基于化學實驗的STEM項目

田潤+丁偉

摘要：從化學實驗視角出發，設計了主題為“設計檢測Co2+濃度的技術方案”STEM項目，展示了該項目的開發和活動的實施過程。該項目圍繞工程問題，以圖像比色法為技術核心，將化學定量實驗技能、比色法原理與信息技術中信息的數字化及Excel軟件操作、數學函數模型的知識相融合，有利于培養信息時代背景下高中生利用跨學科知識解決問題的能力和創新精神。

關鍵詞：STEM；項目學習；化學實驗；圖像比色法

文章編號：1005–6629（2016）11–0043–05 中圖分類號：G633.8 文獻標識碼：B

1 基于項目的STEM學習概述

STEM是科學（Science）、技術（Technology）、工程（Engineering）和數學（Mathematics）四門學科的簡稱。它將四門學科內容組合成為有機整體，強調多學科的交叉融合，以培養學生在掌握知識和技能的同時，能夠將其遷移應用到解決實際問題的能力和創新精神。STEM最核心的特征是跨學科性，此外還包括趣味性、體驗性、情境性、協作性、設計性、藝術性、實證性和技術增強性等特征。

STEM有兩種最基本的課程模式：相關課程模式和廣域課程模式[1]，前者在課程形式上依然屬于分科教育，但在各學科內容編排上注重相互之間的聯系；后者是通過活動項目將各學科整合為有組織的課程結構?；陧椖康腟TEM學習是STEM和基于項目的學習（Project-based learning：PBL）模式相結合的產物，是進行跨學科整合的一種基本取向[2]。PBL利用學生自主探究的過程來獲得與現實生活有關聯并且能付諸應用的學習結果[3]，基本要素為內容、活動、情境和結果[4，5]。因此，基于項目的STEM學習可以理解為以PBL的基本要素為框架整合STEM內容的學習模式，是利用科學、數學知識和技術手段，通過工程設計活動解決工程問題的學習過程，其基本要素如表1所示。

2 基于化學實驗的STEM項目開發

2.1項目的開發過程

化學實驗是科學探究活動的主要載體，基于項目的學習具有基于問題和基于探究的屬性，因此將化學實驗結合工程設計轉化為基于項目的STEM學習是可行的。對于化學分科課程的教師來說，開發STEM項目更具操作性，開發過程如圖1所示。

本文選取高中化學教科書《實驗化學》（人教版）中比色法這一內容。經查閱文獻發現，基于手機攝像頭的圖像比色法在健康診斷與環境、醫藥、食品檢測等領域有廣泛應用[6]。在分析了圖像比色法中蘊含的跨學科知識和技術后，最終開發了“設計檢測Co2+濃度的技術方案”這一項目。

2.2 項目的實驗設計

該項目活動的技術核心為圖像比色法這一融合了信息技術的實驗方法，該方法較為新興，原理與目視比色法相同，即物質顯色的實質是對不同波長光的選擇性吸收，顯出的顏色是它所吸收光的互補色，溶液顏色的深淺取決于吸光物質濃度的高低[7]。但圖像比色法以手機等拍照設備作為圖像采集器，以計算機代替人眼，將顏色深淺轉化為RGB分量值，從而將色溶質的濃度與RGB分量值之間建立關聯，能夠更精確地檢測有色溶質溶液的濃度，且所需的器材便利、步驟簡單，具體步驟如圖2所示。

實驗涵蓋了化學、物理、數學知識和信息技術，結合工程設計后轉化為“設計檢測Co2+濃度的技術方案”的STEM項目也必然涵蓋這些跨學科知識，體現了STEM的跨學科性，如表2所示。

