STEM教育理念在高中有机化学教学中的渗透

卢苗苗 郑雅君 占小红

摘要： STEM教育作为一种全新的、跨学科式的学习理念，在我国的发展尚处于起步阶段。立足于我国分科教学的现状，依据STEM教育理念，建构适合我国基础教育发展的科学与工程整合的教学模式，并在此基础上开展“柠檬精油的提取工艺”的主题教学设计，在学生系统学习有机化学知识之后，以工程实践为载体引导学生参与设计精油提取的工程方案等系列活动，通过体验真实的化学工艺设计过程，培养学生的化学工程思维和实际问题解决能力，以期为各科学学科开展STEM教育提供实践参考。

关键词： STEM教育； 科—工整合； 工程项目设计； 有机化学教学； 柠檬精油的提取工艺

文章编号： 1005-6629（2018）7-0045-06 中图分类号： G633.8 文献标识码： B

1 研究背景

STEM教育是科学（Science）、技术（Technology）、工程（Engineer）和数学（Mathematics）教育的简称，是美国在1980年代为提升国家竞争力和自身的创新能力而针对高等教育阶段提出的一项重要的教育战略[1]，旨在打破学科领域边界，培养学生的创新意识和问题解决能力[2]。

目前，我国引入并大力发展STEM教育，源于对现有应试教育所造成的创新型人才缺失的反思。STEM教育在我国的发展尚处于起步阶段，2012年第二届STEM国际教育会议在北京召开，学者们就如何将STEM教育理念融入到数学、物理、化学、生物、地理、信息技术等各类科技教育课程的教学中，以促进我国基础科学教育的发展等问题进行了深入探讨[3]。结合教育实际，有学者指出我国开展STEM教育主要存在“依旧是按照传统分科教学，不能突破学科壁垒实现整合等突出问题”[4]。因此，如何借鉴STEM教育理念中多学科融合与联系的教学观，突破我国当前单纯地以灌输分科领域知识内容为主的科学教育的困境，成为了我国科学教育亟待解决的问题[5]。

STEM教育的核心理念是跨学科整合，目前较为常见的有科—数整合、科—技整合和科—工整合三种整合类型，即分别将数学、技术、工程实践等不同学科知识与科学课程进行整合。立足于我国基础教育的现状，科—工整合是较为符合我国基础科学教育发展需要的STEM整合类型[6]，其基本思路为： 在现有科学课程框架内，开发整合不同学科相关内容的工程设计任务或项目，通过完成相关任务或项目让学生体验运用科学解决实际问题的乐趣，加深对科学知识的理解，发展学生解决真实而复杂的综合性问题的能力[7]。化学作为自然科学的重要分支，在基础教育阶段的科学课程的学习中占据着重要地位，本研究以高中有机化学课程为载体，采用科—工整合的方式进行主题教学设计，对STEM教育理念在我国高中化学教学中的融合进行了相应的探索。

2 科学课程整合工程实践教学模式的设计

基于STEM理念的“科学课程整合工程实践”，简称科—工整合教学，是以真实情境中的工程项目设计为导向，利用数学、科学、工程等相关联学科的知识来解决问题，在问题解决的过程中反思与提高，实现理论知识与工程实践的有效衔接的过程。其中作为融合了科学知识和工程实践的优质工程项目设计活动是科—工整合教学中最重要的一环。2015年余胜泉等人构建了STEM跨学科项目设计模式[8]，该模式在对教学目标、教学内容和学习者特征进行细致分析的基础上，以“项目或问题”为核心，对项目活动或问题解决过程中所需要的学习工具与资源、学习支架、学习活动过程以及学习评价等关键环节进行设计，同时在完成项目活动后，通过相应的强化练习和学习总结促进学生对知识的掌握与迁移。这一模式与STEM教育理念下的科—工整合教学相契合。因此，我们通过对上述跨学科项目设计模式作适当调整，设计了一个适合于科—工整合教学设计的新模式（如图1所示），主要包括教学分析、工程项目设计、项目的改进与优化以及教学总结四部分内容。

图1 科—工整合教学模式设计

关于教学分析环节，基于STEM教育的跨学科属性，在教学设计前期，需要从学习者特征、跨学科知识内容和教学目标三个维度进行教学分析，其目的在于了解学习者特征，分析教学中所涉及的科学、数学、工程等跨学科知识内容，并在此基础上明确教学任务，为开发出适合学生能力和知识水平的工程项目奠定基础。项目设计环节，主要包含问题链的设计、学习活动的设计、成果展示、反思与评价的设计以及相应的支架设计。项目设计是具有挑战性和综合性的活动，往往需要以真实情境下的问题链为导向，引导学生通过思考自行设计问题解决方案并交流结果，对设计过程进行反思与评价。除了问题导引以外，教师在学生活动过程中通过设置支架来提供必要的教學支持，如工具与资源的支持、提供及时的反馈和帮助等；项目的改进与优化环节，即在完成项目设计后，针对设计过程中各个环节出现的问题进行分析，进而对方案予以改进与优化的过程；最后对整个教学设计进行评价与总结。在教学过程中，形成性评价会以行为观察、随机测试以及记录过程表等方式贯穿于教学的各个环节。下文将以“柠檬精油的提取工艺”为例，对以上科—工整合教学设计模式进行具体应用与分析。

