田潤(rùn)+丁偉

摘要：從化學(xué)實(shí)驗(yàn)視角出發(fā)，設(shè)計(jì)了主題為“設(shè)計(jì)檢測(cè)Co2+濃度的技術(shù)方案”STEM項(xiàng)目，展示了該項(xiàng)目的開發(fā)和活動(dòng)的實(shí)施過程。該項(xiàng)目圍繞工程問題，以圖像比色法為技術(shù)核心，將化學(xué)定量實(shí)驗(yàn)技能、比色法原理與信息技術(shù)中信息的數(shù)字化及Excel軟件操作、數(shù)學(xué)函數(shù)模型的知識(shí)相融合，有利于培養(yǎng)信息時(shí)代背景下高中生利用跨學(xué)科知識(shí)解決問題的能力和創(chuàng)新精神。

關(guān)鍵詞：STEM；項(xiàng)目學(xué)習(xí)；化學(xué)實(shí)驗(yàn)；圖像比色法

文章編號(hào)：1005–6629（2016）11–0043–05 中圖分類號(hào)：G633.8 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

1 基于項(xiàng)目的STEM學(xué)習(xí)概述

STEM是科學(xué)（Science）、技術(shù)（Technology）、工程（Engineering）和數(shù)學(xué)（Mathematics）四門學(xué)科的簡(jiǎn)稱。它將四門學(xué)科內(nèi)容組合成為有機(jī)整體，強(qiáng)調(diào)多學(xué)科的交叉融合，以培養(yǎng)學(xué)生在掌握知識(shí)和技能的同時(shí)，能夠?qū)⑵溥w移應(yīng)用到解決實(shí)際問題的能力和創(chuàng)新精神。STEM最核心的特征是跨學(xué)科性，此外還包括趣味性、體驗(yàn)性、情境性、協(xié)作性、設(shè)計(jì)性、藝術(shù)性、實(shí)證性和技術(shù)增強(qiáng)性等特征。

STEM有兩種最基本的課程模式：相關(guān)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(xué)科內(nèi)容編排上注重相互之間的聯(lián)系；后者是通過活動(dòng)項(xiàng)目將各學(xué)科整合為有組織的課程結(jié)構(gòu)。基于項(xiàng)目的STEM學(xué)習(xí)是STEM和基于項(xiàng)目的學(xué)習(xí)（Project-based learning：PBL）模式相結(jié)合的產(chǎn)物，是進(jìn)行跨學(xué)科整合的一種基本取向[2]。PBL利用學(xué)生自主探究的過程來獲得與現(xiàn)實(shí)生活有關(guān)聯(lián)并且能付諸應(yīng)用的學(xué)習(xí)結(jié)果[3]，基本要素為內(nèi)容、活動(dòng)、情境和結(jié)果[4，5]。因此，基于項(xiàng)目的STEM學(xué)習(xí)可以理解為以PBL的基本要素為框架整合STEM內(nèi)容的學(xué)習(xí)模式，是利用科學(xué)、數(shù)學(xué)知識(shí)和技術(shù)手段，通過工程設(shè)計(jì)活動(dòng)解決工程問題的學(xué)習(xí)過程，其基本要素如表1所示。

2 基于化學(xué)實(shí)驗(yàn)的STEM項(xiàng)目開發(fā)

2.1項(xiàng)目的開發(fā)過程

化學(xué)實(shí)驗(yàn)是科學(xué)探究活動(dòng)的主要載體，基于項(xiàng)目的學(xué)習(xí)具有基于問題和基于探究的屬性，因此將化學(xué)實(shí)驗(yàn)結(jié)合工程設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)化為基于項(xiàng)目的STEM學(xué)習(xí)是可行的。對(duì)于化學(xué)分科課程的教師來說，開發(fā)STEM項(xiàng)目更具操作性，開發(fā)過程如圖1所示。

本文選取高中化學(xué)教科書《實(shí)驗(yàn)化學(xué)》（人教版）中比色法這一內(nèi)容。經(jīng)查閱文獻(xiàn)發(fā)現(xiàn)，基于手機(jī)攝像頭的圖像比色法在健康診斷與環(huán)境、醫(yī)藥、食品檢測(cè)等領(lǐng)域有廣泛應(yīng)用[6]。在分析了圖像比色法中蘊(yùn)含的跨學(xué)科知識(shí)和技術(shù)后，最終開發(fā)了“設(shè)計(jì)檢測(cè)Co2+濃度的技術(shù)方案”這一項(xiàng)目。

