基于CDIO模式的STEAM教学活动设计

王小梅 严文法

摘要：STEAM教育作为一种全新、跨学科的学习理念，倡导问题解决驱动的跨学科教育，CDIO模式目的在于培养学生的工程能力，将CDIO模式STEAM教育相互融合，可以更好地发展学生的问题解决能力。以选修课程系列1主题3化工生产过程的模拟实验“肥皂的制作”为例，探讨了基于CDIO模式STEAM教学活动的设计，旨在发展学生解决实际问题能力，发展化学学科核心素养。

关键词：STEAM教育;cDl0模式;化学学科核心素养;肥皂的制作

文章编号：1008-0546（2019）06-0011-04 中图分类号：G633.8 文献标识码：B

doi：10.3969/j.issn.1008-0546.2019.06.003

STEAM教育是整合了科学、技术、工程、艺术和数学等学科理念的全新教育理念。将这五门学科内容有机整合，目的在于发展学生解决问题、实践应用和团队合作能力。CDIO工程教育模式简称CDIO模式，是由构思、设计、执行和运作构成，该模式目的在于培养学生的工程能力，工程能力包含个人的学术知识、学生的终生学习能力、团队交流能力和大系统掌控能力。《普通高中化学课程标准（2017年版）》对高中化学课程也提出了新的要求，要求“高中学生能够了解化学·技术·社会·环境之间的关系，指导学生在不同的学科背景下认识物质及其变化的规律，运用化学和不同学科知识解决实际问题，培养化学学科核心素养”。将CDIO模式与STEAM教育进行有机整合，应用于高中化学有关知识的教学设计中，可以更好地发展学生的问题解决能力，发展学生的核心素养。

一、STEAM教育

1980年，美国为提升国家竞争力和创新力提出了一项国家教学策略——将STEM理念应用到教育中。随后费吉尼亚理工大学学者YaKman在2008年阐述了艺术与STEM教育的相互关系，认为艺术融合课程可以有效地提高学生的学习兴趣，形成了STEAM的全新教育理念。STEAM教育在全球逐渐兴起，对学校教育特别是K-12阶段产生重要影响。STEAM教育的基本内涵主要是基于真实问题解决、学科整合和培养必需技能这三个方面，围绕这几个基本内涵开展STEAM活动。美国《新一代科学教育标准》围绕《K-12科学教育框架：实践、跨学科概念、核心概念》三大维度即工程实践和科学、跨学科概念、核心概念，在科学以及工程、技术中均有体现，融合实践与理论于一体，培养学生科学实践能力，与STEAM教育理念相一致。STEAM教育在我国也受到了重视，2016年6月教育部印发了《教育信息化“十三五”规划》，明确指出要鼓励探索应用STEAM教育、创客教育等新教育模式于教学实践中，2017年教育部发布的《义务教育小学科学课程标准》明确指出STEM的含义：STEM教育是提倡跨学科学习并且以项目学习和问题解决为主体的跨学科课程理念。

二、CDIO工程教育模式

2000年10月，由美国麻省理工学院和瑞典皇家工学院等工程院校共同发起了一个新型的CDIO工程教育模式，CDIO模式是基于真实产品的构思、设计、执行、运作过程的工程教育，目的是培养学生的工程能力。在構思过程中，教师提出项目要求，学生收集信息掌握专业知识的基本原理;在设计过程中，学生应根据原理主动分析项目的需求，通过查阅资料、技术资源等数据资源，对项目进行总体设计，老师主要分析这个项目的可行性;在实施过程中，学生在实验室现场实施，包括全过程、硬件设备搭建、软件调试、系统调试、程序优化等，培养学生的主动性;在运作过程中，教师应检查项目质量，分析学生项目中出现的问题，确保项目实施的可靠性。CDIO模式主要特点有工程理念、重视综合能力发展，这些特点对我国工程教育有良好的启示和借鉴。正如前文所指出的，将工程教育中的CDIO模式与STEAM教育相结合，应用于高中化学有关知识的教学设计中，可以更好地发展学生的问题解决能力，发展学生的化学学科核心素养。

