STEM教育理念在高中有機化學教學中的滲透

盧苗苗 鄭雅君 占小紅

摘要： STEM教育作為一種全新的、跨學科式的學習理念，在我國的發展尚處于起步階段。立足于我國分科教學的現狀，依據STEM教育理念，建構適合我國基礎教育發展的科學與工程整合的教學模式，并在此基礎上開展“檸檬精油的提取工藝”的主題教學設計，在學生系統學習有機化學知識之后，以工程實踐為載體引導學生參與設計精油提取的工程方案等系列活動，通過體驗真實的化學工藝設計過程，培養學生的化學工程思維和實際問題解決能力，以期為各科學學科開展STEM教育提供實踐參考。

關鍵詞： STEM教育； 科—工整合； 工程項目設計； 有機化學教學； 檸檬精油的提取工藝

文章編號： 1005-6629（2018）7-0045-06 中圖分類號： G633.8 文獻標識碼： B

1 研究背景

STEM教育是科學（Science）、技術（Technology）、工程（Engineer）和數學（Mathematics）教育的簡稱，是美國在1980年代為提升國家競爭力和自身的創新能力而針對高等教育階段提出的一項重要的教育戰略[1]，旨在打破學科領域邊界，培養學生的創新意識和問題解決能力[2]。

目前，我國引入并大力發展STEM教育，源于對現有應試教育所造成的創新型人才缺失的反思。STEM教育在我國的發展尚處于起步階段，2012年第二屆STEM國際教育會議在北京召開，學者們就如何將STEM教育理念融入到數學、物理、化學、生物、地理、信息技術等各類科技教育課程的教學中，以促進我國基礎科學教育的發展等問題進行了深入探討[3]。結合教育實際，有學者指出我國開展STEM教育主要存在“依舊是按照傳統分科教學，不能突破學科壁壘實現整合等突出問題”[4]。因此，如何借鑒STEM教育理念中多學科融合與聯系的教學觀，突破我國當前單純地以灌輸分科領域知識內容為主的科學教育的困境，成為了我國科學教育亟待解決的問題[5]。

STEM教育的核心理念是跨學科整合，目前較為常見的有科—數整合、科—技整合和科—工整合三種整合類型，即分別將數學、技術、工程實踐等不同學科知識與科學課程進行整合。立足于我國基礎教育的現狀，科—工整合是較為符合我國基礎科學教育發展需要的STEM整合類型[6]，其基本思路為： 在現有科學課程框架內，開發整合不同學科相關內容的工程設計任務或項目，通過完成相關任務或項目讓學生體驗運用科學解決實際問題的樂趣，加深對科學知識的理解，發展學生解決真實而復雜的綜合性問題的能力[7]。化學作為自然科學的重要分支，在基礎教育階段的科學課程的學習中占據著重要地位，本研究以高中有機化學課程為載體，采用科—工整合的方式進行主題教學設計，對STEM教育理念在我國高中化學教學中的融合進行了相應的探索。

2 科學課程整合工程實踐教學模式的設計

基于STEM理念的“科學課程整合工程實踐”，簡稱科—工整合教學，是以真實情境中的工程項目設計為導向，利用數學、科學、工程等相關聯學科的知識來解決問題，在問題解決的過程中反思與提高，實現理論知識與工程實踐的有效銜接的過程。其中作為融合了科學知識和工程實踐的優質工程項目設計活動是科—工整合教學中最重要的一環。2015年余勝泉等人構建了STEM跨學科項目設計模式[8]，該模式在對教學目標、教學內容和學習者特征進行細致分析的基礎上，以“項目或問題”為核心，對項目活動或問題解決過程中所需要的學習工具與資源、學習支架、學習活動過程以及學習評價等關鍵環節進行設計，同時在完成項目活動后，通過相應的強化練習和學習總結促進學生對知識的掌握與遷移。這一模式與STEM教育理念下的科—工整合教學相契合。因此，我們通過對上述跨學科項目設計模式作適當調整，設計了一個適合于科—工整合教學設計的新模式（如圖1所示），主要包括教學分析、工程項目設計、項目的改進與優化以及教學總結四部分內容。

圖1 科—工整合教學模式設計

關于教學分析環節，基于STEM教育的跨學科屬性，在教學設計前期，需要從學習者特征、跨學科知識內容和教學目標三個維度進行教學分析，其目的在于了解學習者特征，分析教學中所涉及的科學、數學、工程等跨學科知識內容，并在此基礎上明確教學任務，為開發出適合學生能力和知識水平的工程項目奠定基礎。項目設計環節，主要包含問題鏈的設計、學習活動的設計、成果展示、反思與評價的設計以及相應的支架設計。項目設計是具有挑戰性和綜合性的活動，往往需要以真實情境下的問題鏈為導向，引導學生通過思考自行設計問題解決方案并交流結果，對設計過程進行反思與評價。除了問題導引以外，教師在學生活動過程中通過設置支架來提供必要的教學支持，如工具與資源的支持、提供及時的反饋和幫助等；項目的改進與優化環節，即在完成項目設計后，針對設計過程中各個環節出現的問題進行分析，進而對方案予以改進與優化的過程；最后對整個教學設計進行評價與總結。在教學過程中，形成性評價會以行為觀察、隨機測試以及記錄過程表等方式貫穿于教學的各個環節。下文將以“檸檬精油的提取工藝”為例，對以上科—工整合教學設計模式進行具體應用與分析。

