STEM教育理念的“凈水器制作”教學設計

馮艷顏 杜馨 郭艷

摘要：STEM教育理念整合科學、技術、工程、數學學科，重視學科之間的邏輯關系與內在聯系，培養學生解決問題能力和創新能力。文章結合給排水專業課程體系的特點，以“凈水器制作”為例進行STEM教育理念的教學方案設計，引導學生通過趣味試驗與創意寫作，認識到水安全的重要性和水污染的危害。

關鍵詞：STEM教育理念；凈水器制作；過濾工藝

一、STEM教育理念概述

STEM是科學（Science）、技術（Technology）、工程（Engineering）、數學（Mathematics）四個單詞的首字母縮寫，代表將科學、技術、工程和數學有機統一的思想。STEM理念目標與職業教育人才培養目標高度一致，即從學科教學走向跨學科整合教育。

STEM教育理念下的“凈水器制作”教學設計將工程學、物理科學、地球科學與創意寫作整合在一起，通過STEM教育理念連接科學與藝術，能培養學生不同領域的重要技能，幫助學生最大限度發揮自己在某學科的天賦和才能，更好地學習知識。研究發現，當學生不是通過死記硬背，而是通過故事的方式來學習的時候，他們能更快地掌握知識，并且記得更牢。

二、學情分析

在認知基礎方面，學生在第一學年已學習環保概論、水質檢測與分析課程，具備了環境保護與水質檢測等基本知識，但對水處理工藝缺少感性認識和實踐經驗。在學習特點方面，學生不再滿足于傳統教學方式，喜歡新奇事物，對感興趣的事物會認真學習和研究。

三、教學內容

教師根據給排水工程施工與運行專業人才培養方案，融合STEM教育理念，將“凈水器制作”教學內容設計成遞進式：認識水污染→水質檢測→凈水器制作。

首先，認識水污染。教師結合已學的環保概論課程，通過學生身邊的案例介紹水污染的概念和水污染的來源及其主要污染物。學生自己動手進行趣味試驗一，將“干凈的水”自由發揮成“污染”水樣，從趣味試驗中直觀感受水污染對動植物的危害，從而體會水的重要性。

其次，水質檢測。學生結合已學的水質檢測與分析課程進行趣味試驗二，檢測“被污染的水”的水樣，從中學習“干凈的水”和“被污染的水”的特征，初步認識水質評價指標。

最后，凈水器制作。學生進行水的凈化，自由發揮設計過濾器并檢測過濾后的水，從而學習過濾工藝。除此之外，在課堂教學中，教師穿插安排創意寫作，讓學生通過故事的方式學習。

四、教學目標

在知識目標方面，學生通過學習本課程內容說出水的重要性、水污染的危害、水質檢測的常用方法和過濾工藝的原理。在能力目標方面，學生制作具有完整的凈水系統的凈水器，并對水樣進行水質檢測，基本能用技術寫作記錄、傳遞信息，以及用創意寫作表達思想和情感。在職業態度目標方面，教師講授本課程，意在培養學生安全生產的意識、團隊合作精神和創新精神。

五、教學重點與難點

本課程的教學重點是學生能說出水質檢測的常用方法和過濾工藝的原理，教學難點是學生能制作一個具有完整凈水系統的凈水器。

六、教學方法

（一）實驗法

在認識水污染環節，學生通過趣味試驗觀察水污染對動植物的危害。在水質檢測環節，學生分別檢測酸性水樣、堿性水樣、混合水樣，發現其中的規律。在凈水挑戰與趣味制作環節，學生設計制作過濾器，檢測過濾后水的pH值、鹽度和濁度等指標，從趣味制作中學習水的凈化方法與過濾器制作方法。

（二）討論法

在認識水污染環節，學生利用趣味試驗一等待試驗結果的時間，通過頭腦風暴法交流口渴的體驗。在水質檢測環節，在等待趣味試驗二試驗結果時，學生討論決定水是否適合飲用的因素，并繼續進行創意寫作。在凈水挑戰與趣味制作環節，學生初步制作出過濾器并進行作品分享，借助討論獲得的信息，制作改良版的過濾器，提高凈化效果。

七、教學過程

教學過程分別是認識水污染、水質檢測、凈水挑戰與趣味制作、作品分享會四個環節，共計8課時，每個環節2課時。教學活動安排如圖1所示。

（一）認識水污染

趣味實驗一用時15分鐘。其主要設計思路：學生把水果和蔬菜分別置于自來水和濃鹽水中，觀察高鹽對植物的影響。學生按小組領取試驗材料，用各種物質將干凈的水污染成各種顏色的混合物，從中學習酸和堿的關系。隨后，學生分別將自來水與濃鹽水倒在兩個透明塑料杯里，再將水果和蔬菜分別浸泡在自來水與濃鹽水中，靜待一段時間，觀察水果和蔬菜的變化。