2.2 項(xiàng)目的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

該項(xiàng)目活動(dòng)的技術(shù)核心為圖像比色法這一融合了信息技術(shù)的實(shí)驗(yàn)方法，該方法較為新興，原理與目視比色法相同，即物質(zhì)顯色的實(shí)質(zhì)是對(duì)不同波長(zhǎng)光的選擇性吸收，顯出的顏色是它所吸收光的互補(bǔ)色，溶液顏色的深淺取決于吸光物質(zhì)濃度的高低[7]。但圖像比色法以手機(jī)等拍照設(shè)備作為圖像采集器，以計(jì)算機(jī)代替人眼，將顏色深淺轉(zhuǎn)化為RGB分量值，從而將色溶質(zhì)的濃度與RGB分量值之間建立關(guān)聯(lián)，能夠更精確地檢測(cè)有色溶質(zhì)溶液的濃度，且所需的器材便利、步驟簡(jiǎn)單，具體步驟如圖2所示。

實(shí)驗(yàn)涵蓋了化學(xué)、物理、數(shù)學(xué)知識(shí)和信息技術(shù)，結(jié)合工程設(shè)計(jì)后轉(zhuǎn)化為“設(shè)計(jì)檢測(cè)Co2+濃度的技術(shù)方案”的STEM項(xiàng)目也必然涵蓋這些跨學(xué)科知識(shí)，體現(xiàn)了STEM的跨學(xué)科性，如表2所示。

3 活動(dòng)的實(shí)施過程設(shè)計(jì)

STEM項(xiàng)目的實(shí)施主要是通過工程設(shè)計(jì)過程和探究學(xué)習(xí)的5E教學(xué)模型的整合來實(shí)現(xiàn)的，如ITEEA開發(fā)的基于設(shè)計(jì)的工程設(shè)計(jì)EbDTM項(xiàng)目、波士頓科學(xué)博物館創(chuàng)立的工程是基礎(chǔ)EiE項(xiàng)目、世界在運(yùn)動(dòng)AWIM項(xiàng)目[8]。工程設(shè)計(jì)過程包括“識(shí)別問題和制約因素”、“調(diào)查研究”、“形成概念”、“分析觀點(diǎn)”、“建立模型”、“測(cè)試和優(yōu)化”、“溝通和反思”七個(gè)步驟。其中，“識(shí)別問題和制約因素”是指明晰問題和任務(wù)，知道制約因素和標(biāo)準(zhǔn)，比如時(shí)間、資源、經(jīng)費(fèi)、預(yù)期任務(wù)成品的特征；“調(diào)查研究”是指了解與主題相關(guān)的信息，如已有的解決方案，以防止做重復(fù)勞動(dòng)；“形成概念”是指運(yùn)用頭腦風(fēng)暴想出多種解決方案，并識(shí)別每個(gè)方案的風(fēng)險(xiǎn)和利益；“分析觀點(diǎn)”是指依據(jù)數(shù)學(xué)、科學(xué)和技術(shù)原理和項(xiàng)目的標(biāo)準(zhǔn)以及限制篩選和精細(xì)化出前一步驟的方案；“建立模型”是指學(xué)生在分析觀點(diǎn)的基礎(chǔ)上建立一個(gè)工作模型或原型；“測(cè)試和優(yōu)化”是指測(cè)試模型是否滿足要求，根據(jù)測(cè)試結(jié)果優(yōu)化現(xiàn)有的設(shè)計(jì)；“溝通和反思”是指進(jìn)行人際互動(dòng)、口頭、視覺、書面方式的溝通，既適應(yīng)于團(tuán)隊(duì)工作環(huán)境，又用于對(duì)方案和產(chǎn)品的開發(fā)過程記錄和解釋[9]。

