以化学为主题的STEAM课例设计与实施——以《铝盐与氢氧化钠反应生成氢氧化铝沉淀的实验探究》为例

■李晋凯

一、化学STEAM教育的研究背景

现如今，STEAM教育在我国开展得如火如荼。在2016年教育部发布的《教育信息化“十三五”规划》中，明确提出，要“积极探索信息技术在‘众创空间’、跨学科学习（STEAM教育）、创客教育等新的教育模式中的应用，着力提升学生的信息素养、创新意识和创新能力，促进学生的全面发展”。

近年来，在化学新课程标准的指导下，高中化学课程改革取得了相当大的成果，促进了我国21世纪高中化学课程的发展。但是，随着改革的进行，中学化学教学也暴露出了教学模式单一、评价机制匮乏、教师水平有待提高等一系列问题。要解决这样的问题，必须利用STEAM教育思想来思考化学教学模式，使用混合的教学模式、多元的评价机制，教师更要努力学习与化学相关的其他学科知识，以达到胜任STEAM教学的要求。

二、化学STEAM教育的内涵与内容

STEAM教育的根本目标是做到以生为本，全力提升学生核心素养和综合创新能力。STEAM教学能够带动师生的充分互动，让学生成为课堂的主人，教师成为学生学习的引导者和辅助者，充分发挥学生的主观能动性，让学生的思维迸发出智慧和创造的火花。

以化学为主题的STEAM教育的直接手段是利用互联网信息技术和现代化科技，做到对学生学习状况的及时了解和精准定位，做到对教学方法的多样变革和难点创新，做到对创新环境的精心营造和协作引导，让同学们从有别于传统的角度来深入认识化学问题，了解化学原理，掌握用化学知识来改变生活的技能。现阶段，STEAM教育的理念深入人心，硬件配置也是层出不穷。从最初的多媒体教学，到惊艳眼球的AR技术和VR技术，再到3D打印、数据建模……但是无论最终发展到什么程度，作为化学教师，我们所需要做的，都是同步甚至超前学习新技术，时刻关注学生的学习状态。化学教学方法要充满智慧，教学重难点要力求创新，引导方式要多样有效，让学生在最短的时间内攻克化学学习道路上的绊脚石。

三、以化学为主题的STEAM课例设计与实施

（一）《铝盐与氢氧化钠反应生成氢氧化铝沉淀的实验探究》的设计

《铝盐与氢氧化钠反应生成氢氧化铝沉淀的实验探究》是一个以化学为主题的STEAM综合性课程。如何将传统的化学实验探究打造成STEAM课程，一直是摆在合肥一中老师们面前的难题。李友银老师、石璞老师和笔者经过多轮的探索与实践，以数字化实验为依托，以挑战传统思想、培养综合实践能力为主要目标，开发出了这节课，并由李晋凯老师在2017年6月成都举行的第一届中国STEM教育发展大会暨新战略、新课改、新高考论坛上进行了公开展示。由于时间有限，这次公开展示只用了50分钟的时间，展示了课程的实施部分。在我们的STEAM实际教学中，由于学生需要自主提出问题、自主设计探究合作方案，因此花费的时间远高于50分钟。

（二）《铝盐与氢氧化钠反应生成氢氧化铝沉淀的实验探究》的实施

这节课的出发点，就是同学们在铝盐和氢氧化钠反应生成沉淀的问题上普遍存在的误区：传统的“3 :1”曲线。我们首先让STEAM课程组的同学们总结高中所学的关于铝的知识点，试图引导他们能够发现一些问题。我们给予同学们足够的时间，最终有着欣喜的发现。有同学指出，根据原有的图像，Al3+沉淀完就会溶解生成但是Al（OH）3完全沉淀的PH值约为4.7，而它又不溶于氨水（饱和氨水的PH值室温下约为11）。这就产生了矛盾：刚刚生成的Al（OH）3沉淀在依然是酸性的溶液中怎么会立即溶解呢？

带着这个问题，同学们需要自主设计研究方案，去揭开真相。经过多轮的方案筛选、器材的选择，同学们最终讨论出了一套认为比较理想的方案：利用PH传感器和滴数传感器实时监测NaOH滴定铝盐过程中，NaOH的体积与溶液PH的关系，从而验证传统图像的准确性。说起来容易，做起来却有难度。同学们没有接触过化学实验数字传感器，需要对照说明书去了解它们的用途，自主搭建实验平台，自主安装电脑软件并进行实验前的各项测试。在优化实验平台搭建的过程中，同学们充分感受到了化学实验也是一门艺术。

