基于STEAM理念的初中化學(xué)實(shí)驗(yàn)探究式教學(xué)
——以滬教版“氧氣的制取與性質(zhì)”的探究性教學(xué)為例

查維娟

(江蘇省泰州市興化市昭陽湖初級(jí)中學(xué) 225700)

所謂STEAM教育，是科學(xué)Science、技術(shù)Technology、工程Engineering、藝術(shù)Art、數(shù)學(xué)Mathematics各取首字母的合并統(tǒng)稱.實(shí)驗(yàn)探究式教學(xué)與STEAM教育理念之間有著較高的契合性，在STEAM理念的基礎(chǔ)上開展初中化學(xué)實(shí)驗(yàn)探究式教學(xué)，具有良好的研究?jī)r(jià)值，對(duì)培養(yǎng)學(xué)生核心素養(yǎng)，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，提高課堂教學(xué)效率具有重要的意義.

1 基于STEAM理念的初中化學(xué)探究式實(shí)驗(yàn)教學(xué)設(shè)計(jì)

若想在初中化學(xué)探究式實(shí)驗(yàn)教學(xué)中融合STEAM教育理念，教師可以按照以下幾個(gè)角度實(shí)施探究式實(shí)驗(yàn)教學(xué).

1.1 提出有價(jià)值的研究問題，并做出合理的假設(shè)

針對(duì)這個(gè)教學(xué)步驟，教師需要帶領(lǐng)學(xué)生通過各種途徑搜集實(shí)驗(yàn)資料，并對(duì)化學(xué)知識(shí)進(jìn)行全面的梳理.從教學(xué)目的上看，該步驟主要培養(yǎng)了學(xué)生收集信息、整理信息的數(shù)學(xué)素養(yǎng).

1.2 設(shè)計(jì)科學(xué)的實(shí)驗(yàn)方案

這個(gè)教學(xué)步驟需要學(xué)生認(rèn)真思考、積極交流，并與教師細(xì)心溝通，營(yíng)造融洽的互動(dòng)氛圍，商討出合理的教學(xué)方案.從教學(xué)目的上看，該教學(xué)步驟主要針對(duì)學(xué)生求知欲望、探究精神等科學(xué)素養(yǎng)的培養(yǎng).

1.3 帶領(lǐng)學(xué)生動(dòng)手操作，鼓勵(lì)學(xué)生獨(dú)立完成實(shí)驗(yàn)探究過程

該步驟需要學(xué)生們?cè)谟懻摰倪^程中確定可行的實(shí)驗(yàn)方案，并能將設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)全部落實(shí).從教學(xué)目的上看，這對(duì)于學(xué)生動(dòng)手實(shí)踐能力的提升大有幫助，可以有效提升學(xué)生的技術(shù)素養(yǎng).

1.4 根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，總結(jié)出最后的結(jié)論

該步驟的關(guān)鍵點(diǎn)在于展示成果，教師可以讓學(xué)生以個(gè)人或團(tuán)隊(duì)的形式與其他同學(xué)共享實(shí)驗(yàn)結(jié)果.從教學(xué)目的上看，這可以培養(yǎng)學(xué)生歸納總結(jié)的語言能力，對(duì)于提高學(xué)生的藝術(shù)素養(yǎng)具有積極的影響作用.

1.5 對(duì)整個(gè)實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)進(jìn)行全面復(fù)盤，綜合評(píng)價(jià)每名學(xué)生的表現(xiàn)

探究性實(shí)驗(yàn)教學(xué)應(yīng)當(dāng)做到收放自如，當(dāng)學(xué)生完成探究實(shí)踐之后，應(yīng)當(dāng)積極反思、多元評(píng)價(jià)，這樣才能及時(shí)做好查缺補(bǔ)漏工作，保障學(xué)生們化學(xué)能力的全面進(jìn)步.從教學(xué)目的上看，這個(gè)教學(xué)步驟主要針對(duì)學(xué)生的工程素養(yǎng).

