基于STEM理念的項(xiàng)目活動(dòng)設(shè)計(jì)

黑曉霞 吳曉紅

摘要：本研究從生活情境“手工皂”出發(fā)，依據(jù)“皂化反應(yīng)”的科學(xué)原理，結(jié)合工程、技術(shù)、數(shù)學(xué)、美術(shù)等跨學(xué)科知識(shí)，將STEM理念應(yīng)用于實(shí)際課堂，為學(xué)生提供體驗(yàn)整合性STEM問題解決的過程與機(jī)會(huì)，同時(shí)為一線教師將STEM理念與實(shí)際化學(xué)教學(xué)相結(jié)合提供了教學(xué)案例。

關(guān)鍵詞：STEM理念；項(xiàng)目活動(dòng)；手工皂；研制與優(yōu)化

文章編號(hào)：1008-0546（2021）11-0028-04中圖分類號(hào)：G632.41文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

doi：10.3969/j.issn.1008-0546.2021.11.007

一、STEM項(xiàng)目活動(dòng)的問題提出

STEM是科學(xué)（Science）、技術(shù)（Technology）、工程（Engineering）、數(shù)學(xué)（Mathetics）四門學(xué)科的簡(jiǎn)稱，強(qiáng)調(diào)多學(xué)科的交叉融合，將四門學(xué)科內(nèi)容組合形成有機(jī)整體[1]。將STEM和基于項(xiàng)目的學(xué)習(xí)（Project-based learning：PBL）模式相結(jié)合，是進(jìn)行跨學(xué)科整合的一種基本取向，它是以PBL的基本要素為框架整合STEM內(nèi)容，利用科學(xué)、數(shù)學(xué)知識(shí)和技術(shù)手段，通過工程設(shè)計(jì)活動(dòng)解決工程問題的學(xué)習(xí)過程[2]。通過STEM教育旨在加強(qiáng)STEM領(lǐng)域（科學(xué)、技術(shù)、工程、數(shù)學(xué)）人才的培養(yǎng)與儲(chǔ)備，著重培養(yǎng)學(xué)生的動(dòng)手實(shí)踐能力、復(fù)合思維和創(chuàng)新思維以及倡導(dǎo)問題解決驅(qū)動(dòng)的跨學(xué)科教育模式[3]。

新課程標(biāo)準(zhǔn)[4]在“選修課程·主題3：化工生產(chǎn)過程模擬實(shí)驗(yàn)”中提出“選擇真實(shí)的化工生產(chǎn)過程為研究對(duì)象，借助相關(guān)資料對(duì)化工生產(chǎn)原理、流程進(jìn)行復(fù)原和模擬”的內(nèi)容，這一內(nèi)容涉及到工程設(shè)計(jì)，可以結(jié)合技術(shù)、科學(xué)、數(shù)學(xué)等跨學(xué)科知識(shí)設(shè)計(jì)STEM項(xiàng)目活動(dòng)。但對(duì)于化學(xué)一線教師來說，如何基于高中課程要求和學(xué)生已有的化學(xué)知識(shí)結(jié)構(gòu)，將STEM教育理念與實(shí)際化學(xué)教學(xué)結(jié)合起來開發(fā)出跨學(xué)科的化學(xué)創(chuàng)新活動(dòng)案例是一個(gè)富有挑戰(zhàn)性的研究課題。

二、STEM項(xiàng)目活動(dòng)的設(shè)計(jì)思路

1.STEM項(xiàng)目選題

手工皂是較為常用的生活用品?！笆止ぴ淼难兄婆c開發(fā)”化學(xué)項(xiàng)目活動(dòng)的選題源于人教版選修5《有機(jī)化學(xué)基礎(chǔ)》[5]第77頁“實(shí)踐活動(dòng)”，課本具體要求是“根據(jù)工業(yè)上的工藝過程，查閱相關(guān)資料，利用家中的動(dòng)物油或植物油及食用堿制取肥皂”。手工皂的制備涉及STEM跨學(xué)科知識(shí)（具體如表1），學(xué)生在高一必修二中已學(xué)習(xí)了油脂的組成和結(jié)構(gòu)、油脂的水解反應(yīng)，對(duì)油脂有了初步的認(rèn)識(shí)，現(xiàn)在利用科學(xué)、數(shù)學(xué)知識(shí)和技術(shù)手段，可以通過工程設(shè)計(jì)活動(dòng)解決手工皂的制備工程問題。