在实验平台的搭建完成以及实验具体方案通过老师们的论证后，同学们即着手开始了探究。由于同学们选择了数字化技术，让传统的实验中看不见的东西变得显而易见。虽然实验过程并非一切顺利，但是同学们总能通过讨论与探索，解决出现的一系列问题。整个过程，教师作为旁观者，仅在同学们可能出现明显的地方予以适当的提醒，其余时间，教师对学生的综合表现进行相应的记录与评价。通过这次完全自主的探究，同学们成功发现了实际实验曲线与传统曲线的不同之处：Al（OH）3在恰好沉淀完全之后，需要等到溶液的PH值升高到11.7左右，才会开始溶解。而且，同学们通过自主查阅的相关数据进行了计算，计算结果与实验结果非常的吻合。课程的探究部分技术后，师生坐在一起，共同对结果进行了讨论，通过计算和查阅资料，给出了合理的解释，同学们也充分感受到了STEAM实验课程的魅力。

四、取得的成效

本节课展示期间，笔者延续了合肥一中STEAM的授课传统，将两个年级的学生（高一和高二年级）混合在一起上课，使用全英文的讲义和PPT，通过精心的设计，成功地将S（科学）、T（技术）、E（工程）、A（艺术）和M（数学）五个方面成功结合在了课堂中，运用现代技术重新进行实验探究，颠覆了同学们对铝盐与氢氧化钠反应生成沉淀量这一知识的传统认识，让现场听课的老师眼前一亮，交口称赞。

合肥一中挂牌成立了STEAM课程设计与建设工作室，对STEAM课程建设与应用从课程实践、课题研究、实验室建设、学生选拔、师资队伍培养等多个维度开展专门的研究工作。目前，学校已申报安徽省级课题“实施STEAM教育发展学生核心素养的研究”，已建成2个“STEAM”工作坊以及1个“STEAM”数字化实验室，旨在加强课程实践以及课题研究的硬件保障。实验器材门类齐全，有3D打印机、3D眼镜、激光雕刻机、遥感技术等，设备可谓“高大上”；师资水平也是超一流，集结了合肥一中各学科的精英，有博士、硕士和出国留学归来的学者。STEAM教育课程创造性地进行了跨年级整合，高一、高二融为一体，不同年级的同学相互交流，进行一种传承式的研修，所开设的课程包括《手机APP控制自制机器人小车》、《搭纸桥等系列实验》、《水火箭的制作》、《铝盐与氢氧化钠反应生成氢氧化铝沉淀的实验探究》、《沙画与科学的艺术》、《3D打印与设计》等，教师通过引导学生动手、动脑，培养学生的独立思考能力、动手能力、解决问题的能力和团队协作能力。每周上课时间大约有3个小时，除此以外，学生还利用课外时间到实验室或工作坊进行自我研修，不同的实验室或工作坊培养的主题也不同，学生可以尽早找到自己的兴趣并确定研究方向。为了能够让学校起步不久的STEAM教育尽早赶上发展的潮流，合肥一中与中国科学技术大学展开了充分的交流与合作，依托中科大强大的科研和师资力量，让我们的学生能够在学业之余，尽早接触到能够应用于实际的综合性研究项目，从高中阶段就开始致力于学生核心素养和综合创新能力的培养。

五、反思与展望

本节课虽然较为成功地将STEAM思想运用到了化学课堂上，但是，距离我们的最终目标——运用化学理念实现实用技术的生产和优化，还有很大的距离。虽然STEAM教育需要硬件的支持，但是不能把STEAM教育简单理解为“制造一个‘高大上’产品”的教育。产品固然是一个方面，但是产品终究是为教育服务的，制造产品并不是中学生的主要任务，中学生的知识结构体系还不够成熟，他们需要更多的摸索和经验积累。我们需要做的，也是我们正在做的，是打造一个将各个学科的内容融合起来的体系，让STEAM教育成为一种温馨的、符合中学生身心发展规律的教育，一种能满足各种学生能力的教学手段，一种能让学生建立强大自信心的教育模式，一种真正地以教育为核心、创新为导向、快乐为目的素质教育。

展望未来，国际竞争将会是人才竞争，而现阶段人才的培养的关键在于教育模式的创新与课程的改革。“一带一路”国家顶层战略的逐步推进实施，更是为未来中国与沿线国家及区域的整体发展做出了更为宏伟而深远的综合布局，科技领域及相关人才所能发挥的作用和施展的空间更为广阔。合肥一中有着“怀天下抱负，做未来主人”的情怀，未来在STEAM课程的研发和实施过程中，将继续发挥应有的引领作用，为国家培养出更多、更优秀的人才。