基于控制变量思想的STEM活动的开发

摘要：STEM教育理念是通过跨学科的方式来综合运用科学、技术、工程和数学这四门学科的相关知识，以培养满足社会需求的具有个性化及实践创新能力的人才。文章以靛蓝胭脂红在不同的氧化还原状态呈现不同颜色为主线，基于控制变量思想来探究不同因素对颜色变化所需时间的影响，利用多学科知识解决特定的问题，以培养学生必备的科学核心素养。

关键词：STEM;科学探究;控制变量

文章编号：1008-0546（2018）12-0005-04 中图分类号：G633.8 文献标识码：B

doi：10.3969/j.issn.1008-0546.2018.12.002

STEM教育是科学（Science）、技术（Technology）、工程（Engineering）和数学（Mathematics）教育的简称，起源于1980年代的美国。STEM教育将四门学科内容融合在一起，在传授知识的同时注重培养学生的问题解决能力和实践创新能力，有利于提升学生整合学科知识的思维能力。美国为保持其科技创新的国际领先地位而越来越重视STEM教育，甚至将其视为国家战略，并且将该教育理念覆盖幼儿园到高中整个学段，学科范围涉及众多工程领域，主要培养学生的创新意识和实践能力 [1]。国内提出的学科核心素养的目标是学生通过学科学习而逐渐形成正确的价值观念、必备品格和关键能力 [2]，STEM教育是实现这一目标的有效途径，将二者结合培养学生成为具有综合素质的人才，因此重视并发展STEM教育具有深远意义。

自然界中的变化或工业生产过程往往由多个因素所控制，在研究其变化规律时，为了避免各因素间相互作用带来的复杂性，在科学实验中，常采用控制变量的方法。在科学探究活动中，正确运用控制变量法是达到探究目的、完成探究的关键。基于控制变量思想的STEM活动的开发，让学生亲自体验和探究，形成知识体系，有利于培养和发展学生的科学、技术、工程和数学素养，使学生成为全面发展的人。

STEM教育在国外已有一些较为成熟的研究和实践，但在我国尚属新兴领域。本文以靛蓝胭脂红在不同的氧化还原状态呈现不同颜色为主线，运用控制变量的思想，利用多学科知识解决特定的问题，探讨基于控制变量思想的STEM活动的开发。

一、设计思路

1.选题思路

靛蓝胭脂红（C16H8N2Na2O8S2，或称酸性靛蓝）既是氧化还原指示剂，也是酸碱指示剂，它是一种蓝色染料。将靛蓝胭脂红粉末溶于氢氧化钠和葡萄糖的碱性溶液中（11.4

体系颜色的变化所需的时间是振荡周期，振荡周期的长短受反应条件如溶液的酸碱度、反应物浓度和温度等因素的显著影响。当反应受到多个因素影响时，通常采用只改变某个因素，而维持其他因素不变的基于控制变量的对照实验法来探究不同因素对振荡周期的影响。

本探究活动是基于控制变量思想和STEM教育理念进行开发的，不将重点放在某个特定学科或者过于关注学科界限，而是将重心放在特定问题上，运用固定其他因素只让一种因素变化的控制变量思想，强调利用科学、技术、工程和数学等学科相互关联的知识解决问题，实现跨越学科界限，从多学科知识综合应用的角度提高学生解决实际问题的能力。

2.设计要点

S（科学）：锥形瓶中溶液的溶质是靛蓝胭脂红、氢氧化钠和葡萄糖。在这个反应体系中，靛蓝胭脂红在11.4

T（技术）：运用化学实验的操作技术制作“红绿灯装饰品”，体现了STEM理念中的情境与合作。在活动中，每个小组都扮演了“红绿灯饰品”制作工厂的角色，运用科学的操作技术，能从制作过程中理解所包含的技术要素，能够从节能和环保的角度采取一些技术措施和方法。

E（工程）：整个活动过程体现了工程学中从明确问题到制定方案，最后优化改进的系统性步骤。首先明确问题，即明确溶液变色的原理;其次制定方案，即探究影响振荡周期长短的因素，能从成本、环境等方面考虑制作“红绿灯饰品”的最佳方案;最后优化改进，即制成具有观赏性的“红绿灯饰品”。

