编者按：STEAM教育理念已经慢慢为国内教育者所接受，但如何来设计课程，如何开展这样的具体问题，对于很多老师还是个难题，那么我们先来学习国外的课程是如何设计的？

本课程设计关于水，共有3节，每节2小时，本次推送先讲第一课时内容（注意：系列课堂进行过程中，每节课之间最好间隔几天，间隔一周最为理想）

第一课时：污染

在本课时中，学生们将开始了解没有足够（干净、可供使用）的水会带来什么影响。然后他们将有机会随兴用各种物质将干净的水污染成各种颜色的液态混合物，从中学习关于酸和碱的关系。

教学材料

卷心菜汁指示剂

软化鸡骨（建议使用鸡翅骨）

无壳鸡蛋

2个小的透明容器

自来水

盐

水果或者蔬菜

咸味点心（苏打饼干、椒盐卷饼等）

pH试纸（选用，可在大部分的药店或者网上购买）

各种各样的酒水饮料（最好是透明的，选用）

透明的塑料杯（你会需要很多塑料杯，每位学生大约需要5个，而且展示的时候也需要一些）

茶匙

汤匙

碳酸水

烘焙用苏打

醋

《卷心菜汁pH彩虹》材料复印件（详见《基于课堂标准的STEM教学设计》教案末）

彩色铅笔（选用）

新鲜鸡蛋一个

蒸馏水（选用）

吸管（选用）

可降解手套（选用，如果进行额外活动的话建议使用）

护目镜（选用，如果进行额外活动的话建议使用）

植物枝叶（秋海棠、绿萝、彩叶草等植物的枝条就可以，也可以用其他任何植物枝叶）

课前准备

课前，老师需要事先准备一些卷心菜汁指示剂（在本教案的三个课时中都需要用到这种指示剂）、植物的枝叶、软化鸡骨和一个无壳鸡蛋。这些物品的准备都非常容易。注意无壳的鸡蛋需要在上课前至少提前24小时开始准备。软化鸡骨最好提前三天开始准备，这里我们建议你使用鸡翅上的骨头。你还需要选一两种水果或者蔬菜，对其进行脱水处理。这个过程跟无壳鸡蛋的准备一样都很简单，而且也需要提前一天开始准备。

你需要准备两个小的透明容器，一个用来装自来水，另一个用来装盐水（越咸越好。所准备的浓盐水要是闻起来跟海水一样最好！如果你已经往盐水里面加入了足够多的盐，而且在盐水底部开始有盐析出的话，那说明盐水已经饱和，非常适合进行蔬果的脱水！）。

将一块（或两块）水果（或蔬菜）分别放入这两个容器中——有一块柑橘和一块墨西哥辣椒，但是，你不能在一个容器里只放柑橘，而另一个容器里只放墨西哥辣椒。注意，每个人的实验结果可能会不一样，你可以尝试使用不同的水果和蔬菜来看看哪一种果蔬的结果最为明显。（我们经过实验发现，荷兰豆和草莓的实验效果都非常好。）

课堂介绍（15分钟）

在课堂的一开始，你将给学生提供一种咸味的零食，当然，这也是服务于课堂的。给学生们提供类似苏打饼干、椒盐卷饼这一类又咸又干的零食。（如果你想好好“捉弄” 一下学生的话，你还可以将室内温度调至比平时高几度。）问问学生们口渴是一种什么样的感觉？在吃完又咸又干的零食，又没有什么可以喝的情况下，他们的嘴巴有什么感觉？他们有没有过极度口渴的时候？你可以让学生们自己将答案写下来，也可以直接将学生们给出的答案写在黑板上。

为了使大家的注意力更聚焦于活动，你可以让学生们写苏打饼干日记。让他们每次只吃一块苏打饼干，吃完后，将自己的感觉写下来。你可以要求学生以五块饼干为限，吃完示意你已完成任务，特别是当学生吃得特别快的情况下。（安全提示：不要将室内温度调得太高。提醒学生吃饼干的时候，要一块一块吃，而且吃的速度不要太快。同时还要准备一些饮用水，当学生确有需要的时候可以立刻给学生饮用。）