2 基于STEAM理念的初中化學(xué)探究式實(shí)驗(yàn)教學(xué)策略分析

針對(duì)以上教學(xué)設(shè)計(jì)，本文以上海教育出版社初中化學(xué)九年級(jí)上冊(cè)第二章《基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)1·氧氣的制取與性質(zhì)》的探究性教學(xué)為例，進(jìn)行以下授課實(shí)踐.

2.1 創(chuàng)設(shè)趣味情境，提出思考問題

在實(shí)驗(yàn)教學(xué)之前，教師可以提前準(zhǔn)備幾個(gè)網(wǎng)上購(gòu)買的便攜式氧氣呼吸器，讓學(xué)生體驗(yàn)呼吸器，并對(duì)學(xué)生提問：一個(gè)小小的呼吸器居然能源源不斷地制造出氧氣，大家知道它是怎樣制造氧氣的嗎？針對(duì)這個(gè)問題，教師可以適當(dāng)給予提示，以促進(jìn)學(xué)生的深入思考.例如，呼吸器是否利用了光合作用？呼吸器的制氧原理是否屬于工業(yè)制氧的范疇？在提出工業(yè)制氧的概念之后，教師可以通過多媒體設(shè)備播放工業(yè)大量制氧的視頻，展示制氧環(huán)節(jié)，即空氣經(jīng)過干燥和除去二氧化碳后，經(jīng)加壓和降溫，形成液態(tài)空氣，再升溫至-196℃，分離出氮?dú)夂鸵簯B(tài)氧氣.

以此為基礎(chǔ)，教師繼續(xù)提問學(xué)生：如果我們?cè)谄綍r(shí)生活中，想要通過化學(xué)知識(shí)來獲取少量的氧氣，該如何操作呢？隨后，教師帶領(lǐng)大家聯(lián)系舊知，回想有哪些學(xué)過的化學(xué)反應(yīng)可以伴隨著氧氣的生成.通過交流討論，教師提醒學(xué)生們將這些反應(yīng)全部記載下來，并逐個(gè)分析這些化學(xué)實(shí)驗(yàn)的可操作性.例如，加熱氧化汞生成汞和氧氣，是否適合實(shí)驗(yàn)室制氧？電解水實(shí)驗(yàn)?zāi)兀吭诖嘶A(chǔ)上，教師應(yīng)提示學(xué)生，要從能源消耗、能源污染、操作復(fù)雜程度等多方面進(jìn)行思考，盡量讓化學(xué)實(shí)驗(yàn)既環(huán)保又節(jié)約，操作過程不會(huì)太過于繁瑣.學(xué)生們經(jīng)過進(jìn)一步的討論，不難發(fā)現(xiàn)汞有毒，容易造成環(huán)境污染.而水電解對(duì)電能的消耗較大，且操作過程比較復(fù)雜，生成的氧氣不易保存，二者都不適用于實(shí)驗(yàn)室制氧.經(jīng)過綜合性的考慮，排除掉多余選項(xiàng)，可以確認(rèn)以高錳酸鉀藥品來制備氧氣.

2.2 引導(dǎo)學(xué)生質(zhì)疑，加強(qiáng)探究體驗(yàn)

關(guān)于高錳酸鉀制取氧氣的實(shí)驗(yàn)，學(xué)生們經(jīng)過前期的學(xué)習(xí)，大多只是初步了解該實(shí)驗(yàn)的化學(xué)方程式，但對(duì)于實(shí)驗(yàn)的具體細(xì)節(jié)，許多學(xué)生卻一無所知.為了有效加強(qiáng)學(xué)生的探究體驗(yàn)，教師可以巧妙的引入一些干擾元素，引導(dǎo)學(xué)生不斷質(zhì)疑，進(jìn)一步促進(jìn)新知與舊知之間的聯(lián)系，幫助學(xué)生迅速熟悉該實(shí)驗(yàn)的細(xì)節(jié)與每一個(gè)操作要點(diǎn).