M（数学）：当反应受到多个因素影响时，能够通过确定和控制变量进行研究;能够利用数据进行分析、得出结论，并能进行适当的推理，从而加深学生对科学探究的理解。在活动中还涉及到试剂取用量的读数、反应物浓度配比等，不仅能培养学生的数学素养，还能巩固学生对科学概念的掌握。

二、活动流程

活动设计主要包含四部分，准备阶段、实施阶段、改进阶段和反思阶段。其中，准备阶段包含“创设情境，激发兴趣”和“提出问题，明确原理”两个环节;实施阶段和改进阶段对应“自主探究，制定方案”环节;反思阶段对应“总结反思，应用迁移”环节。每个环节都有相关的活动内容和设计目的。具体的流程设计如图2所示：

三、活动过程

环节一：创设情境，激发兴趣

[引入]教师将配制好的葡萄糖溶液和氢氧化钠溶液混合，然后将玻璃棒的一端用蒸馏水打湿，蘸取一些靛蓝胭脂红粉末，再将玻璃棒伸入混合溶液中搅拌，请同学观察溶液的颜色变化。

[学生]查阅资料并结合已有的知识分析上述反應体系变色的原理，交流讨论。

设计意图：情境性是STEM教育的组成部分之一。学习受具体情境的影响，情境不同学习也不同。通过创设情境，能够激发学生的兴趣，让学生结合已有的化学知识和经验作出猜想，培养学生的知识迁移能力。

环节二：提出问题，明确原理

[预设提问]在这个反应中，氢氧化钠起到调节溶液pH的作用。那么，溶液变色的实质是什么呢？

[学生]针对教师提出的问题，学生可以通过教师准备的资料（资料包）来收集信息，也可以使用网络检索相关信息。学生可以独立完成，也可合作完成，并将整理好的答案与同学交流，明确“红绿灯”变色实验的原理：

（1）在这个反应体系中，振荡溶液时，溶液与空气的接触面积增大，溶液中溶解的氧气量就增多，溶液的颜色就由靛蓝胭脂红最高还原态的黄色逐步氧化为中间态的红色和最高氧化态的绿色。

（2）葡萄糖是一种多羟基醛，静置溶液，溶液中溶解的氧气逸出，溶液中的葡萄糖就会将靛蓝胭脂红的最高氧化态逐步还原为最高还原态，溶液的颜色就会相应的由绿色变为红色再变为黄色。

（3）颜色可以重复变化，直到所有的葡萄糖都被氧化完毕或溶液内的氧气耗尽为止。溶液颜色由绿色变为黄色所需的时间是振荡周期。

设计意图：溶液仅在静置和振荡时就会发生颜色变化，激发学生的认知冲突，引起学生积极思维。STEM学习是探究性的学习，而探究需从问题开始，老师引导学生发现问题，从而明确溶液变色的原理。

环节三：自主探究，制定方案

[教师]溶液颜色由绿色变为黄色所需的时间是振荡周期，影响溶液颜色振荡周期的因素有哪些呢？这些因素又是如何影响振荡周期的呢？请同学们设计实验进行探究。

[学生]选择仪器和试剂设计实验方案。在规定的时间内完成，进行交流讨论。

[教师]点评实验方案。提出控制变量实验法：研究振荡周期的长短受何种因素影响时，为了避免各因素间相互作用带来的复杂性，在科学实验中，通常采用只改变某个因素而维持其他因素不变的控制变量实验法来进行探究。

[学生]设计最佳实验方案，指出分别要控制和考查的变量，说明这些变量如何影响振荡周期。

（1）控制反应物浓度和温度不变，考查溶液的酸碱度对振荡周期的影响（如表1所示）：

[预设提问]明确了此溶液的变色原理，确定了影响因素后，同学们能否将其设计成一种装饰品？制作成装饰品应该注意哪些事项呢？假设每个小组是生产“红绿灯饰品”工厂的成员，请从成本、能耗、环保、具有观赏性等角度制定生产方案。

