设计顺序为目标、评价、任务。与传统教学设计相比，将评价前置，重视评价的指导作用。评价紧扣目标，学习任务体现了以学生为主体的特点。与传统教学相比，引入STEAM案例，落实了课程标准的相关要求，提高了学生的课堂参与度、科学探究能力，培养了工程设计意识和艺术素养。具体表现为：在经历案例学习后，有95%的学生表示喜欢STEAM教学课堂，并期待下一次的STEAM案例教学；课堂教学中学生设计实验、实施实验、进行表达与交流的时间比传统教学长，使学生主动生成实验方案、小组合作完成实验过程，并充分表达思想，提高了科学探究能力。学生在“圣诞树”的设计过程中考虑平衡、稳定、美观等因素，培养了工程意识与艺术素养，这是传统教学中不曾涉及的内容。

表2 “制作圣诞树”教学过程

四、教师授课反思

1.实施STEAM案例 发展学生核心素养

有学者指出，如果学生有了素养发展的需求，会更迫切地寻求核心知识、形成关键能力[3]。“小而生动的分子”和“制作多彩圣诞树”的案例以发展学生核心素养为目标而设计素养外显的方式是制作产品。教学中不仅关注知识本身，更加关注的知识如何被使用，学生应用知识产生产品，使知识更有生命力。与传统教学相比，在制作过程中，不仅落实本学科课程标准的要求，也收获了跨学科知识，运用了现代技术，培养了艺术情操和工程意识。“小而生动的分子”案例通过运用3D打印技术制作了看不见的微观分子的模型，学生在学习过程中不断将微观粒子和宏观物质之间的性质、变化做关联，培养“宏观辨识与微观探析”的学科核心素养。“制作多彩圣诞树”案例将人教版教材中多个小而独立的实验整合成一个大型的探究任务，使科学探究围绕产品制作而设计，着重培养学生设计实验、获得实验结论及表达交流能力。实验任务由教材中的验证性变为探究性，增加了结果的未知性，有利于培养学生的创新意识，落实“实验探究与创新意识”的学科核心素养。

2.设计STEAM案例 提高教师专业发展

教师专业发展是指教师专业知识、专业能力和专业精神的发展[4]。STEAM案例的设计要求教师具有跨学科的专业知识。设计这类教学过程能促进教师在工作岗位上不断学习、提升自我。如何把生活中的产品制作问题转化为化学教学问题？如何基于学生的认知水平将化学核心知识与数学、技术、艺术、工程知识相融合而开展教学设计？这些均体现出教师的专业能力。教师基于学生的需要而不断研究STEAM课程的过程体现了教师的专业精神。每一次的STEAM案例设计过程也是促进教师的专业发展的过程。