基于CDIO教育理念的STEAM活動設(shè)計(jì)

黃劍芳

摘要：開發(fā)STEAM課程是當(dāng)前課程改革的重點(diǎn)方向之一。將STEAM跨學(xué)科的理念與現(xiàn)行高中化學(xué)課程結(jié)合，選擇碳的同素異形體C₆₀分子結(jié)構(gòu)為項(xiàng)目，依據(jù)科學(xué)家發(fā)現(xiàn)C₆₀分子結(jié)構(gòu)真實(shí)歷程設(shè)置技術(shù)及工程問題“C₆₀分子結(jié)構(gòu)3D模型的制作與打印”，以工程教育CDIO理念設(shè)計(jì)主軸為“創(chuàng)設(shè)情境、提出問題、自主探究、合作交流、工程實(shí)施、總結(jié)反思、應(yīng)用遷移”的學(xué)習(xí)模式，有效促進(jìn)學(xué)生的化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)的發(fā)展。

關(guān)鍵詞：STEAM教育;CDIO理念;C₆₀分子結(jié)構(gòu);3D打印;化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)

文章編號：1008-0546（2020）06-0055-05 中圖分類號：G632.41 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：B

doi：10.3969/j.issn.1008-0546.2020.06.015

STEAM是由科學(xué)（Science）、技術(shù)（7echnology）、工程（Engineering）、藝術(shù)（Art）和數(shù)學(xué)（Mathematics）五個(gè)詞的英文首字母構(gòu)成的。STEAM教育倡導(dǎo)融合多學(xué)科知識解決實(shí)際問題，以適應(yīng)不斷更新的專業(yè)知識和快速發(fā)展的社會生活帶來的挑戰(zhàn)，因此，STEAM教育理念完全符合化學(xué)新課標(biāo)中的要求：“注重學(xué)科內(nèi)容選擇、活動設(shè)計(jì)與學(xué)生發(fā)展核心素養(yǎng)養(yǎng)成的有機(jī)聯(lián)系。關(guān)注學(xué)科間的聯(lián)系與整合。增強(qiáng)課程內(nèi)容與社會生活的內(nèi)在聯(lián)系”。故在化學(xué)教育中精心選擇素材，開發(fā)融入STEAM教育理念的課程，通過跨學(xué)科知識與技能的整合活動解決問題，深層次激發(fā)學(xué)生的求知欲，完全有助于化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)的形成。

一、STEAM教育

STEAM教育源自美國，是美國出于對21世紀(jì)國際高科技人才競爭的憂慮而發(fā)起的，其核心是倡導(dǎo)學(xué)生以多學(xué)科整合的方式認(rèn)識世界，培養(yǎng)綜合創(chuàng)新解決問題的能力，突出個(gè)體具備社會情感與責(zé)任感的重要性，最終達(dá)到提升學(xué)生綜合素養(yǎng)的目標(biāo)。

STEAM教育進(jìn)入中國后廣受歡迎，尤其是與信息技術(shù)結(jié)合衍生出系列如“創(chuàng)客空間”“CAST教育”等新的教育模式，有效地培養(yǎng)學(xué)生的科技信息意識與創(chuàng)新意識。盡管國內(nèi)多所一流中學(xué)開設(shè)STEAM教育課程，但課程內(nèi)容多數(shù)來自國外或大學(xué)或培訓(xùn)機(jī)構(gòu)等，且課程內(nèi)容多偏重機(jī)器人或編程等與信息技術(shù)結(jié)合緊密的項(xiàng)目，完全由自己開發(fā)、符合學(xué)校自身特點(diǎn)和學(xué)科特點(diǎn)的精品STEAM課程還不多，與經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展對復(fù)合型人才的需求不匹配，所以加快開發(fā)、開設(shè)融入了學(xué)校自己教育哲學(xué)思想的STEAM課程不僅有助于更好地實(shí)現(xiàn)學(xué)校教育的目標(biāo)，也有助于彌補(bǔ)各學(xué)科國家課程的不足，使學(xué)校課程的整體結(jié)構(gòu)更加豐富和完善。這對學(xué)生的個(gè)性發(fā)展，教師專業(yè)水平和能力的不斷提高無疑有極大促進(jìn)作用。