3 活動的實施過程設計

STEM項目的實施主要是通過工程設計過程和探究學習的5E教學模型的整合來實現的，如ITEEA開發的基于設計的工程設計EbDTM項目、波士頓科學博物館創立的工程是基礎EiE項目、世界在運動AWIM項目[8]。工程設計過程包括“識別問題和制約因素”、“調查研究”、“形成概念”、“分析觀點”、“建立模型”、“測試和優化”、“溝通和反思”七個步驟。其中，“識別問題和制約因素”是指明晰問題和任務，知道制約因素和標準，比如時間、資源、經費、預期任務成品的特征；“調查研究”是指了解與主題相關的信息，如已有的解決方案，以防止做重復勞動；“形成概念”是指運用頭腦風暴想出多種解決方案，并識別每個方案的風險和利益；“分析觀點”是指依據數學、科學和技術原理和項目的標準以及限制篩選和精細化出前一步驟的方案；“建立模型”是指學生在分析觀點的基礎上建立一個工作模型或原型；“測試和優化”是指測試模型是否滿足要求，根據測試結果優化現有的設計；“溝通和反思”是指進行人際互動、口頭、視覺、書面方式的溝通，既適應于團隊工作環境，又用于對方案和產品的開發過程記錄和解釋[9]。

本項目的活動實施過程兼顧了工程設計和探究學習兩大實踐系統，結合化學實驗的特性，以“問題聚焦和明確”、“思考和探究”、“解釋和方案確立”、“構建和實驗”、“測試和優化”、“溝通和評價”六個過程構成?！皢栴}聚焦和明確”包含了“識別問題和制約因素”的工程內涵，且強調從社會、環境、生活等問題聚焦到化學問題，將化學問題明確為具有制約因素和評估標準的工程問題；“思考和探究”的目的與“調查研究”相一致，同時強調學生在教師的引導下進行思考和實驗探究學習；“解釋和方案確立”包含“形成概念”和“分析觀點”的過程，同時強調對新方案原理性知識的解釋；“構建和實驗”是“建立模型”中的一種工作模型，是STEM項目中的化學實驗主體部分；“測試和優化”與工程設計標準過程相同；“溝通和評價”融合了“溝通和反思”與科學探究中的“反思與評價”環節。

3.1 問題聚焦和明確：觀看圖文資料引發工程問題

[教師]演示有關工廠排放含Co2+廢水、大量Co2+對生命體健康造成危害、Co2+廢水處理方法的圖文資料，提出問題：要確定Co2+處理達標與否需要環境檢測工程師做些什么？

[學生]檢測處理前后的廢水中Co2+的濃度。

[教師]某廠排放的含鈷污水只有Co2+有顏色，濃度范圍不超過0.1M。那么，如果你是一位環境監測工程師，如何設計一個檢測工業廢水中重金屬離子Co2+濃度的技術方案？制約因素是什么？什么樣的技術方案是好的？發放可用材料的清單：LED燈泡、液晶屏、拍照手機、白色A4紙、白色紙板、7mL離心管、25mL容量瓶、10mL量筒、燒杯、分析天平、藥匙、玻璃棒、蒸餾水、CoCl2·6H2O固體。

[學生]交流討論，歸納：制約因素是含鈷污水只有Co2+有顏色，濃度范圍不超過0.1M。

評估標準：要求檢測的相對誤差不超過10%，且誤差越小越好；需要自己設計和組裝裝置，裝置要滿足簡易、便宜的要求；制作方案文本，并進行方案設計的匯報。

設計意圖：強調STEM學習中的工程思想，創設工程問題情境，幫助學生識別工程問題；通過提問促使學生對制約因素和評估標準進行交流討論，進一步明確任務。

3.2 思考和探究：學習比色法和比色分析的化學史

[教師]發給每組學生3種不同濃度的CoCl2溶液，提出問題：通過觀察現象能夠得出什么結論？

[學生]不同濃度的有色溶液，顏色深淺與溶液的濃度有關，顏色越深，濃度越高。

[教師]告訴學生3種CoCl2溶液中顏色最淺和最深的溶液的濃度，提出問題：如何知道待測溶液的大致濃度？

[學生]思考得出：大致濃度是另兩種溶液濃度的平均值。

[教師]講解比色法的原理：物質顯色的實質就是對不同波長光的選擇性吸收，顯出的顏色是它所吸收光的互補色，CoCl2溶液顯粉紅色就是因為它選擇性吸收青色光。溶液顏色的深淺決定于溶液吸收光的量的多少，即取決于吸光物質濃度的高低[10]。CoCl2溶液的濃度越高，對青色光的吸收就越多，透過的紅色光越強，顏色就越深，在一定濃度范圍內，其顏色深淺與濃度成正比。講述目視比色法的操作步驟和誤差的計算方法。提出問題：誤差大小的范圍是多少，如何進一步確定待測溶液濃度？引導并輔助學生進行實驗探究。