三、基于CDIO模式的“肥皂的制作"STEAM活动教学设计

1.内容分析

“肥皂的制作”选自《普通高中化学课程标准（2017年版）》选修课程系列主题3化工生产过程的模拟实验。通过实验模拟，学生可以了解皂化反应原理和掌握肥皂的制作技术。“肥皂的制作”还容纳了技术、工程、数学和艺术等学科知识，能较好地实施跨学科整合。

2.学情分析

“肥皂的制作”主要适用于学生对有机化学基础知识有一定的了解之后，并具有基本的化学实验操作能力。但对如何进行实验设计和实施过程中如何准确、客观地进行实验操作还较模糊，而且对工程思维不太了解，缺乏工程问题的解决能力，学生也不善于进行艺术形式的表达。因此还需要指导学生了解工程设计以及操作过程中的安全事项，引导学生通过艺术来表达自己的想象力。

3.跨学科知识分析

“肥皂的制作”涉及的主要知识是有机化学，也将其他学科知识有机整合。涉及的跨学科知识如表1：

4.教学目标分析

“肥皂的制取”主要是将学生掌握的知识和方法运用到实际化工生产模拟实验中，发展学生动手能力和化学工程思维，有助于学生更深刻地认识化学对人类生活、生产的重要性。根据学生认知特点，制定了本次教学应该达到的目标，具体教学目标如下：

在科学层面上，以有机化学“油脂的性质”为主体知识，了解油脂的熔、沸点，密度，状态以及溶解性等物理性质。通过肥皂的制作，促进学生对皂化反应进一步理解。基于反应原理进行实验操作，提高学生的知识理解和应用。

在数学层面上，主要涉及到反应物油脂和碱的比例计算和皂化值的换算以及实验结果分析。本次教学活动中，数学作为辅助工具，通过数学的运用发展学生数学能力。

在技术层面上，主要针对肥皂制作过程中，皂化、盐析、洗涤等操作技术，判断皂化反应是否完全技术，要求学生掌握这些技术的基本原理，完成这些技术的操作，发展学生的动手操作能力。

在工程层面上，学生通过化工制备肥皂流程，设计出实验室制作肥皂的方案，通过小组合作，完成方案实施，最后优化设计方案，目的在于通过自己设计操作方案，了解工程设计的一般方法，发展学生的创造性思维。

在艺术层面上，学生设计肥皂模型、图案等艺术，通过学生评比，选出最美设计，目的在于促进学生创造性思维的发展和鼓励学生进行基于艺术的自我表达。

5.活动设计（表2）

四、讨论

《普通高中化学课程标准（2017年版）》要求重视开展“素养为本”的教学，倡导真实问题情境的创设，以真实的化工生产过程为研究对象，通过模拟和复原来体验化工生产流程，促进学生将化学知识运用到生活实践中，发展化学学科核心素养。开设STEAM活动课程，需要全面把握STEAM课程思维发展的螺旋式上升结构，纵向紧紧围绕学生的全面发展目标，横向全面把握培养学生化学学科核心素养，为学生提生通过教师的创设情境和活动资料，构思肥皂制作的基本原理和所需知识。然后学生结合化工生产肥皂的工艺流程，设计出制作肥皂的大致流程。而不是教师直接给出肥皂的制作步骤，目的在于培养学生的知识迁移能力和创造能力。学生将自己的设计方案进行实施，优化设计方案，培养学生工程思维。最后进行肥皂的运作，清楚肥皂制作的环节和相关问题，能自己进行相关材料制作肥皂。在整个教学活动中，重视sTEAM的核心理念，体现学生的主体性，培养学生的创造性，制作出的每一块肥皂都代表着学生独特的设计思想。帮助学生更深刻地认识化学与其他学科的知识的相互融合，培养学生解决综合实际问题的能力，发展学科核心素养和工程思维。