世界上最渴的人：我实在是太渴了（15分钟）

让学生们进行头脑风暴，想想人在哪些情境中，很可能会出现极度口渴的情况：被困在一个荒岛上、在参加穿越撒哈拉沙漠拉力赛的时候迷失了方向，或者是学生们想出来的其他合理情境都可以。然后，让学生们自由创作关于“世界上最渴的人”的故事，讲述故事的主人公是如何意外发现自己没有一丁点儿水了。你可以给学生提出以下这些问题，帮助他们进行故事创作：

⊙ 这个故事发生在什么地方？

⊙ 这个故事的主要人物是谁？

⊙ 为什么故事的主人公会这么口渴？（回想一下自己前面吃咸味饼干时的感受，尝试去描述故事中人物的想法和感觉。）

在后面的环节中，学生们还会有时间让自己的故事更加丰满、有血有肉，不过现在，他们的主要精力，还是应该放在故事背景及其描写上。

水的重要性（10分钟）

问问学生，水到底有多重要？学生们应该会回答“非常重要！”这里，你可以跟学生们分享几个关于水的小知识（例如：水占到人体的50%到70% ；地球表面的70%都被水覆盖，然而，在这其中，只有1%的水是可供饮用的；如果没有食物的话，人类大概能够存活3周，但如果没有水的话，可能人类就只能存活3天，等等）。

紧接着可以问学生们一个更重要的问题：水的安全与否是由什么决定的呢？收集学生们的答案，并将这些答案写在黑板上分享给所有学生。在回答这个问题的时候，学生们一开始可能会说一些诸如泥土、动物排泄物这类的事物，这二者对我们来说都是非常危险的，但是为什么呢？

其实，这与我们看到（或闻到）的令人作呕的东西关系并不大，主要还是因为微生物。关于这一点，我们稍后再跟学生说明。将对话慢慢引导至一些看不见的添加物上。盐水就是一个很好的讨论对象。盐有什么不好？我们经常会在食物中加入盐，没错吧？但是，盐水会吸收你体内的水分。这也是为什么遭遇船难的海员们在四周都是（盐）水的情况下，还会由于缺水而死在救生船上。这时候，你可以将事先准备好的脱水果蔬拿出来展示给同学们看，看看学生们会不会感到惊奇。

测试水样（35分钟）

在对水样进行净化之前，我们首先需要“污染”水样，我们将用酸和碱来实现这一目的。问问学生，看看他们知不知道酸和碱是什么？相信大部分学生都曾听说过酸，而且他们可能知道酸具腐蚀性。而至于碱，学生们可能较少听到，如果他们对此有一点了解的话，可能是在了解酸的过程中，了解到碱是“与酸相对立的概念”。如果学生们提到了这点，让学生们具体说说碱跟酸到底有什么不同。

问问学生，看看他们是否曾吃过任何酸性的东西。回答一般是肯定的，比如柑橘类水果和番茄。不过，学生们可能没有意识到这些食物是酸性的，所以，如果学生们回答不上来的话，也可以换个问题，问问学生们，有没有吃过什么酸味的东西。人类舌头上有可以感觉到酸的味蕾；酸的东西一般都是酸性的。

本课并不会涉及到酸和碱的相关原理，不过你可以告诉学生，在很多的化学反应中，都会有酸和碱的存在。（注意：这里，千万不要跟学生说明酸与碱会相互中和，也不要跟学生说pH酸碱度的两端分别代表酸和碱。学生们应该在本课的调查研究过程中自己去发现这些内容。）接下来，利用一些家庭常见的饮料来向学生们演示如何使用pH试纸。

如果时间比较紧或者你手头上没有pH试纸的话，你也可以跳过这一环节。（从市面上购买的任何一款pH试纸应该都附有使用说明，不过，如果没有也没有关系，pH试纸的使用方法其实很简单。你只需要将pH试纸浸入要测试的溶液中，几秒种后，试纸的颜色就会发生改变。然后，将此时试纸的颜色与标准比色卡上的颜色进行比对，读出相应的pH值。 pH值为7的溶液为中性溶液，pH值小于7的溶液为酸性溶液，而pH值大于7的溶液为碱性溶液。pH值越大或者越小，这个溶液的碱性或酸性就越强。）

举个例子，大部分人可能都没有意识到，很多汽水的pH值跟标准盐酸溶液和标准硫酸溶液的pH值其实很接近。正如某些同学可能听说过的那样，盐酸和硫酸溶液是具有腐蚀性的。所以，在这里，你应该跟学生说明很多溶液都是酸性的，而溶液的酸性也有强弱之分。酸性物质在厨房里面非常普遍（举个例子：柠檬汁、食醋）。同样，厨房里面也有一些碱性物质，不过（安全的）居家用碱相对来说没那么普遍。