如圖1所示，教師可以先通過電子白板展示實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)圖B與設(shè)計(jì)圖C，并詢問學(xué)生：大家認(rèn)為哪一種設(shè)計(jì)圖比較適合這次實(shí)驗(yàn)?zāi)兀客ㄟ^簡(jiǎn)單的討論分析，學(xué)生不難發(fā)現(xiàn)教師給出的陷阱.因?yàn)楦咤i酸鉀屬于固體，B、C兩張?jiān)O(shè)計(jì)圖中明顯都有液體，都不是正確選項(xiàng).當(dāng)學(xué)生正確提出質(zhì)疑以后，教師可以適當(dāng)給予贊揚(yáng)，并趁熱打鐵，繼續(xù)布置下一個(gè)陷阱：教師想要采用向下排空氣法來收集氧氣，大家覺得合適嗎？如果不合適，你覺得應(yīng)該用什么方法？該問題旨在引導(dǎo)學(xué)生聯(lián)系舊知，通過以前的學(xué)習(xí)，學(xué)生可以回憶起向下排空氣法主要針對(duì)密度比空氣小且不與空氣反應(yīng)的氣體.而氧氣密度明顯大于空氣，如果采用向下排空氣法，制取的氧氣會(huì)從瓶口流失，故而不適合.在此基礎(chǔ)上，學(xué)生經(jīng)過再一次的質(zhì)疑與思考，可以確定排水集氣法與向上排空氣法相對(duì)比較適合這次實(shí)驗(yàn).由此，學(xué)生也能認(rèn)識(shí)到氣體的收集與氣體的密度與溶解性有關(guān)，在實(shí)驗(yàn)理論的學(xué)習(xí)上又準(zhǔn)確掌握了一處重要的知識(shí)點(diǎn).

圖1

2.3 鼓勵(lì)改進(jìn)實(shí)驗(yàn)，促進(jìn)遷移內(nèi)化

在情境導(dǎo)入、質(zhì)疑討論兩個(gè)教學(xué)環(huán)節(jié)之后，學(xué)生需要親手實(shí)踐，完成高錳酸鉀制取氧氣的實(shí)驗(yàn)操作流程.但對(duì)于實(shí)驗(yàn)中某些容易忽略的細(xì)節(jié)，教師還需要提醒學(xué)生注意.對(duì)此，化學(xué)教師可以先通過電子白板，播放一些失敗的實(shí)驗(yàn)視頻.比如，有的學(xué)生在加熱高錳酸鉀的過程中，試管底部突然炸裂.有的學(xué)生操作實(shí)驗(yàn)時(shí)，發(fā)現(xiàn)水槽中的水突然變紅了.還有的學(xué)生在制取氧氣時(shí)，不知該如何判斷氧氣已經(jīng)收集完畢.針對(duì)這些問題，教師可以將課堂的主導(dǎo)權(quán)還給學(xué)生，讓學(xué)生以小組為單位，分析以上視頻中的錯(cuò)誤細(xì)節(jié)，思考出現(xiàn)實(shí)驗(yàn)事故的因素是什么，如何該對(duì)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行創(chuàng)新改進(jìn).

