王小梅 嚴(yán)文法

摘要：STEAM教育作為一種全新、跨學(xué)科的學(xué)習(xí)理念，倡導(dǎo)問(wèn)題解決驅(qū)動(dòng)的跨學(xué)科教育，CDIO模式目的在于培養(yǎng)學(xué)生的工程能力，將CDIO模式STEAM教育相互融合，可以更好地發(fā)展學(xué)生的問(wèn)題解決能力。以選修課程系列1主題3化工生產(chǎn)過(guò)程的模擬實(shí)驗(yàn)“肥皂的制作”為例，探討了基于CDIO模式STEAM教學(xué)活動(dòng)的設(shè)計(jì)，旨在發(fā)展學(xué)生解決實(shí)際問(wèn)題能力，發(fā)展化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)。

關(guān)鍵詞：STEAM教育;cDl0模式;化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng);肥皂的制作

文章編號(hào)：1008-0546（2019）06-0011-04 中圖分類號(hào)：G633.8 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

doi：10.3969/j.issn.1008-0546.2019.06.003

STEAM教育是整合了科學(xué)、技術(shù)、工程、藝術(shù)和數(shù)學(xué)等學(xué)科理念的全新教育理念。將這五門學(xué)科內(nèi)容有機(jī)整合，目的在于發(fā)展學(xué)生解決問(wèn)題、實(shí)踐應(yīng)用和團(tuán)隊(duì)合作能力。CDIO工程教育模式簡(jiǎn)稱CDIO模式，是由構(gòu)思、設(shè)計(jì)、執(zhí)行和運(yùn)作構(gòu)成，該模式目的在于培養(yǎng)學(xué)生的工程能力，工程能力包含個(gè)人的學(xué)術(shù)知識(shí)、學(xué)生的終生學(xué)習(xí)能力、團(tuán)隊(duì)交流能力和大系統(tǒng)掌控能力?！镀胀ǜ咧谢瘜W(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版）》對(duì)高中化學(xué)課程也提出了新的要求，要求“高中學(xué)生能夠了解化學(xué)·技術(shù)·社會(huì)·環(huán)境之間的關(guān)系，指導(dǎo)學(xué)生在不同的學(xué)科背景下認(rèn)識(shí)物質(zhì)及其變化的規(guī)律，運(yùn)用化學(xué)和不同學(xué)科知識(shí)解決實(shí)際問(wèn)題，培養(yǎng)化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)”。將CDIO模式與STEAM教育進(jìn)行有機(jī)整合，應(yīng)用于高中化學(xué)有關(guān)知識(shí)的教學(xué)設(shè)計(jì)中，可以更好地發(fā)展學(xué)生的問(wèn)題解決能力，發(fā)展學(xué)生的核心素養(yǎng)。

一、STEAM教育

1980年，美國(guó)為提升國(guó)家競(jìng)爭(zhēng)力和創(chuàng)新力提出了一項(xiàng)國(guó)家教學(xué)策略——將STEM理念應(yīng)用到教育中。隨后費(fèi)吉尼亞理工大學(xué)學(xué)者YaKman在2008年闡述了藝術(shù)與STEM教育的相互關(guān)系，認(rèn)為藝術(shù)融合課程可以有效地提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，形成了STEAM的全新教育理念。STEAM教育在全球逐漸興起，對(duì)學(xué)校教育特別是K-12階段產(chǎn)生重要影響。STEAM教育的基本內(nèi)涵主要是基于真實(shí)問(wèn)題解決、學(xué)科整合和培養(yǎng)必需技能這三個(gè)方面，圍繞這幾個(gè)基本內(nèi)涵開(kāi)展STEAM活動(dòng)。美國(guó)《新一代科學(xué)教育標(biāo)準(zhǔn)》圍繞《K-12科學(xué)教育框架：實(shí)踐、跨學(xué)科概念、核心概念》三大維度即工程實(shí)踐和科學(xué)、跨學(xué)科概念、核心概念，在科學(xué)以及工程、技術(shù)中均有體現(xiàn)，融合實(shí)踐與理論于一體，培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)實(shí)踐能力，與STEAM教育理念相一致。STEAM教育在我國(guó)也受到了重視，2016年6月教育部印發(fā)了《教育信息化“十三五”規(guī)劃》，明確指出要鼓勵(lì)探索應(yīng)用STEAM教育、創(chuàng)客教育等新教育模式于教學(xué)實(shí)踐中，2017年教育部發(fā)布的《義務(wù)教育小學(xué)科學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)》明確指出STEM的含義：STEM教育是提倡跨學(xué)科學(xué)習(xí)并且以項(xiàng)目學(xué)習(xí)和問(wèn)題解決為主體的跨學(xué)科課程理念。