跟学生们说明有时候水会呈酸性或碱性，甚至会因此而不适合饮用，而且，单单靠肉眼观察、嗅闻（或品尝）是没办法百分之百准确判断水的酸碱性的。

从现在开始到第二课时这段时间里面，学生们将会测试酸和碱对不同生命形态的影响——不过首先，他们必须搞懂如何在不使用pH试纸的情况下测试酸碱性。

现在，是时候将卷心菜汁指示剂和《卷心菜汁pH彩虹》材料拿出来了。卷心菜汁指示剂的作用其实跟pH试纸很相像，卷心菜汁会根据溶液的酸碱度，呈现不一样的颜色。在接下来的10到15分钟，学生们将会尽可能多地混合出各种颜色的溶液。

让学生们在透明的塑料杯里随兴混合各种液体（往自来水或碳酸水中加入盐、醋或烘焙用苏打）。在调配混合溶液的过程中，他们应该用量勺测量每一种溶液的量，然后在《卷心菜汁pH彩虹》上记录下每一种溶液的成分。（提醒学生们在使用量勺的时候，每一次测量完都要将量勺冲洗干净，防止交叉污染。）

然后，取一个新的杯子，往杯子里加入1汤勺的混合溶液和1茶匙的卷心菜汁指示剂，观察溶液颜色变化，并将实验结果记录下来（在这里可以选用彩色铅笔，这样的记录效果会好一些）。因为你想要让学生配制出各种各样颜色的溶液，所以，当学生们完成第一种混合溶液的测试之后，鼓励学生继续进行实验。（学生们可以将上一次用来装混合溶液的杯子洗干净，再用这个杯子来混合新的溶液，这样可以节省一些杯子。）

提醒学生们一定要记得对每一种混合溶液中的成分进行测量和记录。任何一个曾经陪十岁以下的儿童光顾自助饮料吧台的人都知道，他们会忍不住想要往杯子中加入每一样饮料。如果学生们想要将醋、烘焙用苏打、盐和水等所有东西混合制成超级溶液的话，也没有关系，不过，在对超级溶液进行pH值检测之后，建议学生在混合溶液的时候，尽量只选取1到2种材料。如果学生们不对单一的材料进行实验的话，他们很难理解这些材料各自的酸碱性。而且，他们也不太可能调制出酸碱性各不相同且差异比较明显的溶液。

学生们可能会发现，如果往醋里面加入烘焙用苏打，他们可能会得到一种接近中性的溶液（因为这两种成分相互中和了），从而错误地认为这两种材料各自只是一种弱碱性或弱酸性的材料。

当你的学生调配出各种颜色的混合溶液之后，让他们接着进行下一个任务（这个任务同样需要10到15分钟的时间），要求学生们根据混合液的颜色变化，将班上所有同学所调配出来的混合溶液进行排序（如果学生们在之前的试验中成功调配出各种各样的溶液，溶液的颜色范围比较广的话，对这些混合溶液进行排序应该不是一件难事——而且可以明显看到溶液从一种颜色慢慢过渡到另外一种颜色）。

学生们完成排序之后，鼓励学生挑选序列任何一端的溶液（比如选择蓝色那一端的第一杯溶液），想办法将这种溶液的颜色变成另外一端的溶液的颜色。在这个过程中，这个溶液的颜色会慢慢产生变化，直至跟另一端溶液颜色一致。在上面这个调查研究开始几分钟后，如果你觉得你的学生需要一点提示，你可以问问他们，纯净水的测试结果是什么颜色的？（答案应该是紫色的，或者是接近紫色的。）

然后，请他们选择某一种材料，往里面加入一点点，观察发生了什么样的变化。（溶液应该会慢慢变成粉红色或者粉蓝色。）通过这么做，你为学生们提供了一个pH值，也告诉了他们一个新的信息，让他们自己去好好消化。

水是酸碱性最弱的，同时也是最为安全的一种材料，不过很明显，我们可以通过两种完全不同的方式来改变其酸碱性。嗯，是得好好思考一下。在这一环节结束之前，如果学生们已经弄明白了的话，他们会将手头上的溶液按照以下颜色变化进行排序：（黄色→绿色→蓝色→紫色→粉色→红色→橙色），也就是从碱性到中性再到酸性。