二、CDIO教育理念

CDIO代表構(gòu)思（Conceive）、設(shè)計(jì)（Design）、實(shí)現(xiàn)（Implement）和操作（Operate），是國內(nèi)外有關(guān)STEAM教學(xué)過程和模式之一，CDIO理念下的STEAM教學(xué)強(qiáng)調(diào)工程設(shè)計(jì)，一般包括識別問題和制約因素、調(diào)查研究、形成概念、分析觀點(diǎn)、建立模型、測試和優(yōu)化、溝通和反思等過程，但其過程和目標(biāo)都離不開思維的參與，即STEAM教學(xué)的本質(zhì)是師生的思維活動，STEAM教學(xué)過程要引發(fā)學(xué)生積極思維。結(jié)合“C₆₀分子結(jié)構(gòu)3D模型的制作與打印”活動實(shí)際特點(diǎn)，確定的基本教學(xué)操作流程為：創(chuàng)設(shè)情境、提出問題、自主探究、合作交流、工程實(shí)施、總結(jié)反思、應(yīng)用遷移等。

三、基于CDIO教育理念的“C₆₀分子結(jié)構(gòu)3D模型的制作與打印"STEAM活動設(shè)計(jì)

1.活動選題

C₆₀分子即富勒烯，也叫足球烯，是由60個(gè)碳原子構(gòu)成的分子，空間構(gòu)型為三十二面體，由12個(gè)五邊形和20個(gè)六邊形封閉而成，如圖1所示，1985年由英國H.W.Kroto、美國R.F.Curl和R.E.Smalley等科學(xué)家發(fā)現(xiàn)。鑒于C₆₀分子發(fā)現(xiàn)里程碑的意義，H.W.Kroto、R.F.Curl和R.E.Smalley榮獲1996年諾貝爾化學(xué)獎，瑞典皇家科學(xué)院的新聞公報(bào)稱此項(xiàng)發(fā)現(xiàn)“開辟了化學(xué)研究的新領(lǐng)域，對宇宙化學(xué)、超導(dǎo)、材料化學(xué)和材料物理的研究具有重大意義?！?/p>

在現(xiàn)行的各個(gè)版本的高中化學(xué)課本中，或多或少都有介紹C₆₀分子，但都是常識性的簡介，缺乏深度與系統(tǒng)性，實(shí)際上C₆₀分子的發(fā)現(xiàn)涉及多學(xué)科的整合，具有極好的STEAM教育價(jià)值，如果淺嘗即止，白白浪費(fèi)優(yōu)質(zhì)的教學(xué)素材。

2.活動目標(biāo)

在數(shù)學(xué)層面上，一方面通過歐拉定理推知，如果不引進(jìn)五邊形，只有六邊形是不可能構(gòu)造出封閉的幾何體，即只用石墨的平面六邊形無法封閉出一個(gè)60個(gè)原子的多面體;另一方面，通過多面體的轉(zhuǎn)變，對正二十面體切去十二個(gè)頂點(diǎn)轉(zhuǎn)變?yōu)槿骟w，即可得到C₆₀分子的空間構(gòu)型，一個(gè)由20個(gè)六邊形和12個(gè)五邊形形成的三十二面體，如圖2所示。由此深刻認(rèn)識到STEAM教育中數(shù)學(xué)的核心地位，通過數(shù)學(xué)的應(yīng)用提升學(xué)生數(shù)學(xué)邏輯分析、解決問題的能力。

在科學(xué)（知識）層面上，以化學(xué)學(xué)科的“物質(zhì)結(jié)構(gòu)與性質(zhì)”為主體知識。通過碳原子的成鍵特點(diǎn)，分析C₆₀分子中碳碳單鍵和雙鍵的數(shù)目及空間構(gòu)型的對稱性，預(yù)測C₆₀可能的化學(xué)性質(zhì)和物理性質(zhì)，促進(jìn)學(xué)生對“結(jié)構(gòu)決定性質(zhì)”的進(jìn)一步認(rèn)識。利用結(jié)構(gòu)分析的“均攤法”分析C₆₀分子中原子個(gè)數(shù)、化學(xué)鍵數(shù)和空間構(gòu)型中面體之間的關(guān)系，提高復(fù)雜分子結(jié)構(gòu)的分析能力，提升知識的理解和運(yùn)用能力。