[學生]進行實驗活動：配制中間濃度的溶液，再次對比待測溶液的顏色，通過顏色的不斷漸進，最終確定待測溶液濃度。

[教師]告訴學生待測溶液的實際濃度，組織學生交流實驗結果。

[學生]交流各自測得的濃度和誤差，得出目視比色法受到人眼識別顏色能力限制和半定量分析的特點。

[教師]進一步講述比色分析發展的化學史，提出問題：目視比色法、分光光度法的特點和利弊分別是什么？

[學生]比較目視比色法、分光光度法的特點和利弊。

設計意圖：進行STEM項目中科學知識的教學，通過問題串刺激學生思考和探究，發現目視比色的實驗方法，引導學生基于實驗證據了解比色法的原理和優缺點，進而傳授比色法和比色分析發展的化學史的知識，引導學生從各方面綜合考慮使用不同方法和儀器檢測有色物質的利弊，為工程設計過程中方案的確立做鋪墊。

3.3 解釋和方案確立：學習圖像的數字化，“發明”并采納圖像比色法

[教師]講解：由于不同人識別顏色的能力不同，故剛才同學們測得待測溶液的濃度不盡相同，但計算機能夠高精度地識別顏色，是通過圖像的數字化處理實現的，它是指將一幅圖像從其原來的形式轉換為數字形式的處理過程[11]。對于彩色圖像，量化步驟能夠獲得RGB三原色的分量值[12]。

提出問題：如何讓計算機代替我們的眼睛讀出且量化有色溶液的顏色深淺？

[學生]理解計算機識別顏色的原理：圖像的數字化。結合目視比色法和圖像數字化技術，“發明”圖像比色法。

[教師]總結性地講述圖像比色法的原理和步驟（圖2所示）。引導學生再次綜合比較各濃度檢測方法，確立問題解決方案。

[學生]圖像比色法綜合了目視比色法和分光光度法的優點，故采納圖像比色法作為項目問題的解決方案。

設計意圖：繼續講解STEM項目中的跨學科知識：圖像的數字化，引導學生進行方法和技術的聯用，從而“發明”圖像比色法；引導學生學習STEM項目中工程設計原則，結合評估標準綜合對比各個方法的利弊，使得學生關注到圖像比色法的應用。

3.4 構建和實驗：構建圖像比色法的檢測裝置并進行實驗

[教師]確定了圖像比色法作為解決方案后，就要構建圖像比色法的檢測裝置進行實驗。提出問題：根據Co2+濃度范圍不超過0.1M的制約因素，如何配制一定濃度梯度的標準溶液？濃度范圍應如何？

[學生]交流討論：用容量瓶配制一定濃度的標準溶液，再通過稀釋的方法配制其他濃度的標準溶液。濃度范圍可以是0M到0.1M之間。

[教師]提出問題：影響圖像比色法可靠性的重要條件是什么？

[學生]交流討論：圖像清晰與否、顏色是否失真、RGB分量值提取時注意圖像范圍的選取等。

[教師]講述：重要條件之一是獲取樣品溶液顏色的真實信息，照片圖像顏色能真實地體現溶液顏色。因此，在構建圖像比色法檢測Co2+濃度的裝置時，要注意選擇白光作為光源，且光源均勻穩定；所有溶液樣品的前景和背景都應是白色；拍攝的像素不能過低；手機攝像頭或相機攝像頭應與桌面垂直，高度與樣品高度一致，置于中央的樣品前方至少30cm處[13]。其次，用專業的生物圖像處理軟件ImageJ提取RGB分量值，使用矩形選框工具，點擊菜單欄中的Analyze·Histogram，即可讀出矩形選框中的灰度值和RGB分量值。應采用移動矩形選框的方式讀取各溶液樣品中心區域的RGB分量值。