3 科—工整合教學例析——“檸檬精油的提取工藝”主題教學設計

3.1 教學分析

“檸檬精油的提取工藝”主題中以系統的有機化學知識學習和實驗操作訓練為主，同時涵蓋了數學、生物、地球科學以及工程設計等多個學科的相關知識，可以很好地實現科學理論知識與工程實踐的整合。

3.1.1 學習者分析

本主題適用于《有機化學基礎》學習之后，學生對烷烴、烯烴、醇、醛、酸、酯等重要的有機物有了一定的了解，掌握了一些基本的化學實驗操作如過濾、蒸餾、萃取、分液等，已經具備了一定的探究能力和合作意識，但還缺乏獨立設計活動方案、自主進行探究的實踐經驗，因此，需要在教師的指導下完成本次項目設計活動。

3.1.2 跨學科知識地圖分析

本主題設計是以系統的有機化學知識為主導，同時兼顧其他相關學科知識的跨學科整合。涉及知識點如表1：

3.1.3 教學目標分析

“檸檬精油的提取工藝”的主題設計旨在讓學生將所學的科學知識和科學方法運用到具體的化學工藝設計中，培養學生的化學工程思維和實際問題解決能力。因此，應根據學生的認知特點對教學中學生需了解或掌握的跨學科知識內容、實驗操作技能、工程設計方法以及在此過程中學生情感體驗的變化進行分析，制訂出本次教學應達到的目標。具體教學目標如下：

（1） 了解檸檬精油的熔、沸點，密度，狀態以及溶解性等物理性質；鞏固烯烴、醇、醛、酸、酯等重要有機物的基本性質以及過濾、蒸餾、萃取、分液等重要實驗操作；

（2） 掌握檸檬精油提取率的計算，熟悉通過建立坐標圖分析不同變量之間的關系；

（3） 通過小組協作的方式設計實驗方案，真實體驗整個科學探究的過程，熟悉常用的物質制備方法、控制變量法以及在探究中收集、整理和分析數據的方法；

（4） 通過生活化、趣味化的精油提取實驗，激發學習興趣，理解科學與生活的聯系，培養對科學的積極態度。

3.2 工程項目設計

在科—工整合教學模式中，工程項目設計是整個學習活動的主體[9]。一個優質的項目設計能在適合學生認知特點的基礎上更好地融合跨學科知識和工程實踐，以促進學生思維的發展與能力的增強[10]。具體包含問題鏈的設計、學習活動的設計、成果展示、反思與評價的設計以及相應的支架設計。

3.2.1 問題鏈的設計

項目設計的首要環節就是問題鏈的設計。教學中的“問題鏈”是指： 根據教學目標和教學內容，結合學生已有知識經驗，將教材知識轉換成具有一定系統性、層次性、相對獨立而又相互關聯的系列問題[11]。在教學實踐中設計結構良好的“問題鏈”，對學生學法的形成有較強的導向作用。在進行問題鏈的設計時應注意真實問題情境的引入和不同問題間梯度的設置。具體操作模式為： 產生問題情境1→分析情境提出問題1→引導學生分析問題1→討論找到方法解決問題1→產生問題情境2→分析情境提出問題2……構建問題框架，總結教學內容。本案例中的問題設計如表2：

3.2.2 學習活動設計

有效的工程項目設計，必須以有效的學習活動為中介銜接不同學科知識，以促進知識的內化，真正提高學生的學習效率。“檸檬精油的提取工藝”專題的教學主要包含檸檬精油成分的猜測和驗證；設計實驗探究料液比、浸泡時間、浸泡溫度對精油提取率的影響效應；利用正交試驗確定精油提取的最佳工藝參數以及在最優實驗條件下制得精油成品等系列活動。具體過程如下：

[情境引入]檸檬（Citrus lemon）又稱檸果、洋檸檬、益母果等，蕓香科柑橘屬植物，在我國主要產于長江以南。檸檬枝、葉、花、果均含有特殊芳香油[12]——檸檬精油。檸檬精油是生產食品、香精香料以及化妝品等日常生活用品的優質原料，其有促進血液循環，增強免疫系統功能以及緩解頭痛和偏頭痛的作用[13]。目前，精油的提取和分離技術主要有蒸餾法、溶劑提取法、壓榨法、吸收法、酶提取法、微波萃取法等[14]。基于STEM課程理念和高中有機化學學習的特點，我們選擇采用溶劑提取法來進行“檸檬精油的提取”，這樣既貼近生活實際，有一定的實用價值，又蘊含著豐富的化學知識和其他學科的相關知識，而且在實際操作過程中能鍛煉動手能力和小組合作能力。