在技術(shù)層面上，考慮到物質(zhì)的空間結(jié)構(gòu)比較抽象，采用常規(guī)的教學(xué)手段例如靠解說、靠比劃、靠表格、靠掛圖、靠模型等手段無論如何也難以喚起學(xué)生的共鳴，而計(jì)算機(jī)對三維圖形處理能力高超，通過三維虛擬技術(shù)構(gòu)造C₆₀分子結(jié)構(gòu)模型，在相關(guān)瀏覽器的支持下可進(jìn)行縮放、旋轉(zhuǎn)、平移、增添或刪除原子及觸動預(yù)先設(shè)置的動畫等操作，強(qiáng)大的交互功能可使物質(zhì)結(jié)構(gòu)教學(xué)面貌煥然一新，取得事半功倍的良好教學(xué)效果。本節(jié)課學(xué)生通過3DS MAX軟件用數(shù)學(xué)方法快速（約5分鐘）構(gòu)建C₆₀分子結(jié)構(gòu)，并輸出為三維虛擬格式，如圖3所示，使學(xué)生充分感受數(shù)學(xué)與計(jì)算機(jī)技術(shù)整合的重要性，體驗(yàn)到短時(shí)間構(gòu)造出復(fù)雜分子的成就感，增強(qiáng)科學(xué)探索的信心和勇氣。

在工程問題層面上，本活動重點(diǎn)探討微觀結(jié)構(gòu)與宏觀建筑之間的關(guān)系，實(shí)際上，克羅托等人之所以能勾畫出C₆₀的分子結(jié)構(gòu)，美國建筑家富勒圓拱頂?shù)慕ㄖ⑹酒鹆岁P(guān)鍵性作用，因此他們一致建議將C₆₀命名為富勒烯。通過活動使學(xué)生認(rèn)識到不能把家居、辦公建筑、橋梁等人造的宏觀結(jié)構(gòu)僅僅看作是建筑材料的堆砌物，由于建筑材料本身就是由晶體、分子、原子這些微觀結(jié)構(gòu)組成的，而分子本身就是高明的建筑設(shè)計(jì)大師，所以研究微觀結(jié)構(gòu)有助于導(dǎo)出某些支配人造宏觀結(jié)構(gòu)中的能量分布的基本關(guān)系：張力與壓縮的關(guān)系;反過來，人們也能從建筑中尋找到認(rèn)識或構(gòu)建未知分子微觀結(jié)構(gòu)的靈感。

此外，通過3D打印技術(shù)打印出C₆₀分子結(jié)構(gòu)模型，如圖4所示，并測試模型的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，進(jìn)一步體驗(yàn)分子高超的建筑設(shè)計(jì)能力。

在藝術(shù)哲學(xué)層面上，以微觀結(jié)構(gòu)與宏觀建筑或手工藝品相似性為基線，對比分析C₆₀與富勒建筑、C₆₀球與Si₆₀構(gòu)成的“球中球”與鏤雕、苯的分子結(jié)構(gòu)與凱庫勒夢中飛舞的“火龍”“布基洋蔥”與星際塵埃、宋代的冰裂紋哥窯鼎與北京2008年夏季奧運(yùn)會主體育館“鳥巢”等案例，如圖5所示，思考為什么大自然創(chuàng)造的這些微觀結(jié)構(gòu)與人類創(chuàng)作的宏觀建筑或工藝品有如此驚人的相似之處？因?yàn)槿恕彩谴笞匀婚L期進(jìn)化的產(chǎn)物！故宏觀藝術(shù)作品與微觀物質(zhì)結(jié)構(gòu)留給我們的恐怕不僅僅是驚人的相似，更是我們探索微觀物質(zhì)結(jié)構(gòu)的靈感和源泉，敬畏自然之心油然而生。