布置創意寫作任務用時10分鐘。在等待被浸泡的水果和蔬菜變化時，教師提問：“是否有過極度口渴的體驗？”學生通過開展頭腦風暴交流口渴的體驗，并以“世界上最口渴的人”為題，進行創意寫作。

創意寫作用時30分鐘。教師用以下問題幫助學生進行創意寫作：①這個事件發生在什么地方？②這個事件的主要人物是誰？③這個事件中的主要人物做了什么事情？在學生正進行創意寫作時，趣味試驗一中水果和蔬菜已發生明顯變化，學生能看到高鹽對植物的影響。

點撥與小結用時25分鐘。學生完成趣味試驗一后進行創意寫作，對“水的重要性”有了進一步認識，此時教師提問：“水質安全與否由什么決定？”學生從趣味試驗一認識到看起來干凈的水不一定能飲用。最后，教師引導學生總結水的重要性與缺水對動植物的危害。

（二）水質檢測

趣味試驗二用時30分鐘。教師可以先引導學生使用飲料、食醋、小蘇打、泥土等“污染”水樣。然后，分別使用紫甘藍提取液、鹽度計和濁度儀檢測各水樣的pH值、鹽度和濁度，將顯示為酸性的水樣和顯示為堿性的水樣混合，再檢測水樣的pH值。隨后，教師指導學生在無殼雞蛋中加入酸，觀察雞蛋的變化，再分別用酸、堿浸泡植物枝葉，觀察植物枝葉的變化。

創意寫作用時30分鐘。在等待趣味試驗二無殼雞蛋和植物枝葉發生變化時，教師可以繼續創意寫作環節。此時，學生可能不確定是什么決定了水是否適合飲用。教師可以讓學生將這些困惑代入創意寫作，寫出故事中主人公的困惑和不解。

點撥與小結用時20分鐘。在分享小組創意寫作的故事后，教師分析故事中主人公找到的水源不能直接飲用的原因，并向學生提問，引導學生總結“干凈的水”和“被污染的水”的特征。

（三）凈水挑戰與趣味制作

凈水挑戰用時30分鐘。凈水挑戰的設計思路是按學生知道的每一項標準進行水的凈化，學生自由發揮設計過濾器，并檢測過濾后水的pH值、鹽度和濁度。

趣味制作用時30分鐘。各個小組討論并分享過濾器的效果，學生進行創意制作分享后，借助討論中獲得的信息改良過濾器，提高凈化效果。

點撥與小結用時20分鐘。學生根據濾后水的pH值、鹽度和濁度的檢測結果，明白了僅僅過濾還不能去除水中的所有雜質。教師引導學生總結水的凈化方法與過濾器制作的方法。

（四）作品分享會

趣味制作分享用時30分鐘。小組之間分享交流水的凈化方法與過濾器制作的心得。

創意寫作后記用時40分鐘。學生通過凈水器的制作、分享與交流，掌握水的凈化方法與過濾器的制作方法，并撰寫創意寫作后記。

總結與展望用時10分鐘。教師引導學生總結水的重要性與缺水對動植物的危害，“干凈的水”和“被污染的水”的特征，水的凈化方法與過濾器制作的方法并引導學生思考依據水源水質、用水對象對水質要求不同而選用不同的處理方法。

八、教學反思

在教學組織層面，STEM教育理念側重于培養學生在生活情境中解決問題的能力。教學內容是“認識水污染－水質檢測－挑戰水的凈化”，層層遞進，學生通過趣味試驗了解水的重要性、水質評價指標和凈化水的方法。在水質檢測中，學生自由發揮“污染”的水樣可能在凈水挑戰環節的過濾時間較長，導致檢測濾后水的pH值、鹽度和濁度的時間比較緊張，所以教師應有計劃、有目的地組織好學生的學習過程。在作品分享會中，教師應提醒學生注意展示作品的結構框架。

在教學策略層面，STEM教育理念側重于培養學生的綜合能力。學生通過趣味試驗與創意寫作，認識到水的重要性和水污染的危害。在教學過程中，教師使用蘇格拉底問答法，從學生了解和掌握的知識水平出發，有目的地進行對話，雙方平等地進行討論，提高學生思考的能動性。教師給學生的建議與改正意見是通過提問的形式，而不是直接給出答案。

在教學效果層面，針對認識水污染和水質檢測，教師要結合已學的環保概論、水質檢測與分析課程，引導學生學習知識整理的方法，幫助學生構建完整的知識體系。在凈水挑戰與趣味制作中，學生制作凈水器并對濾后水進行檢測，從中學習水的凈化方法與過濾器的制作方法。最后，教師應根據每組凈水器的凈化效果，引導學生總結水質評價指標。

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（作者單位：廣州市城市建設職業學校）