二、CDIO工程教育模式

2000年10月，由美國(guó)麻省理工學(xué)院和瑞典皇家工學(xué)院等工程院校共同發(fā)起了一個(gè)新型的CDIO工程教育模式，CDIO模式是基于真實(shí)產(chǎn)品的構(gòu)思、設(shè)計(jì)、執(zhí)行、運(yùn)作過(guò)程的工程教育，目的是培養(yǎng)學(xué)生的工程能力。在構(gòu)思過(guò)程中，教師提出項(xiàng)目要求，學(xué)生收集信息掌握專業(yè)知識(shí)的基本原理;在設(shè)計(jì)過(guò)程中，學(xué)生應(yīng)根據(jù)原理主動(dòng)分析項(xiàng)目的需求，通過(guò)查閱資料、技術(shù)資源等數(shù)據(jù)資源，對(duì)項(xiàng)目進(jìn)行總體設(shè)計(jì)，老師主要分析這個(gè)項(xiàng)目的可行性;在實(shí)施過(guò)程中，學(xué)生在實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施，包括全過(guò)程、硬件設(shè)備搭建、軟件調(diào)試、系統(tǒng)調(diào)試、程序優(yōu)化等，培養(yǎng)學(xué)生的主動(dòng)性;在運(yùn)作過(guò)程中，教師應(yīng)檢查項(xiàng)目質(zhì)量，分析學(xué)生項(xiàng)目中出現(xiàn)的問(wèn)題，確保項(xiàng)目實(shí)施的可靠性。CDIO模式主要特點(diǎn)有工程理念、重視綜合能力發(fā)展，這些特點(diǎn)對(duì)我國(guó)工程教育有良好的啟示和借鑒。正如前文所指出的，將工程教育中的CDIO模式與STEAM教育相結(jié)合，應(yīng)用于高中化學(xué)有關(guān)知識(shí)的教學(xué)設(shè)計(jì)中，可以更好地發(fā)展學(xué)生的問(wèn)題解決能力，發(fā)展學(xué)生的化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)。

三、基于CDIO模式的“肥皂的制作"STEAM活動(dòng)教學(xué)設(shè)計(jì)

1.內(nèi)容分析

“肥皂的制作”選自《普通高中化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版）》選修課程系列主題3化工生產(chǎn)過(guò)程的模擬實(shí)驗(yàn)。通過(guò)實(shí)驗(yàn)?zāi)M，學(xué)生可以了解皂化反應(yīng)原理和掌握肥皂的制作技術(shù)?！胺试淼闹谱鳌边€容納了技術(shù)、工程、數(shù)學(xué)和藝術(shù)等學(xué)科知識(shí)，能較好地實(shí)施跨學(xué)科整合。

2.學(xué)情分析

“肥皂的制作”主要適用于學(xué)生對(duì)有機(jī)化學(xué)基礎(chǔ)知識(shí)有一定的了解之后，并具有基本的化學(xué)實(shí)驗(yàn)操作能力。但對(duì)如何進(jìn)行實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)和實(shí)施過(guò)程中如何準(zhǔn)確、客觀地進(jìn)行實(shí)驗(yàn)操作還較模糊，而且對(duì)工程思維不太了解，缺乏工程問(wèn)題的解決能力，學(xué)生也不善于進(jìn)行藝術(shù)形式的表達(dá)。因此還需要指導(dǎo)學(xué)生了解工程設(shè)計(jì)以及操作過(guò)程中的安全事項(xiàng)，引導(dǎo)學(xué)生通過(guò)藝術(shù)來(lái)表達(dá)自己的想象力。

3.跨學(xué)科知識(shí)分析

“肥皂的制作”涉及的主要知識(shí)是有機(jī)化學(xué)，也將其他學(xué)科知識(shí)有機(jī)整合。涉及的跨學(xué)科知識(shí)如表1：

4.教學(xué)目標(biāo)分析

“肥皂的制取”主要是將學(xué)生掌握的知識(shí)和方法運(yùn)用到實(shí)際化工生產(chǎn)模擬實(shí)驗(yàn)中，發(fā)展學(xué)生動(dòng)手能力和化學(xué)工程思維，有助于學(xué)生更深刻地認(rèn)識(shí)化學(xué)對(duì)人類生活、生產(chǎn)的重要性。根據(jù)學(xué)生認(rèn)知特點(diǎn)，制定了本次教學(xué)應(yīng)該達(dá)到的目標(biāo)，具體教學(xué)目標(biāo)如下：

