基于化学实验的stem项目

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1、基于化学实验的STEM项目摘要：从化学实验视角出发，设计了主题为“设计检测Co2+浓度的技术方案”STEM项目，展示了该项目的开发和活动的实施过程。该项目围绕工程问题，以图像比色法为技术核心，将化学定量实验技能、比色法原理与信息技术中信息的数字化及Excel软件操作、数学函数模型的知识相融合，有利于培养信息时代背景下高中生利用跨学科知识解决问题的能力和创新精神。关键词：STEM；项目学习；化学实验；图像比色法文章编号：1005?C6629(2016)ll?C0043?C05中图分类号：G633.8文献标识码：B1基于

2、项目的STEM学习概述STEM是科学(Science)、技术(Technology)、工程(Engineering)和数学(Mathematics)四门学科的简称。它将四门学科内容组合成为有机整体，强调多学科的交叉融合，以培养学生在掌握知识和技能的同时，能够将其迁移应用到解决实际问题的能力和创新精神。STEM最核心的特征是跨学科性，此外还包括趣味性、体验性、情境性、协作性、设计性、艺术性、实证性和技术增强性等特征。STEM有两种最基本的课程模式：相关课程模式和广域课程模式［1］，前者在课程形式上依然属于分科教育，但在

3、各学科内容编排上注重相互之间的联系；后者是通过活动项目将各学科整合为有组织的课程结构。基于项目的STEM学习是STEM和基于项目的学习(Project-basedlearning:PBL)模式相结合的产物，是进行跨学科整合的一种基本取向［2］。PBL利用学生自主探究的过程来获得与现实生活有关联并且能付诸应用的学习结果［3］，基本要素为内容、活动、情境和结果［4,5］。因此，基于项目的STEM学习可以理解为以PBL的基本要素为框架整合STEM内容的学习模式，是利用科学、数学知识和技术手段，通过工程设计活动解决工程问题的

4、学习过程，其基本要素如表1所示。2基于化学实验的STEM项目开发2.1项目的开发过程化学实验是科学探宄活动的主要载体，基于项目的学习具有基于问题和基于探究的属性，因此将化学实验结合工程设计转化为基于项目的STEM学习是可行的。对于化学分科课程的教师来说，开发STEM项目更具操作性，开发过程如图1所示。本文选取高中化学教科书《实验化学》（人教版）中比色法这一内容。经查阅文献发现，基于手机摄像头的图像比色法在健康诊断与环境、医药、食品检测等领域有广泛应用［6］。在分析了图像比色法中蕴含的跨学科知识和技术后，最终开发了“设

5、计检测Co2+浓度的技术方案”这一项目。2.2项目的实验设计该项目活动的技术核心为图像比色法这一融合了信息技术的实验方法，该方法较为新兴，原理与目视比色法相同，即物质显色的实质是对不同波长光的选择性吸收，显出的颜色是它所吸收光的互补色，溶液颜色的深浅取决于吸光物质浓度的高低［7］。但图像比色法以手机等拍照设备作为图像采集器，以计算机代替人眼，将颜色深浅转化为RGB分量值，从而将色溶质的浓度与RGB分量值之间建立关联，能够更精确地检测有色溶质溶液的浓度，且所需的器材便利、步骤简单，具体步骤如图2所示。实验涵盖了化学、物

6、理、数学知识和信息技术，结合工程设计后转化为“设计检测Co2+浓度的技术方案”的STEM项目也必然涵盖这些跨学科知识，体现了STEM的跨学科性，如表2所示。3活动的实施过程设计STEM项目的实施主要是通过工程设计过程和探宄学习的5E教学模型的整合来实现的，如ITEEA开发的基于设计的工程设计EbDTM项目、波士顿科学博物馆创立的工程是基础EiE项目、世界在运动AWIM项目［8］。工程设计过程包括“识别问题和制约因素”、“调查研宄”、“形成概念”、“分析观点”、“建立模型”、“测试和优化”、“沟通和反思”七个步骤。其中

7、，“识别问题和制约因素”是指明晰问题和任务，知道制约因素和标准，比如时间、资源、经费、预期任务成品的特征；“调查研究”是指了解与主题相关的信息，如已有的解决方案，以防止做重复劳动；“形成概念”是指运用头脑风暴想出多种解决方案，并识别每个方案的风险和利益；“分析观点”是指依据数学、科学和技术原理和项目的标准以及限制筛选和精细化出前一步骤的方案；“建立模型”是指学生在分析观点的基础上建立一个工作模型或原型；“测试和优化”是指测试模型是否满足要求，根据测试结果优化现有的设计；“沟通和反思”是指进行人际互动、口头、视觉、书面

8、方式的沟通，既适应于团队工作环境，又用于对方案和产品的开发过程记录和解释［9］。本项目的活动实施过程兼顾了工程设计和探宄学习两大实践系统，结合化学实验的特性，以“问题聚焦和明确”、“思考和探宄”、“解释和方案确立”、“构建和实验”、“测试和优化”、“沟通和评价”六个过程构成。“问题聚焦和明确”包含了“识别问题和制约因素”的工程内涵，且强调从社会