2.STEM項(xiàng)目目標(biāo)

（1）科學(xué)（S）：能說出手工皂的主要成分及用途、各種芳香油的用途；能理解手工皂制備的科學(xué)原理，并書寫其化學(xué)方程式；能鞏固有關(guān)化學(xué)實(shí)驗(yàn)的基本技能。

（2）技術(shù)（T）：能運(yùn)用現(xiàn)代信息技術(shù)對(duì)手工皂涉及的問題及知識(shí)進(jìn)行搜索、歸納、整理。

（3）工程（E）：能在合作中得出基本探究方案，并通過實(shí)驗(yàn)探究，結(jié)合壓力、濕度等物理知識(shí)使皂類成型；能分析成品優(yōu)缺點(diǎn)，并對(duì)手工皂的工藝進(jìn)行優(yōu)化和改良；能結(jié)合美術(shù)設(shè)計(jì)原理實(shí)現(xiàn)對(duì)皂類產(chǎn)品外觀進(jìn)行設(shè)計(jì)。

（4）數(shù)學(xué)（M）：能正確運(yùn)用數(shù)學(xué)表達(dá)式，進(jìn)行硬度、堿量、水量等相關(guān)的數(shù)學(xué)計(jì)算；能通過數(shù)據(jù)分析不斷調(diào)整和優(yōu)化實(shí)驗(yàn)方案。

3.STEM項(xiàng)目設(shè)計(jì)思路

本項(xiàng)目活動(dòng)基于STEM理念，依據(jù)“皂化反應(yīng)”的科學(xué)原理展開，從生活情境出發(fā)，提出STEM項(xiàng)目工程問題，并進(jìn)行相關(guān)工程的設(shè)計(jì)，在項(xiàng)目活動(dòng)中滲透科學(xué)、技術(shù)、工程、數(shù)學(xué)等思想，具體思路如圖1所示。

三、STEM項(xiàng)目活動(dòng)的實(shí)施過程

1.情境引入：認(rèn)識(shí)手工皂

【展示】各種手工皂的圖片

【問題情境】市面上銷售的潔面產(chǎn)品多種多樣，手工皂以其精美的包裝，豐富、細(xì)膩的泡沫，多種多樣的功效迅速得到很多人的青睞。手工皂的種類有哪些？具體用途是否一樣？手工皂都經(jīng)歷了哪些發(fā)展？

【學(xué)生】以小組為單位，小組通過查閱書本資料、網(wǎng)上檢索等方式，了解手工皂的用途、手工皂的種類、手工皂的發(fā)展歷程。

【教師】假設(shè)你要開一家手工皂廠，對(duì)于手工皂的研制與開發(fā)，你認(rèn)為應(yīng)從哪幾個(gè)方面著手展開？具體內(nèi)容如何？

【學(xué)生】以小組為單位，分組討論，明確開展“手工皂的研制與開發(fā)”項(xiàng)目活動(dòng)需解決的問題。首先必須知道研制手工皂的相關(guān)知識(shí)，然后制定制備手工皂方案，并進(jìn)行實(shí)驗(yàn)探究，初步制出手工皂，最后針對(duì)客戶需求對(duì)手工皂進(jìn)行優(yōu)化與改進(jìn)。

設(shè)計(jì)意圖：從生活具體實(shí)物出發(fā)，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，引起學(xué)生的思考，體現(xiàn)了STEM教育的情境性。通過情境問題引出STEM項(xiàng)目工程問題，引導(dǎo)學(xué)生站在全局觀念角度考慮工程問題，體現(xiàn)工程思想。