[学生]查阅资料，交流讨论，小结注意事项;合作交流进行设计。每个小组展示成果，说明设计理念和设计特色。其他小组对展示的饰品进行评价。最后全班同学选出设计最好的饰品。

设计意图：在教师的引导下，将学习者分组进行合作探究，能更好地促进学生知识和技能的发展 [10]。了解了控制化学反应条件的作用、掌握了运用控制变量法进行对比试验后，提出工程问题，让学生根据已有知识和经验设计并制作“红绿灯饰品”，增强学生的动手能力和解决问题的能力，符合STEM教育中体验情境、团结协作的理念。每个小组展示产品并说明设计理念时，增强学生的语言表达能力。

环节四：总结反思，应用迁移

本活动中，溶液变色的本质是交替发生氧化与还原反应的结果。其中，葡萄糖作还原剂，使得靛蓝胭脂红被还原而发生颜色变化;溶解的氧气作氧化剂，振荡溶液时，溶液与空气中氧气的接触面积增大，溶液中溶解氧气的量就增多从而溶液颜色发生变化。在反应中改变反应的条件会影响化学反应进行的快慢。自然界中的变化或工业生产过程往往由多个因素所控制，在研究其变化规律时采取固定其他因素，只让一种因素变化的方法。另外，在本活动中，每个小组模拟工厂员工进行开发、设计、生产一件产品，但在实际的生产中是大规模、大批量生产的，因此要考虑到的因素更多。

设计意图：总结本节课的相关内容，让学生灵活掌握知识。除了科学知识外，还让学生意识到一些工业生产虽然来源于实验室，但是高于实验室，体现了跨学科整合的STEM教育理念。

四、教学反思

STEM教育的目的是提升学生整合学科知识的思维能力，以培养满足社会需求的创新型人才。化学学科核心素养立足于现代生活和未来发展的需要，是化学学科中学生形成的正确价值观、关键能力与必备品格，是学生终身学习和发展的重要基础。因此，通过STEM教育对发展学科核心素养具有深远意义。控制变量法是科学探究中常用的方法，化学是一门以实验为基础的学科，对于每一个具体的化学实验而言，控制好实验条件非常重要，是完成实验的关键。以化学内容为载体，基于控制变量思想开发一些STEM活动，使学生在活动过程中实现化学学科核心素养的发展，帮助学生正确认识化学对人类生活和社会发展的影响，有助于学生对科学方法、科学概念和科学原理的掌握和应用，有利于提升学生综合利用跨学科知识解决问题的能力，为学生的终身学习和发展夯实基础以培养满足社会需求的实践创新型人才。

参考文献

[1]  蔡苏，王沛文.美国STEM教育中社会组织的作用及对我国的启示[J].中国电化教育，2016（10）：74-78

[2]  中华人民共和国教育部.普通高中化学课程标准[M].北京：人民教育出版社，2017

[3]  余胜泉，胡翔.STEM教育理念与跨学科整合模式[J].开放教育研究，2015，21（4）：13-22

[4]  周礼，章亚楠，朱悦卫，等.基于STEM理念的校本课程——以制作“天气瓶”为例[J].化学教学，2016（10）：12-15

[5]  吳晓红，田小兰.中学化学教学中渗透STEM理念的教学设计——以“人工固氮技术——合成氨”为例[J].化学教与学，2016（11）：47-51

[6]  赵慧臣，周昱希，李彦奇，等.跨学科视野下“工匠型”创新人才的培养策略——基于美国STEAM教育活动设计的启示[J].远程教育杂志，2017，35（1）：94-101

[7]  张屹，赵亚萍，何玲，白清玉.基于STEM的跨学科教学设计与实践[J].现代远程教育研究，现代远程教育研究，2017（6）：75-84

[8]  胡卫平，首新，陈勇刚.中小学STEAM教育体系的建构与实践[J].华东师范大学学报（教育科学版），2017，35（4）：31-39

[9]  吕延会.STEM教育的核心精神[J].当代教育科学，2017（5）：16-19

[10]  王碧梅，韩葵葵，胡卫平.国外科学教师研究进展与趋势[J].外国教育研究，2015，42（5）：69-79