初中化学家庭实验活动设计研究论文
【摘要】通过本文概述STEM教育理念对开展初中化学家庭实验活动的指导意义，以“环保小卫士自制净水器”活动为例，基于STEM教育的工程设计过程，开展STEM小组的实验探究活动，介绍研究目的、研究方法、研究阶段、研究准备与活动实施。结合学生反思与活动效果,对开展STEM家庭实验提出可供参考的实施建议。
【关键词】STEM；化学家庭实验活动；环保小卫士；自制净水器
一、问题的提出
STEM教育提倡基于生活实验任务的活动，要求学生在这些活动中制作一系列实体模型，在制作过程中探索、应用、修正对科学、工程、环境等领域的知识。STEM实验活动中使用的材料简单，能让学生在活动中体验科学家、工程技术师的思维及工作方式。STEM教育在美国备受关注，我国近些年也很重视STEM教育对国家经济发展、基础教育改革以及工程技术类人才培养工作的重要意义。在STEM理念指导下，已有多个学校设计出许多优秀的STEM项目和课程，并将其与现有的中小学相关课程或探究性实验活动有机结合[1][2]。初中化学课程标准指出，教师在教学中“应高度重视和加强实验教学，充分发挥实验的教育教学功能”，鼓励开展家庭小实验。其中，“自制简易净水器”是许多学校组织学生开展家庭实验竞赛活动的常见项目。初中化学教师指导学生开展家庭实验活动，教育行政部门组织展览活动，旨在创造机会，让学生灵活运用知识，动手动脑，积极参加化学科技实验活动，提高科技意识；提倡自己动手设计并完成实验，充分发挥其创新精神，把所学的化学知识、技能与生活实际紧密联系起来，让化学科技活动在校园、家庭和社会开花结果。
二、设计目的与实施方法
（一）设计目的
如今地球上淡水资源短缺，许多地区都面临缺水的问题。每天都有大量的水资源被浪费和污染。水资源短缺问题成为了当前世界最主要的问题之一。学生已学过过滤、吸附、水的'净化、保护水资源等概念或原理，对自然界中水的成分、除杂所需的必备材料和原理有所了解，对过滤的操作已经掌握，希望通过自己动脑和动手来制作简易净水装置的兴致很高。
（二）实施方法
1.文献研究法：班级学生以3-4人形式组建STEM实验小组，用简要的篇幅概括介绍小组在实验主题相关概念或原理上的学习成果及查阅、引用的文献资料，其中需附2张所研究内容的图片。教师要为学生提供资料查阅的路径和方法，组织学生召开资料查阅总结报告会，使学生学会收集信息，学会提出问题，学会撰写资料查阅报告。2.实验探究法：STEM实验小组合作研究净水器的原理、构成与功能，并提出一些净水器的制作方案，进行头脑风暴选择可行方案，进而着手制作原型，并通过实验探究对原型进行测评，然后重新设计并改进原型，最后交流展示。
三、设计过程
本研究包括三个阶段：学习过滤与净水原理，比较生活中常见的净水器；开展自制净水器的家庭实验活动。
（一）学习过滤与净水原理
学生通过学习教材中有关水资源分布、净化和利用的内容，进一步理解自然界中水的成分、除杂所需的必备材料和原理，掌握过滤的操作要点。
（二）比较生活中常见的净水器
STEM实验小组的学生通过查阅文献知道生活中常用的净水器主要有四种前置过滤器类产品、PP棉过滤类产品、超滤膜过滤类产品、反渗透膜、纳滤膜过滤类产品。并对他们的作用、优点、缺点进行比较。
（三）开展自制净水器的家庭实验活动
在工程设计过程指导下(如图1)，STEM实验小组开展自制简易净水器家庭小实验活动。实施流程为：首先研究过滤、水的净化等相关知识；针对如何制作净水器进行头脑风暴；绘制一份净水器的设计图。其次是着手制作环保型净水器，并查阅相关科学书籍或其他资料，检测模型的准确性和有效性，记录检测对比的结果，对模型进行评价，分析净水器各个部分的成分与功能。接着是确定装置设计的改进方案，进行必要的更改，对改进后的设计重新进行检验和评价。最后是展示小组学习成果，每个小组需要在老师规定的时间内，提交下述成果：一是完成一篇1-2页的论文，总结对净水器原理的研究结果，标注引用文献，论文中要包含两张图片；二是完成一张环保型净水器制作的设计图；三是完成一份净水器性能检测后的记录、分析和说明；四是完成对实验任务和实践过程的总结，其中应包含任务的目标、检验过程的简要说明以及对检验结果的解释；五是完成自我评价和反思总结。
四、实验准备
（一）梳理实验原理