3.活動設(shè)計(jì)

依據(jù)活動目標(biāo)，按照CDIO理念設(shè)計(jì)的“C₆₀分子結(jié)構(gòu)3D模型的制作與打印”STEAM活動流程見表1。

四、討論

與傳統(tǒng)教學(xué)相比，STEAM教學(xué)整合多學(xué)科知識、利用靈活多變的教學(xué)方式解決現(xiàn)實(shí)問題，教與學(xué)的活動協(xié)同發(fā)展，師生的綜合素養(yǎng)得以提升。具體而言，STEAM教育在加強(qiáng)課程融合、創(chuàng)新教學(xué)方式、激發(fā)學(xué)生興趣、增強(qiáng)協(xié)作意識、提高藝術(shù)素養(yǎng)等方面相對于傳統(tǒng)課堂具有更大優(yōu)勢。

在加強(qiáng)課程融合方面，本活動融合化學(xué)、數(shù)學(xué)、物理、計(jì)算機(jī)、哲學(xué)、藝術(shù)等多學(xué)科知識創(chuàng)造性解決C₆₀分子結(jié)構(gòu)問題，學(xué)生真真切切感受到科學(xué)探究中多學(xué)科融合的重要性，有利于發(fā)展學(xué)生多學(xué)科知識與技能的整合能力，培養(yǎng)創(chuàng)造性的思維，成為對全球化社會具有適應(yīng)能力的終身學(xué)習(xí)者。

在創(chuàng)新教學(xué)方式方面，STEAM倡導(dǎo)基于項(xiàng)目的教學(xué)、基于證據(jù)的教學(xué)以及基于工程的教學(xué)，其本質(zhì)是學(xué)生主要經(jīng)歷參與、探索、解釋、工程、深化、評價(jià)等六個(gè)過程，在過程中密切關(guān)注學(xué)生對真實(shí)情境的感知與洞察，激發(fā)思維，引導(dǎo)應(yīng)用多學(xué)科知識與技能分析和解決問題，積極主動參與自主設(shè)計(jì)、自主學(xué)習(xí)，發(fā)展學(xué)生核心素養(yǎng)。

在激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣方面，本活動由教師引領(lǐng)學(xué)生回歸C₆₀實(shí)發(fā)現(xiàn)情境，以明確的項(xiàng)目和問題引導(dǎo)學(xué)生探究C₆₀分子，通過對比深刻體會到將科學(xué)、技術(shù)、數(shù)學(xué)、工程和藝術(shù)、尤其是數(shù)學(xué)知識整合在一起解決實(shí)際問題的重要性，最終用3D打印機(jī)將三維結(jié)構(gòu)模型打印出來。這樣一個(gè)趣味性強(qiáng)、挑戰(zhàn)性強(qiáng)的問題無疑大大激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，激發(fā)學(xué)生科學(xué)探索的潛能。

在增強(qiáng)協(xié)作意識方面，本活動以小組為單位用歐拉定律探討交流C₆₀分子結(jié)構(gòu)形成原理及用3DS MAX軟件制作模型，小組成員既獨(dú)立思考操作，又相互探討啟迪，培養(yǎng)了學(xué)生團(tuán)隊(duì)合作意識。

在提高哲學(xué)藝術(shù)素養(yǎng)方面，本活動從大自然創(chuàng)造的微觀結(jié)構(gòu)與人類創(chuàng)作的宏觀建筑或工藝品的相似處人手，啟發(fā)學(xué)生認(rèn)識到分子本身就是高明的建筑設(shè)計(jì)大師，而人，也是大自然長期進(jìn)化的產(chǎn)物！故宏觀藝術(shù)作品與微觀物質(zhì)結(jié)構(gòu)留給我們的恐怕不僅僅是驚人的相似，更是我們探索微觀物質(zhì)結(jié)構(gòu)的靈感和源泉?；顒又袑W(xué)生的情感得以升華，感悟到自然科學(xué)中美的真諦，激發(fā)了他們對美的追求，這對樹立正確的人生觀和價(jià)值觀，成為全面發(fā)展的高素質(zhì)人才無疑具有重要意義。