问问看，有没有学生试着用粉红色一端的溶液去混合粉蓝色一端的溶液，答案很可能是肯定的，而这种混合液中指示剂的颜色应该是接近紫色的，也就是跟水的测试结果相似。其实，他们所混合的材料（酸和碱——在这里可以重新解释一下这两个定义）会相互中和，这跟正负数相加会相互抵消的道理相同。

测试水的作用（15分钟）

接下来，是时候将事先准备好的软化鸡骨和无壳鸡蛋拿出来了。让学生们知道，酸能够破坏骨头和鸡蛋壳。为了使课堂有更好的效果，将一个新鲜的鸡蛋放入食醋中，几乎立马就可以观察到鸡蛋表面开始出现气泡。问问学生，被酸或者碱污染的水对植物会有什么影响，看看他们有什么想法。

根据你安排的课程，在接下来的几天或者接下来的几周里，学生们将会对此进行实验。确保每个学生或者每组学生都拿到一些植物的枝叶（基本上，只要一小段带有几片叶子的枝干就足够了），最好选取一些生命力比较顽强的植物，比如秋海棠、绿萝、彩叶草等。

学生们首先要在一个透明塑料杯里面配制一种溶液（跟之前在《卷心菜汁pH彩虹》中进行的活动一样），注意要尽可能明确溶液中的各种成分，记录下指示剂的颜色，并且就其对植物的可能影响进行预测。然后，学生们应该将手头上的植物枝条放进溶液中，让枝干的底部浸没在溶液中，如果溶液同时浸泡到了比较靠近底部的部分枝叶也没关系。

妥善保管这些塑料杯，在本课系列课堂进行期间，学生们将有机会观察到这些枝干慢慢长出根须的过程。（大部分的植物枝条十有八九会很快死去，这个实验的目的就是为了让学生们看到酸性或碱性的水对生命所产生的危害。也就是说大部分学生不需要去观测枝叶的根生长的情况。）

确保学生们作为一个集体，尽可能多地用不同溶液进行对比试验。让学生们想想，自己想要在什么样的溶液中培养自己的植物，然后将这些答案写在黑板上。如果必要的话，除了那些只加入了一种可溶于水溶剂的水溶液外，还可以建议学生们将一段植物放在装有纯水的杯子中以作对比。一旦黑板上出现了足够多的实验建议，让学生们各自认领自己想要做的实验，确保将学生们提出来的实验建议一一实践。

世界上最渴的人：这水你会不会喝呢？（15分钟）

活动进行到这里，理想情况下，学生们应该对什么会对水产生污染多少有了更进一步的了解。让学生们就之前的叙述进行扩充，将他们故事中极度口渴的主人公带入到一个有水的情境，不过，他（或她）并不确定这水是否适合饮用。注意，作为作者的学生们可能到目前为止，还不太知晓什么决定了水是否适合饮用，不过这没关系。作者对某些事情的不确定，可以直接带入故事，成为主人公的困惑和不解。

讨论环节（15分钟）

在此环节，学生们可以稍微分享一下自己的故事，与其他同学一同讨论故事主人公所发现的水源是否适合饮用。让学生们说说看，干净的水源和不适合饮用的水源有没有什么直观的特征？（除了那些在前面的环节中可能已经被提到过的较为明显的因素外，学生们应该能够说出一些其他的特征。我们不应该喝污水坑里面的水，那如果地面有一个坑，里面有一些水的话，这些水能不能喝呢？）

组织学生进行讨论！同样，因为学生们对于什么才是干净的水源也只是一知半解，所以可能目前学生们也不能得出任何十分肯定的答案。将注意力集中在如何连续不断地提出新的问题，这样一来，学生们就能够保持好奇心。在进行活动的过程中，注意了解学生们是如何认识事物的，以及学生们为什么会认可这种方式。

如果学生们认为发黑的水不能喝，那就要问问他们为什么。如果一条小溪里面的水适合饮用的话，这条小溪有没有什么特别之处？跟学生们说明，现在他们已经学到了不少关于清洁的水的内容，接下来，他们还会了解在哪里可以找到干净的水。在总结这一课时的时候，告诉学生们，下一次上课的时候他们将会了解被脏水污染的生物体会出现什么样的状况，而且，在下节课中，他们将会开始挑战水的净化。

摘自【美】826全美《基于课堂标准的STEM教学设计》

中国青年出版社出版

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