當(dāng)學(xué)生討論完畢后，教師可以按照實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，連接好相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)器械，并讓學(xué)生總結(jié)之前討論的結(jié)果，對(duì)不正確的地方進(jìn)行調(diào)整.例如，裝有高錳酸鉀的試管管口并沒有略微傾斜向下，而高錳酸鉀加熱會(huì)生成水蒸氣，遇試管壁冷凝會(huì)回流，從而造成試管底部的炸裂，這也是需要改進(jìn)的環(huán)節(jié)之一.試管口應(yīng)當(dāng)加塞透氣的填充物，如棉花.因?yàn)楦咤i酸鉀藥品為粉末狀，在加熱的過程中容易從導(dǎo)管中進(jìn)入水槽，這也是水變紅的原因.最后，判斷氧氣是否收集滿，需要觀察細(xì)節(jié).如排水收集法，要看氣泡是否從收集瓶中逸出.再如向上排空氣法，可以將帶火星的木條放置在瓶口，觀察是否出現(xiàn)復(fù)燃的情況.在此基礎(chǔ)上，教師可以適當(dāng)?shù)难a(bǔ)充兩種收集氧氣方式的優(yōu)缺點(diǎn)，如排空氣收集的氧氣雜質(zhì)相對(duì)較多，排水收集的氧氣則比較濕潤(rùn).經(jīng)過綜合性的交流和糾錯(cuò)，展示出的設(shè)計(jì)成果如圖2所示.最后，教師帶領(lǐng)學(xué)生確認(rèn)全部實(shí)驗(yàn)細(xì)節(jié)后，可以讓學(xué)生完成最后的實(shí)驗(yàn)操作，并妥善記錄實(shí)驗(yàn)結(jié)果.

圖2

3 基于STEAM理念的初中化學(xué)探究式實(shí)驗(yàn)教學(xué)總結(jié)

在完成實(shí)驗(yàn)教學(xué)后，教師可以采用調(diào)查問卷、個(gè)案訪談的方式，分析本次探究式實(shí)驗(yàn)的教學(xué)效果.

3.1 調(diào)查問卷與相關(guān)分析

發(fā)放調(diào)查問卷之前，教師可以先帶領(lǐng)學(xué)生對(duì)整個(gè)實(shí)驗(yàn)過程復(fù)盤，為學(xué)生普及STEAM教育的理念，讓學(xué)生了解到每一個(gè)教學(xué)環(huán)節(jié)的目的是什么，有哪些想要培養(yǎng)的目標(biāo).并通過學(xué)生自評(píng)、學(xué)生互評(píng)等方式，引導(dǎo)學(xué)生反思自己在哪些方面的學(xué)習(xí)出現(xiàn)了進(jìn)步，又有哪些地方存在著不足之處.然后，教師為學(xué)生發(fā)放調(diào)查問卷，針對(duì)性地提出問題，以分析STEAM理念與探究式實(shí)驗(yàn)的結(jié)合情況是否達(dá)到預(yù)期的成效.通過多角度、多樣性的問題，判斷學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣、思維能力、實(shí)踐能力、合作能力、創(chuàng)新意識(shí)等素質(zhì)是否發(fā)生了明顯的進(jìn)步.本次40人的學(xué)生群體經(jīng)過問卷調(diào)查，最后的結(jié)果如圖3所示.可見大部分的學(xué)生在實(shí)驗(yàn)興趣、實(shí)驗(yàn)思維、實(shí)驗(yàn)操作、實(shí)驗(yàn)合作、實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新等方面都有了顯著地成長(zhǎng).僅有2人沒有明顯地變化，可見STEAM教育理念與化學(xué)探究式實(shí)驗(yàn)的兼容性較強(qiáng)，可以有效提高學(xué)生的學(xué)習(xí)效率，對(duì)學(xué)生化學(xué)綜合素質(zhì)地成長(zhǎng)大有裨益.

圖3

3.2 個(gè)案訪談與相關(guān)分析

在完成問卷的基礎(chǔ)上，教師還需要進(jìn)一步做好查缺補(bǔ)漏.比如，本次教學(xué)有兩名學(xué)生并未出現(xiàn)明顯的學(xué)習(xí)進(jìn)步，可以針對(duì)個(gè)案來組織訪談工作，了解學(xué)生的實(shí)際情況，分析STEAM理念下的化學(xué)探究式實(shí)驗(yàn)為什么沒有取得良好的教學(xué)成效，找出可以改正的教學(xué)細(xì)節(jié).由此，教師充分貫徹了以生為本的教育原則，力求讓化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)做到精益求精.