本項(xiàng)目的活動(dòng)實(shí)施過程兼顧了工程設(shè)計(jì)和探究學(xué)習(xí)兩大實(shí)踐系統(tǒng)，結(jié)合化學(xué)實(shí)驗(yàn)的特性，以“問題聚焦和明確”、“思考和探究”、“解釋和方案確立”、“構(gòu)建和實(shí)驗(yàn)”、“測(cè)試和優(yōu)化”、“溝通和評(píng)價(jià)”六個(gè)過程構(gòu)成?！皢栴}聚焦和明確”包含了“識(shí)別問題和制約因素”的工程內(nèi)涵，且強(qiáng)調(diào)從社會(huì)、環(huán)境、生活等問題聚焦到化學(xué)問題，將化學(xué)問題明確為具有制約因素和評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)的工程問題；“思考和探究”的目的與“調(diào)查研究”相一致，同時(shí)強(qiáng)調(diào)學(xué)生在教師的引導(dǎo)下進(jìn)行思考和實(shí)驗(yàn)探究學(xué)習(xí)；“解釋和方案確立”包含“形成概念”和“分析觀點(diǎn)”的過程，同時(shí)強(qiáng)調(diào)對(duì)新方案原理性知識(shí)的解釋；“構(gòu)建和實(shí)驗(yàn)”是“建立模型”中的一種工作模型，是STEM項(xiàng)目中的化學(xué)實(shí)驗(yàn)主體部分；“測(cè)試和優(yōu)化”與工程設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)過程相同；“溝通和評(píng)價(jià)”融合了“溝通和反思”與科學(xué)探究中的“反思與評(píng)價(jià)”環(huán)節(jié)。

3.1 問題聚焦和明確：觀看圖文資料引發(fā)工程問題

[教師]演示有關(guān)工廠排放含Co2+廢水、大量Co2+對(duì)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(dá)標(biāo)與否需要環(huán)境檢測(cè)工程師做些什么？

[學(xué)生]檢測(cè)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(huán)境監(jiān)測(cè)工程師，如何設(shè)計(jì)一個(gè)檢測(cè)工業(yè)廢水中重金屬離子Co2+濃度的技術(shù)方案？制約因素是什么？什么樣的技術(shù)方案是好的？發(fā)放可用材料的清單：LED燈泡、液晶屏、拍照手機(jī)、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(xué)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(píng)估標(biāo)準(zhǔn)：要求檢測(cè)的相對(duì)誤差不超過10%，且誤差越小越好；需要自己設(shè)計(jì)和組裝裝置，裝置要滿足簡(jiǎn)易、便宜的要求；制作方案文本，并進(jìn)行方案設(shè)計(jì)的匯報(bào)。

設(shè)計(jì)意圖：強(qiáng)調(diào)STEM學(xué)習(xí)中的工程思想，創(chuàng)設(shè)工程問題情境，幫助學(xué)生識(shí)別工程問題；通過提問促使學(xué)生對(duì)制約因素和評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行交流討論，進(jìn)一步明確任務(wù)。

3.2 思考和探究：學(xué)習(xí)比色法和比色分析的化學(xué)史

[教師]發(fā)給每組學(xué)生3種不同濃度的CoCl2溶液，提出問題：通過觀察現(xiàn)象能夠得出什么結(jié)論？

[學(xué)生]不同濃度的有色溶液，顏色深淺與溶液的濃度有關(guān)，顏色越深，濃度越高。

[教師]告訴學(xué)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(cè)溶液的大致濃度？

[學(xué)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(zhì)顯色的實(shí)質(zhì)就是對(duì)不同波長(zhǎng)光的選擇性吸收，顯出的顏色是它所吸收光的互補(bǔ)色，CoCl2溶液顯粉紅色就是因?yàn)樗x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(zhì)濃度的高低[10]。CoCl2溶液的濃度越高，對(duì)青色光的吸收就越多，透過的紅色光越強(qiáng)，顏色就越深，在一定濃度范圍內(nèi)，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(jì)算方法。提出問題：誤差大小的范圍是多少，如何進(jìn)一步確定待測(cè)溶液濃度？引導(dǎo)并輔助學(xué)生進(jìn)行實(shí)驗(yàn)探究。

[學(xué)生]進(jìn)行實(shí)驗(yàn)活動(dòng)：配制中間濃度的溶液，再次對(duì)比待測(cè)溶液的顏色，通過顏色的不斷漸進(jìn)，最終確定待測(cè)溶液濃度。

[教師]告訴學(xué)生待測(cè)溶液的實(shí)際濃度，組織學(xué)生交流實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