3.2.3 學習支架設計

學生在進行項目設計活動過程中，不同學生所采用的方法路徑不同、遇到的困難也不同。因此，在活動中教師既需要保持對整個項目的控制、管理、幫助和指導，又需針對不同學生的最近發展區給予及時的反饋和幫助，以促進學生的有意義學習[15]。本次教學中除了提供情境型支架、問題型支架以外，還設置了信息型支架、知識型支架，通過引出問題→引發思考→提供資源→協助探究的方式來引導學生更好地完成項目活動。

如： 學習工具和資源準備： 市購新鮮檸檬、正己烷、蒸餾水；榨汁機、過濾裝置（漏斗、燒杯、玻璃棒）、蒸餾裝置（燒瓶、電熱套、冷凝管、溫度計、錐形瓶）；

提取工藝流程： 新鮮檸檬→清洗取皮→粉碎→浸泡→過濾→蒸餾→檸檬精油成品。

3.2.4 成果展示及學習評價設計

[成果展示]科—工整合教學是以工程項目或任務整合跨學科知識內容為手段來促進學生的有意義學習，因此在完成項目活動后會得到一定的實踐成果，通過成果展示可以滿足學生的學習成就感，增強學習動機。本次教學中學生將在教師的引導下建立起料液比—提取率、浸泡溫度—提取率、浸泡時間—提取率的坐標圖（見圖2～圖4），通過小組討論的方式分析圖中不同變量與提取率之間的關系，找出每個因素的最佳變化范圍；再通過正交試驗確定優化后的最佳工藝條件，最終得檸檬精油成品，并進行小組間的成果展示。在此過程中，教師以資料卡的方式呈現已有相關研究，引導學生對本組以及其他小組的成果進行討論、交流。

結合教學目標、活動過程以及最終學習成果，通過自我評價—小組評價—教師評價的多元評價方式，從態度、興趣、參與程度、任務完成情況以及最終的作品展示等多個維度來對學生的創新意識和問題解決能力進行評價，從而了解教學中存在問題和階段性的教學成果，及時對教學方案進行修改、完善；最后對項目活動中涉及到的不同學科的知識進行梳理，形成以真實問題為核心的知識網絡結構（見表3、表4）。

3.3 項目的改進與優化

“檸檬精油的提取工藝”主題項目設計活動實施之后，需要對各組在方案設計過程中的表現及技術方案的合理性進行評估，針對項目設計中出現的問題進行改進，從整體上對項目進行系統優化。如在學習活動的設計及實施環節，由于學生缺乏獨立設計活動方案、自主進行探究的實踐經驗，因此在實驗設計、數據收集及分析、小組分工等方面容易出現偏差，此時可通過調節資料卡的內容來提供適當的信息支持，并記錄不同環節小組成員的表現，針對不同小組的實際情況進行分析，在此基礎上對本組實驗進行改進和優化。

3.4 教師評價與總結

本次教學主要是以教師引導下的學生活動——“精油的提取工藝”為主，教師通過問題鏈和教學支架的設置來引導學生自主探究，將所學有機化學及其他相關學科的知識融入到具體的工程實踐中，改善傳統的以教材為中心的教學方式，增強學生的科學實踐能力。在課程實施之后，教師應以課前制定的教學目標為參照，對教學過程中存在的問題、學生的課堂表現以及實際所達到的教學效果進行反思，如所設置的問題是否符合學生的認知特點、怎樣才能結合學生興趣進行更好的課堂引導？學生通過本次實踐學到了什么，是否加深了對科學的理解？通過對本節課的亮點與不足進行客觀評價與反思，做好教學總結。

4 結論與啟示

STEM教育作為一種全新的、跨學科式學習模式，在我國的發展尚處于起步階段。目前，國內的相關研究還停留在STEM教育的概念辨析，國外模式借鑒以及課程研究等理論層面[16]，還未形成成熟的、適合我國基礎教育發展的本土化教育及實踐模式。對于在將來有志于從事化學工程類工作的學生而言，如何通過設計工程方案，體驗真實的化學工藝過程，以培養學生的化學工程思維和實際問題解決能力顯得尤為重要。本研究以《有機化學基礎》課程為載體，以“檸檬精油的提取工藝”為教學主題進行了基于科—工整合教學的設計與分析，主要包括教學分析、基于問題的工程項目設計、項目的改進與優化以及教學評價與總結四方面內容，旨在通過相應的工程實踐活動幫助學生鞏固、深化所學知識，培養學生的創新精神和實際問題解決能力。

在以工程問題為導向的跨學科整合項目設計中還存在著一些挑戰： 一是如何兼顧學生的認知特點和學科的知識特點尋找難度恰當、能引起學生探索欲望的項目設計任務或亟待解決的問題；二是如何設計支架以更好地引導學生挖掘問題或項目中蘊含的跨學科知識素材和解決問題的思路方法；三是如何設計有效的評價體系，進行科學而全面的評估。

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