3 科—工整合教学例析——“柠檬精油的提取工艺”主题教学设计

3.1 教学分析

“柠檬精油的提取工艺”主题中以系统的有机化学知识学习和实验操作训练为主，同时涵盖了数学、生物、地球科学以及工程设计等多个学科的相关知识，可以很好地实现科学理论知识与工程实践的整合。

3.1.1 学习者分析

本主题适用于《有机化学基础》学习之后，学生对烷烃、烯烃、醇、醛、酸、酯等重要的有机物有了一定的了解，掌握了一些基本的化学实验操作如过滤、蒸馏、萃取、分液等，已经具备了一定的探究能力和合作意识，但还缺乏独立设计活动方案、自主进行探究的实践经验，因此，需要在教师的指导下完成本次项目设计活动。

3.1.2 跨学科知识地图分析

本主题设计是以系统的有机化学知识为主导，同时兼顾其他相关学科知识的跨学科整合。涉及知识点如表1：

3.1.3 教学目标分析

“柠檬精油的提取工艺”的主题设计旨在让学生将所学的科学知识和科学方法运用到具体的化学工艺设计中，培养学生的化学工程思维和实际问题解决能力。因此，应根据学生的认知特点对教学中学生需了解或掌握的跨学科知识内容、实验操作技能、工程设计方法以及在此过程中学生情感体验的变化进行分析，制订出本次教学应达到的目标。具体教学目标如下：

（1） 了解柠檬精油的熔、沸点，密度，状态以及溶解性等物理性质；巩固烯烃、醇、醛、酸、酯等重要有机物的基本性质以及过滤、蒸馏、萃取、分液等重要实验操作；

（2） 掌握柠檬精油提取率的计算，熟悉通过建立坐标图分析不同变量之间的关系；

（3） 通过小组协作的方式设计实验方案，真实体验整个科学探究的过程，熟悉常用的物质制备方法、控制变量法以及在探究中收集、整理和分析数据的方法；

（4） 通过生活化、趣味化的精油提取实验，激发学习兴趣，理解科学与生活的联系，培养对科学的积极态度。

3.2 工程项目设计

在科—工整合教学模式中，工程项目设计是整个学习活动的主体[9]。一个优质的项目设计能在适合学生认知特点的基础上更好地融合跨学科知识和工程实践，以促进学生思维的发展与能力的增强[10]。具体包含问题链的设计、学习活动的设计、成果展示、反思与评价的设计以及相应的支架设计。

3.2.1 问题链的设计

项目设计的首要环节就是问题链的设计。教学中的“问题链”是指： 根据教学目标和教学内容，结合学生已有知识经验，将教材知识转换成具有一定系统性、层次性、相对独立而又相互关联的系列问题[11]。在教学实践中设计结构良好的“问题链”，对学生学法的形成有较强的导向作用。在进行问题链的设计时应注意真实问题情境的引入和不同问题间梯度的设置。具体操作模式为： 产生问题情境1→分析情境提出问题1→引导学生分析问题1→讨论找到方法解决问题1→产生问题情境2→分析情境提出问题2……构建问题框架，总结教学内容。本案例中的问题设计如表2：

3.2.2 学习活动设计

有效的工程项目设计，必须以有效的学习活动为中介衔接不同学科知识，以促进知识的内化，真正提高学生的学习效率。“柠檬精油的提取工艺”专题的教学主要包含柠檬精油成分的猜测和验证；设计实验探究料液比、浸泡时间、浸泡温度对精油提取率的影响效应；利用正交试验确定精油提取的最佳工艺参数以及在最优实验条件下制得精油成品等系列活动。具体过程如下：

[情境引入]柠檬（Citrus lemon）又称柠果、洋柠檬、益母果等，芸香科柑橘属植物，在我国主要产于长江以南。柠檬枝、叶、花、果均含有特殊芳香油[12]——柠檬精油。柠檬精油是生产食品、香精香料以及化妆品等日常生活用品的优质原料，其有促进血液循环，增强免疫系统功能以及缓解头痛和偏头痛的作用[13]。目前，精油的提取和分离技术主要有蒸馏法、溶剂提取法、压榨法、吸收法、酶提取法、微波萃取法等[14]。基于STEM课程理念和高中有机化学学习的特点，我们选择采用溶剂提取法来进行“柠檬精油的提取”，这样既贴近生活实际，有一定的实用价值，又蕴含着丰富的化学知识和其他学科的相关知识，而且在实际操作过程中能锻炼动手能力和小组合作能力。