[學(xué)生]交流各自測(cè)得的濃度和誤差，得出目視比色法受到人眼識(shí)別顏色能力限制和半定量分析的特點(diǎn)。

[教師]進(jìn)一步講述比色分析發(fā)展的化學(xué)史，提出問題：目視比色法、分光光度法的特點(diǎn)和利弊分別是什么？

[學(xué)生]比較目視比色法、分光光度法的特點(diǎn)和利弊。

設(shè)計(jì)意圖：進(jìn)行STEM項(xiàng)目中科學(xué)知識(shí)的教學(xué)，通過問題串刺激學(xué)生思考和探究，發(fā)現(xiàn)目視比色的實(shí)驗(yàn)方法，引導(dǎo)學(xué)生基于實(shí)驗(yàn)證據(jù)了解比色法的原理和優(yōu)缺點(diǎn)，進(jìn)而傳授比色法和比色分析發(fā)展的化學(xué)史的知識(shí)，引導(dǎo)學(xué)生從各方面綜合考慮使用不同方法和儀器檢測(cè)有色物質(zhì)的利弊，為工程設(shè)計(jì)過程中方案的確立做鋪墊。

3.3 解釋和方案確立：學(xué)習(xí)圖像的數(shù)字化，“發(fā)明”并采納圖像比色法

[教師]講解：由于不同人識(shí)別顏色的能力不同，故剛才同學(xué)們測(cè)得待測(cè)溶液的濃度不盡相同，但計(jì)算機(jī)能夠高精度地識(shí)別顏色，是通過圖像的數(shù)字化處理實(shí)現(xiàn)的，它是指將一幅圖像從其原來的形式轉(zhuǎn)換為數(shù)字形式的處理過程[11]。對(duì)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(jì)算機(jī)代替我們的眼睛讀出且量化有色溶液的顏色深淺？

[學(xué)生]理解計(jì)算機(jī)識(shí)別顏色的原理：圖像的數(shù)字化。結(jié)合目視比色法和圖像數(shù)字化技術(shù)，“發(fā)明”圖像比色法。

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

[學(xué)生]圖像比色法綜合了目視比色法和分光光度法的優(yōu)點(diǎn)，故采納圖像比色法作為項(xiàng)目問題的解決方案。

設(shè)計(jì)意圖：繼續(xù)講解STEM項(xiàng)目中的跨學(xué)科知識(shí)：圖像的數(shù)字化，引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行方法和技術(shù)的聯(lián)用，從而“發(fā)明”圖像比色法；引導(dǎo)學(xué)生學(xué)習(xí)STEM項(xiàng)目中工程設(shè)計(jì)原則，結(jié)合評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)綜合對(duì)比各個(gè)方法的利弊，使得學(xué)生關(guān)注到圖像比色法的應(yīng)用。

3.4 構(gòu)建和實(shí)驗(yàn)：構(gòu)建圖像比色法的檢測(cè)裝置并進(jìn)行實(shí)驗(yàn)

[教師]確定了圖像比色法作為解決方案后，就要構(gòu)建圖像比色法的檢測(cè)裝置進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。提出問題：根據(jù)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(biāo)準(zhǔn)溶液？濃度范圍應(yīng)如何？

[學(xué)生]交流討論：用容量瓶配制一定濃度的標(biāo)準(zhǔn)溶液，再通過稀釋的方法配制其他濃度的標(biāo)準(zhǔn)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(xué)生]交流討論：圖像清晰與否、顏色是否失真、RGB分量值提取時(shí)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(shí)信息，照片圖像顏色能真實(shí)地體現(xiàn)溶液顏色。因此，在構(gòu)建圖像比色法檢測(cè)Co2+濃度的裝置時(shí)，要注意選擇白光作為光源，且光源均勻穩(wěn)定；所有溶液樣品的前景和背景都應(yīng)是白色；拍攝的像素不能過低；手機(jī)攝像頭或相機(jī)攝像頭應(yīng)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(yè)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(diǎn)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(yīng)采用移動(dòng)矩形選框的方式讀取各溶液樣品中心區(qū)域的RGB分量值。