[學生]按小組合作構建裝置、配制溶液、進行圖像比色法的實驗。

設計意圖：強調STEM項目中的技術學習，講述使用圖像比色法的操作注意事項和ImageJ軟件的操作要領，為學生自主構建和實驗提供必要的腳手架支持。

3.5 測試和優化：測試檢測方案的檢測誤差，采用控制變量法優化解決方案

[教師]提出問題：如何測試基于圖像比色法所構建的裝置能夠準確地檢測Co2+濃度？

[學生]交流討論：用某已知濃度的CoCl2溶液作為待測樣品，與空白樣品、標準樣品一起進行圖像采集，進行實驗確定檢測誤差。

[教師]提出問題：如果對檢測結果不滿意，如何優化解決方案？

[學生]交流討論：采用控制變量法，可以優化的條件包括光源的選擇、RGB分量值的選擇、加顯色劑與否等。

[教師]請根據測試結果進一步優化解決方案，最后設計出條件明確的檢測Co2+濃度的技術方案，制作方案文本。

設計意圖：引導學生進一步學習STEM項目中的工程設計原則，以測試結果為導向優化目前的解決方案，以呈現方案結果為導向體驗工程思想解決問題的過程。

3.6 溝通和評價：展示方案設計成果，多角度評價活動表現

[教師]要求學生匯報技術方案的設計、測試和優化過程，展示技術方案文本，同時鼓勵學生交流方案設計構成中所遇到的挫折，引導學生進行合作態度、計劃安排、結果表達、方案制作、跨學科知識和工程設計原理掌握方面的自評和互評。

[學生]各小組匯報技術方案的設計、測試和優化過程，展示最終的技術方案，并用數據、圖表展示方案的檢測誤差、成本大小等預期結果，最后進行自我評價，其他學生對其技術方案的設計過程、小組分工合作和計劃安排、方案制作等方面提出質疑、意見或積極評價，小組成員對這些評價進行反思和溝通。

[教師]總結各小組在方案設計過程中的表現和技術方案的合理性，鞏固本STEM項目中涉及的跨學科知識，強調工程設計需要識別問題和制約因素、調查研究、形成概念、分析觀點、建立模型、測試和優化、溝通和反思的過程。

設計意圖：促進學生的合作意識，體會STEM項目學習的跨學科性。

4 結語

“設計檢測Co2+濃度的技術方案”項目基于圖像比色法，涵蓋了化學定量實驗技能和定量思想、信息的數字化技術及Excel軟件操作、函數模型的建立、工程設計思想，融合性高，思維性強，切實地指向了信息時代背景下中學生STEM素養的培養。

參考文獻：

[1]余勝泉等.STEM教育理念與跨學科整合模式[J].開放教育研究，2015，21（4）：13～22.

[2][3][10] Robert M. Capraro.王雪華譯.基于項目的STEM學習[M].上海：上?？萍冀逃霭嫔?，2015：5～7，89，49～54.

[4]劉景福.基于項目的學習（PBL）模式研究[J].外國教育研究，2002，29（11）：18～20.

[5]劉景福.基于項目的學習模式（PBL）研究[D].南昌：江西師范大學碩士學位論文，2002：15～26.

[6][7] Kate Grudpan. Applications of Everyday IT and Communications Devices in Modern Analytical Chemistry： A Review [J]. Talanta，2015：84～94.

[8][11]華中師范大學等.分析化學（上冊）（第三版）[M].北京：高等教育出版社，2001：276.

[9]王玲玲.基于STEM的小學科學課程設計研究[D].上海：華東師范大學碩士學位論文，2015：40～59.

[12][13]黃愛民，安向京等.數字圖像處理與分析基礎[M].北京：中國水利水電出版社，2005：4～5，47～49.

[14] Theodore R. Knutson. A Fresh Look at the Crystal Violet Lab with Handhold Camera Colorimetry [J]. Journal of Chemical Education，2015，（92）：1692～1695.