2.理解原理：手工皂的制備原理

【教師】關(guān)于手工皂的制備原理，提出驅(qū)動(dòng)性問題：手工皂的主要成分是什么？手工皂的制備原理是什么？如何來制備皂類產(chǎn)品？

【學(xué)生】油脂在堿性溶液（多采用氫氧化鈉或氫氧化鉀）中水解，生成甘油和高級(jí)脂肪酸鈉（或鉀）鹽的反應(yīng)。該反應(yīng)稱之為皂化反應(yīng)，反應(yīng)所得的皂液（高級(jí)脂肪酸鹽）經(jīng)鹽析、洗滌、干燥成型后稱為皂基，再繼續(xù)加工成為不同形狀和不同功能的肥皂。

設(shè)計(jì)意圖：通過驅(qū)動(dòng)性問題引導(dǎo)學(xué)生學(xué)習(xí)STEM項(xiàng)目活動(dòng)中的科學(xué)知識(shí)——皂化反應(yīng)的原理，促進(jìn)學(xué)生化學(xué)知識(shí)的學(xué)習(xí)，為后續(xù)工程設(shè)計(jì)提供知識(shí)基礎(chǔ)。

3.實(shí)施工程：設(shè)計(jì)、制備手工皂

（1）準(zhǔn)備：完成手工皂制備問題清單

【教師】油脂與堿反應(yīng)能夠生成高級(jí)脂肪酸鹽，那在設(shè)計(jì)制備手工皂方案之前先要解決哪些問題呢？請(qǐng)大家列出問題清單，并通過書本資料、網(wǎng)上檢索解決問題。

【學(xué)生】查閱資料，解決手工皂制備過程中可能出現(xiàn)的問題，完成手工皂制備問題清單（見表2）。

設(shè)計(jì)意圖：學(xué)生自己提出制備手工皂的過程中需要解決的問題，通過書本、現(xiàn)代信息技術(shù)搜索、歸納、整理，形成問題解決的方案，促使學(xué)生更進(jìn)一步明確項(xiàng)目工程所達(dá)到的目標(biāo)和解決工程設(shè)計(jì)的思路。這其中滲透了技術(shù)思想，同時(shí)也使學(xué)生明白解決項(xiàng)目工程問題是解決工程設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)的第一步。

（2）配方：計(jì)算酯堿用量、水量、硬度

【教師】油脂的選擇很重要，直接影響手工皂會(huì)不會(huì)成型。今天我們準(zhǔn)備制油脂質(zhì)量為250g的手工皂，請(qǐng)大家依據(jù)提供的皂化值計(jì)算自己選定的配方所需的堿量和水量？水的質(zhì)量一般為氫氧化鈉質(zhì)量的2.33-2.35倍，判斷你選定的配方硬度是否合適？

【資料】常見油脂的皂化值和硬度值見表3

【學(xué)生】堿量：制備油脂質(zhì)量為250g的手工皂（花生油）平均硬度值=99，所需NaOH的質(zhì)量=250×0.136= 34.0g，水的質(zhì)量約為80g。

設(shè)計(jì)意圖：明確油脂選擇的重要性，使學(xué)生通過硬度值會(huì)判斷所選原料是否合適，根據(jù)皂化值會(huì)計(jì)算配方酯堿比例、水量，同時(shí)進(jìn)一步在項(xiàng)目工程中滲透數(shù)學(xué)思想。

（3）研制：制作手工皂

【教師】請(qǐng)同學(xué)們?cè)O(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案，討論實(shí)驗(yàn)方案是否可行，利用生活中的油酯進(jìn)行實(shí)驗(yàn)制備手工皂。

【學(xué)生】查閱資料設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案，并利用控制變量法進(jìn)行多次試驗(yàn)，確定最終的制備手工皂的方案，依據(jù)實(shí)驗(yàn)方案進(jìn)行手工皂的制作。

設(shè)計(jì)意圖：學(xué)生結(jié)合資料自主設(shè)計(jì)、試驗(yàn)并確定最終方案，培養(yǎng)學(xué)生的自主探究能力和協(xié)作能力。實(shí)驗(yàn)探究過程中學(xué)生學(xué)會(huì)記錄數(shù)據(jù)，通過數(shù)據(jù)不斷調(diào)整和優(yōu)化實(shí)驗(yàn)方案，滲透了數(shù)學(xué)思想，體會(huì)到工程設(shè)計(jì)的迭代性。