[學(xué)生]按小組合作構(gòu)建裝置、配制溶液、進(jìn)行圖像比色法的實(shí)驗(yàn)。

設(shè)計(jì)意圖：強(qiáng)調(diào)STEM項(xiàng)目中的技術(shù)學(xué)習(xí)，講述使用圖像比色法的操作注意事項(xiàng)和ImageJ軟件的操作要領(lǐng)，為學(xué)生自主構(gòu)建和實(shí)驗(yàn)提供必要的腳手架支持。

3.5 測(cè)試和優(yōu)化：測(cè)試檢測(cè)方案的檢測(cè)誤差，采用控制變量法優(yōu)化解決方案

[教師]提出問題：如何測(cè)試基于圖像比色法所構(gòu)建的裝置能夠準(zhǔn)確地檢測(cè)Co2+濃度？

[學(xué)生]交流討論：用某已知濃度的CoCl2溶液作為待測(cè)樣品，與空白樣品、標(biāo)準(zhǔn)樣品一起進(jìn)行圖像采集，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)確定檢測(cè)誤差。

[教師]提出問題：如果對(duì)檢測(cè)結(jié)果不滿意，如何優(yōu)化解決方案？

[學(xué)生]交流討論：采用控制變量法，可以優(yōu)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(qǐng)根據(jù)測(cè)試結(jié)果進(jìn)一步優(yōu)化解決方案，最后設(shè)計(jì)出條件明確的檢測(cè)Co2+濃度的技術(shù)方案，制作方案文本。

設(shè)計(jì)意圖：引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)一步學(xué)習(xí)STEM項(xiàng)目中的工程設(shè)計(jì)原則，以測(cè)試結(jié)果為導(dǎo)向優(yōu)化目前的解決方案，以呈現(xiàn)方案結(jié)果為導(dǎo)向體驗(yàn)工程思想解決問題的過程。

3.6 溝通和評(píng)價(jià)：展示方案設(shè)計(jì)成果，多角度評(píng)價(jià)活動(dòng)表現(xiàn)

[教師]要求學(xué)生匯報(bào)技術(shù)方案的設(shè)計(jì)、測(cè)試和優(yōu)化過程，展示技術(shù)方案文本，同時(shí)鼓勵(lì)學(xué)生交流方案設(shè)計(jì)構(gòu)成中所遇到的挫折，引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行合作態(tài)度、計(jì)劃安排、結(jié)果表達(dá)、方案制作、跨學(xué)科知識(shí)和工程設(shè)計(jì)原理掌握方面的自評(píng)和互評(píng)。

[學(xué)生]各小組匯報(bào)技術(shù)方案的設(shè)計(jì)、測(cè)試和優(yōu)化過程，展示最終的技術(shù)方案，并用數(shù)據(jù)、圖表展示方案的檢測(cè)誤差、成本大小等預(yù)期結(jié)果，最后進(jìn)行自我評(píng)價(jià)，其他學(xué)生對(duì)其技術(shù)方案的設(shè)計(jì)過程、小組分工合作和計(jì)劃安排、方案制作等方面提出質(zhì)疑、意見或積極評(píng)價(jià)，小組成員對(duì)這些評(píng)價(jià)進(jìn)行反思和溝通。

[教師]總結(jié)各小組在方案設(shè)計(jì)過程中的表現(xiàn)和技術(shù)方案的合理性，鞏固本STEM項(xiàng)目中涉及的跨學(xué)科知識(shí)，強(qiáng)調(diào)工程設(shè)計(jì)需要識(shí)別問題和制約因素、調(diào)查研究、形成概念、分析觀點(diǎn)、建立模型、測(cè)試和優(yōu)化、溝通和反思的過程。

設(shè)計(jì)意圖：促進(jìn)學(xué)生的合作意識(shí)，體會(huì)STEM項(xiàng)目學(xué)習(xí)的跨學(xué)科性。

4 結(jié)語

“設(shè)計(jì)檢測(cè)Co2+濃度的技術(shù)方案”項(xiàng)目基于圖像比色法，涵蓋了化學(xué)定量實(shí)驗(yàn)技能和定量思想、信息的數(shù)字化技術(shù)及Excel軟件操作、函數(shù)模型的建立、工程設(shè)計(jì)思想，融合性高，思維性強(qiáng)，切實(shí)地指向了信息時(shí)代背景下中學(xué)生STEM素養(yǎng)的培養(yǎng)。

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