利用纱布与卵石过滤较大颗粒的不溶性物质、利用石英砂过滤颗粒较小的不溶性物质、利用活性炭吸附有色有味的物质、利用蓬松棉吸附颗粒较小的不溶性物质的性质来净化水源。
（二）准备实验材料
学生自主选择塑料瓶、塑料管、清洗过的沙子、纱布、蓬松棉包、活性炭、清洗过的小卵石、剪刀、钻子、烧杯等仪器或用品。五、实施方案STEM活动环节，首先是设计制作方案：简要写出个人的制作方案；STEM小组内部交流讨论；制定最佳方案，具体操作如下：取一个空的塑料饮料瓶，剪去底部，约占二分之一；在瓶盖处用钻子钻一个孔，把准备的塑料管插入孔中；把瓶口处倒过来放，依次放入膨松棉、纱布、活性炭、石英砂、纱布、小卵石。其次是制作净水器，学生分组、动手制作；家长巡视、指导。接着是检验自制简易净水器的净水效果，STEM小组将自制净水器带回学校，在实验室准备好净水器，下端与接水的烧杯相连，学生把污水沿玻璃棒倒入净水器中，观察净水效果。最后是交流评价各小组汇报净水效果、改进策略以及经验教训。
六、反思与建议
在开展该家庭实验活动的过程中，学生设计制作了许多优秀的作品（如图2）。与此同时，STEM小组的学生在修正和改进净水器的过程也进行了以下反思：首先是过滤室的外观、构成与设计起到关键作用，其构造会影响过滤反应时间，若水在过滤室内停留时间短，过滤时间不足，过滤效果不理想，因此需要经过多次实验检测后运用数学和工程设计的方法对过滤室进行优化。其次是吸附剂的选取对净水效果及净水器性能的影响很大，木炭的处理效果不如活性炭，吸附效果不稳定，容易失效，目前没有科学有效的监测手段，需要通过对水质变化的直观观察来判断木炭吸附效果是否下降，且吸附效果受进口水质的影响很大。基于STEM理念开展初中化学家庭实验活动时，建议教师指导学生按照如下步骤进行探究实验：首先是问题研究，在收集、整理和阅读与本活动任务相关的资料后做一个小结，展示文献资料的已有研究成果。其次是模型设计，在设计图纸上进行标注，并解释团队的策略。接着是结果分析，记录、分析并解释测试结果。然后是实验总结，总结任务和实际发生的情况，总结中应当包括实验目的、测试过程的简短描述和对实验结果的解释。随后是活动反思，思考各自团队的选择过程，完成STEM小组反思报告。最后是自我评价，学生个体反思在团队中的行为表现，完成自我评价。
七、结语
STEM实验要求学生从实际问题出发，将科学探究和工程教育融会贯通，从中感受探究的乐趣和科学的奥秘，从而在掌握严谨的科学探究方法的同时，激发探究欲与好奇心。理科教师在课堂上开设STEM实验活动，要明确学生们能确定和研究需处理的问题，并为改进、解决这些问题而进行项目学习和团队合作。在这个过程中，学生将更加深刻地认识和理解科学与技术、工程、健康、环境和经济、社会等领域的密切联系。学生通过STEM课程认识技术工具、了解技术世界，意识到技术、工程、科学和数学如何相互支持，要如何学习日益普及的科学技术，以及我们的科技决策如何影响日常生活。STEM课程中，学生将使用科学仪器和工具等现有技术去构建和检验产品。学生还将在调查和解决方案中使用数字工具和技能，将创建技术(也许包括涉及编码的数字技术)作为解决问题的一部分，以及与专家和其他学生的虚拟互动。STEM课程应该尽可能向学生介绍可供学习和解决问题的新技术，教师要有意识地将学生所学知识与具体的现实职业相联系，可将STEM专家请进课堂，提供给学生前沿科技知识、重要生活技能及学术成就，让学生接受职业教育，并能够在实际生活中运用他们学到的技能、方法与思维。
参考文献：
[1]林建芬,刘月娇,古春文.互联网+视角下化学教师运用信息技术促进课堂教学方式转变的应为—以人教版“甲烷”的教学为例[J].教育与装备研究,2016,(12):29-32.
[2]朱少祥.初中化学“大晶体制作”家庭实验活动的研究[J].化学教学,2016,(09):15-19.
作者：林建芬 陈粉心 彭炫 解慕宗 陈晓锋 高苗兰 单位：深圳市宝安中学集团实验学校 深圳市福田区翰林实验学校 深圳市坪山区光祖中学
【初中化学家庭实验活动设计研究论文】相关文章：
初中化学趣味实验的设计及运用论文09-25
初中化学家庭小实验的实践与探索论文09-08
实验在初中化学实验中的意义论文09-08
初中化学实验教学的现状及策略研究论文10-26
管理实验与设计研究07-03
论文如何实施实验研究论文06-10
初中化学情商教育研究论文11-25