（4）測(cè)試：手工皂效果

【教師】從哪些角度來測(cè)試你制作的手工皂的效果的好與壞？請(qǐng)大家測(cè)試自己制作的手工皂的效果如何？

【學(xué)生】清潔力、保濕力、溫和程度、酸堿性等角度來判斷。自己制作的手工皂清潔力度還行，呈弱堿性，但洗完比較干燥，容易爆皮，滋潤(rùn)度比較差，起泡度一般。

設(shè)計(jì)意圖：通過測(cè)試學(xué)生制作的肥皂，發(fā)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)中存在的問題，進(jìn)一步優(yōu)化實(shí)驗(yàn)內(nèi)容以達(dá)到項(xiàng)目活動(dòng)目標(biāo)，同時(shí)學(xué)生自己體驗(yàn)一次化工生產(chǎn)工程的復(fù)雜性和實(shí)用性。

4.優(yōu)化工程：調(diào)整、優(yōu)化手工皂

【教師】大家制作的手工皂成品功效還可以，但與市場(chǎng)銷售的手工皂的差距還是比較大的，比如手工皂起泡度、硬度、滋潤(rùn)度等還需要再改進(jìn)。

【學(xué)生】通過查閱相關(guān)資料了解到，橄欖油、椰子油和棕櫚油是制造手工皂的代表油脂，一般制手工皂都是采用多種油按一定比例混合制備的，可以改良配方繼續(xù)制作手工皂。

【教師】手工皂的銷售量取決于消費(fèi)者的需求。作為手工皂廠商，你認(rèn)為應(yīng)該從哪些方面來吸引顧客的眼球？

【學(xué)生】一是產(chǎn)品設(shè)計(jì)要符合顧客需求：清潔力、保濕度強(qiáng)，性質(zhì)溫和、對(duì)皮膚刺激小，味道清香怡人，質(zhì)地細(xì)膩、無雜質(zhì)；二是手工皂造型設(shè)計(jì)要多樣新穎；三是外包裝設(shè)計(jì)要富有藝術(shù)氣息；四是宣傳設(shè)計(jì)，具有吸引性（見圖2）。

設(shè)計(jì)意圖：學(xué)生查資料并改良配方，認(rèn)識(shí)各種芳香油的作用，知道生物學(xué)科學(xué)知識(shí)。學(xué)生對(duì)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)，讓學(xué)生更深入地理解到工程學(xué)科知識(shí)，同時(shí)讓學(xué)生進(jìn)行角色模擬，設(shè)計(jì)建模，認(rèn)識(shí)工程與社會(huì)需求的關(guān)系，進(jìn)一步培養(yǎng)學(xué)生解決實(shí)際問題的能力。

5.評(píng)價(jià)工程：展示、評(píng)價(jià)手工皂

【教師】組織手工皂展示交流會(huì)。

【學(xué)生】各小組展示小組制作的手工皂，小組代表對(duì)自己的產(chǎn)品配方、產(chǎn)品造型、產(chǎn)品包裝、宣傳標(biāo)語進(jìn)行介紹，并選出最佳產(chǎn)品、最佳設(shè)計(jì)、最佳宣傳作品。

設(shè)計(jì)意圖：通過組織手工皂展示交流會(huì)，一方面鍛煉學(xué)生的表達(dá)能力，另一方面使學(xué)生獲得成就感，感受手工皂的美。

四、結(jié)語

“手工皂的研制與開發(fā)”項(xiàng)目活動(dòng)基于STEM理念，依據(jù)“皂化反應(yīng)”的科學(xué)原理，涵蓋了化學(xué)核心知識(shí)（如皂化原理、化學(xué)定量實(shí)驗(yàn)技能和定量思想）、跨學(xué)科知識(shí)（物理、生物、技術(shù)、藝術(shù)、數(shù)學(xué)等）、工程設(shè)計(jì)思想，可以很好地突出各學(xué)科知識(shí)，培養(yǎng)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，增強(qiáng)學(xué)生的STEM素養(yǎng)。

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