3.2.3 学习支架设计

学生在进行项目设计活动过程中，不同学生所采用的方法路径不同、遇到的困难也不同。因此，在活动中教师既需要保持对整个项目的控制、管理、帮助和指导，又需针对不同学生的最近发展区给予及时的反馈和帮助，以促进学生的有意义学习[15]。本次教学中除了提供情境型支架、问题型支架以外，还设置了信息型支架、知识型支架，通过引出问题→引发思考→提供资源→协助探究的方式来引导学生更好地完成项目活动。

如： 学习工具和资源准备： 市购新鲜柠檬、正己烷、蒸馏水；榨汁机、过滤装置（漏斗、烧杯、玻璃棒）、蒸馏装置（烧瓶、电热套、冷凝管、温度计、锥形瓶）；

提取工艺流程： 新鲜柠檬→清洗取皮→粉碎→浸泡→过滤→蒸馏→柠檬精油成品。

3.2.4 成果展示及学习评价设计

[成果展示]科—工整合教学是以工程项目或任务整合跨学科知识内容为手段来促进学生的有意义学习，因此在完成项目活动后会得到一定的实践成果，通过成果展示可以满足学生的学习成就感，增强学习动机。本次教学中学生将在教师的引导下建立起料液比—提取率、浸泡温度—提取率、浸泡时间—提取率的坐标图（见图2～图4），通过小组讨论的方式分析图中不同变量与提取率之间的关系，找出每个因素的最佳变化范圍；再通过正交试验确定优化后的最佳工艺条件，最终得柠檬精油成品，并进行小组间的成果展示。在此过程中，教师以资料卡的方式呈现已有相关研究，引导学生对本组以及其他小组的成果进行讨论、交流。

结合教学目标、活动过程以及最终学习成果，通过自我评价—小组评价—教师评价的多元评价方式，从态度、兴趣、参与程度、任务完成情况以及最终的作品展示等多个维度来对学生的创新意识和问题解决能力进行评价，从而了解教学中存在问题和阶段性的教学成果，及时对教学方案进行修改、完善；最后对项目活动中涉及到的不同学科的知识进行梳理，形成以真实问题为核心的知识网络结构（见表3、表4）。

3.3 项目的改进与优化

“柠檬精油的提取工艺”主题项目设计活动实施之后，需要对各组在方案设计过程中的表现及技术方案的合理性进行评估，针对项目设计中出现的问题进行改进，从整体上对项目进行系统优化。如在学习活动的设计及实施环节，由于学生缺乏独立设计活动方案、自主进行探究的实践经验，因此在实验设计、数据收集及分析、小组分工等方面容易出现偏差，此时可通过调节资料卡的内容来提供适当的信息支持，并记录不同环节小组成员的表现，针对不同小组的实际情况进行分析，在此基础上对本组实验进行改进和优化。

3.4 教师评价与总结

本次教学主要是以教师引导下的学生活动——“精油的提取工艺”为主，教师通过问题链和教学支架的设置来引导学生自主探究，将所学有机化学及其他相关学科的知识融入到具体的工程实践中，改善传统的以教材为中心的教学方式，增强学生的科学实践能力。在课程实施之后，教师应以课前制定的教学目标为参照，对教学过程中存在的问题、学生的课堂表现以及实际所达到的教学效果进行反思，如所设置的问题是否符合学生的认知特点、怎样才能结合学生兴趣进行更好的课堂引导？学生通过本次实践学到了什么，是否加深了对科学的理解？通过对本节课的亮点与不足进行客观评价与反思，做好教学总结。

4 结论与启示

STEM教育作为一种全新的、跨学科式学习模式，在我国的发展尚处于起步阶段。目前，国内的相关研究还停留在STEM教育的概念辨析，国外模式借鉴以及课程研究等理论层面[16]，还未形成成熟的、适合我国基础教育发展的本土化教育及实践模式。对于在将来有志于从事化学工程类工作的学生而言，如何通过设计工程方案，体验真实的化学工艺过程，以培养学生的化学工程思维和实际问题解决能力显得尤为重要。本研究以《有机化学基础》课程为载体，以“柠檬精油的提取工艺”为教学主题进行了基于科—工整合教学的设计与分析，主要包括教学分析、基于问题的工程项目设计、项目的改进与优化以及教学评价与总结四方面内容，旨在通过相应的工程实践活动帮助学生巩固、深化所学知识，培养学生的创新精神和实际问题解决能力。

在以工程问题为导向的跨学科整合项目设计中还存在着一些挑战： 一是如何兼顾学生的认知特点和学科的知识特点寻找难度恰当、能引起学生探索欲望的项目设计任务或亟待解决的问题；二是如何设计支架以更好地引导学生挖掘问题或项目中蕴含的跨学科知识素材和解决问题的思路方法；三是如何设计有效的评价体系，进行科学而全面的评估。

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