在科學(xué)層面上，以有機(jī)化學(xué)“油脂的性質(zhì)”為主體知識(shí)，了解油脂的熔、沸點(diǎn)，密度，狀態(tài)以及溶解性等物理性質(zhì)。通過(guò)肥皂的制作，促進(jìn)學(xué)生對(duì)皂化反應(yīng)進(jìn)一步理解?；诜磻?yīng)原理進(jìn)行實(shí)驗(yàn)操作，提高學(xué)生的知識(shí)理解和應(yīng)用。

在數(shù)學(xué)層面上，主要涉及到反應(yīng)物油脂和堿的比例計(jì)算和皂化值的換算以及實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析。本次教學(xué)活動(dòng)中，數(shù)學(xué)作為輔助工具，通過(guò)數(shù)學(xué)的運(yùn)用發(fā)展學(xué)生數(shù)學(xué)能力。

在技術(shù)層面上，主要針對(duì)肥皂制作過(guò)程中，皂化、鹽析、洗滌等操作技術(shù)，判斷皂化反應(yīng)是否完全技術(shù)，要求學(xué)生掌握這些技術(shù)的基本原理，完成這些技術(shù)的操作，發(fā)展學(xué)生的動(dòng)手操作能力。

在工程層面上，學(xué)生通過(guò)化工制備肥皂流程，設(shè)計(jì)出實(shí)驗(yàn)室制作肥皂的方案，通過(guò)小組合作，完成方案實(shí)施，最后優(yōu)化設(shè)計(jì)方案，目的在于通過(guò)自己設(shè)計(jì)操作方案，了解工程設(shè)計(jì)的一般方法，發(fā)展學(xué)生的創(chuàng)造性思維。

在藝術(shù)層面上，學(xué)生設(shè)計(jì)肥皂模型、圖案等藝術(shù)，通過(guò)學(xué)生評(píng)比，選出最美設(shè)計(jì)，目的在于促進(jìn)學(xué)生創(chuàng)造性思維的發(fā)展和鼓勵(lì)學(xué)生進(jìn)行基于藝術(shù)的自我表達(dá)。

5.活動(dòng)設(shè)計(jì)（表2）

四、討論

《普通高中化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版）》要求重視開(kāi)展“素養(yǎng)為本”的教學(xué)，倡導(dǎo)真實(shí)問(wèn)題情境的創(chuàng)設(shè)，以真實(shí)的化工生產(chǎn)過(guò)程為研究對(duì)象，通過(guò)模擬和復(fù)原來(lái)體驗(yàn)化工生產(chǎn)流程，促進(jìn)學(xué)生將化學(xué)知識(shí)運(yùn)用到生活實(shí)踐中，發(fā)展化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)。開(kāi)設(shè)STEAM活動(dòng)課程，需要全面把握STEAM課程思維發(fā)展的螺旋式上升結(jié)構(gòu)，縱向緊緊圍繞學(xué)生的全面發(fā)展目標(biāo)，橫向全面把握培養(yǎng)學(xué)生化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)，為學(xué)生提生通過(guò)教師的創(chuàng)設(shè)情境和活動(dòng)資料，構(gòu)思肥皂制作的基本原理和所需知識(shí)。然后學(xué)生結(jié)合化工生產(chǎn)肥皂的工藝流程，設(shè)計(jì)出制作肥皂的大致流程。而不是教師直接給出肥皂的制作步驟，目的在于培養(yǎng)學(xué)生的知識(shí)遷移能力和創(chuàng)造能力。學(xué)生將自己的設(shè)計(jì)方案進(jìn)行實(shí)施，優(yōu)化設(shè)計(jì)方案，培養(yǎng)學(xué)生工程思維。最后進(jìn)行肥皂的運(yùn)作，清楚肥皂制作的環(huán)節(jié)和相關(guān)問(wèn)題，能自己進(jìn)行相關(guān)材料制作肥皂。在整個(gè)教學(xué)活動(dòng)中，重視sTEAM的核心理念，體現(xiàn)學(xué)生的主體性，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)造性，制作出的每一塊肥皂都代表著學(xué)生獨(dú)特的設(shè)計(jì)思想。幫助學(xué)生更深刻地認(rèn)識(shí)化學(xué)與其他學(xué)科的知識(shí)的相互融合，培養(yǎng)學(xué)生解決綜合實(shí)際問(wèn)題的能力，發(fā)展學(xué)科核心素養(yǎng)和工程思維。