基于STEM理念的“柑橘果皮精油的提取工藝”主題教學設計

魯麗萍

摘要 依據(jù)STEM教育理念，開展“柑橘果皮精油的提取工藝”的主題教學設計，通過設計精油提取的工程方案，體驗真實的精油工藝設計過程等系列活動，培養(yǎng)學生的工程思維和實際問題解決能力，為各科學學科開展STEM教育提供實踐參考。

關鍵詞 STEM教育 工程項目 柑橘果皮精油 提取工藝

中圖分類號G633. 91

文獻標志碼 B

STEM教育的核心理念是跨學科整合，旨在打破學科領域邊界，培養(yǎng)學生的創(chuàng)新意識和問題解決能力。下文以高中生物教材《選修1.生物技術實踐》為載體，以專題6“植物有效成分的提取”一節(jié)為例，進行主題教學設計，對STEM教育理念在高中生物教學中的應用進行了探索。

1 教學分析

“柑橘果皮精油的提取工藝”主題中以系統(tǒng)的有機化學知識學習和實驗操作訓練為主，同時涵蓋了數(shù)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(xiàn)科學理論知識與工程實踐的整合。

1.1 學習者分析

高中學生具有一定的有機化學基礎，對烷烴、烯烴、醇、醛、酸、酯等重要的有機物有一定的了解，掌握了過濾、蒸餾、萃取、分液等基本的化學實驗操作，已經(jīng)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(jīng)驗。因此，本次項目設計活動需要在教師的指導下完成。

1.2 跨學科知識及目標分析

“柑橘果皮精油的提取工藝”的主題設計旨在于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(yǎng)學生的工程思維和解決實際問題能力。生活化、趣味化的精油提取實驗可以激發(fā)學習興趣，使學生理解科學與生活的聯(lián)系，培養(yǎng)學生對科學的積極態(tài)度。

本主題設計是以系統(tǒng)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。本主題涉及知識點見表1。

2 工程項目設計

在STEM理念的教學模式中，工程項目設計是整個學習活動的主體。一個優(yōu)質的項目設計能在適合學生認知特點的基礎上，融合跨學科知識和工程實踐，以促進學生思維的發(fā)展與能力的提升。項目設計要包含：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。

2.1 問題鏈的設計

問題鏈的設計是項目設計的首要環(huán)節(jié)，即根據(jù)教學目標和教學內(nèi)容，結合學生已有知識經(jīng)驗，將教材知識轉換成具有一定系統(tǒng)性、層次性、相對獨立而又相互關聯(lián)的系列問題。問題鏈的質量直接影響教學的效果，基于真實問題情境且難度梯度不同的問題鏈有助于學生的學習。問題鏈的設計與實踐具體模式如下：產(chǎn)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(chǎn)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(nèi)容。本案例中的問題設計見表2。

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(nèi)化，真正提高學生的學習效率?！案涕俟ぞ偷奶崛」に嚒睂ｎ}的教學主要包含柑橘果皮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;利用試驗確定精油提取的最佳工藝參數(shù)以及在最優(yōu)實驗條件下制得精油成品等系列活動?；赟TEM教育理念和高中有機化學學習的特點，教師選擇溶劑提取法來進行“柑橘果皮精油的提取”，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，使學生在實際操作過程中鍛煉動手能力和小組合作能力。

首先，教師情境，引入教學：柑橘是蕓香科柑橘亞科植物，是熱帶、亞熱帶常綠果樹，廣泛分布在我國。柑橘外果皮中富含柑橘精油，柑橘精油無色透明，具有獨特優(yōu)雅的橘香味，會使人產(chǎn)生一種新鮮、愉悅的爽快感，可以起到植物芳香療法的作用，同時，柑橘精油亦被廣泛用于飲料、果醬、糕點等加工食品及浴用劑、化妝品工業(yè)中，具有抗菌、消炎、美容保健、增強免疫系統(tǒng)功能以及緩解頭痛和偏頭痛的作用，是世界上應用最為廣泛的天然香精香料之一。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、酶提取法、萃取法等。

2.3 學習支架設計

在進行項目設計的過程中，不同學生所采用的方法路徑不同、遇到的困難也不同。在活動中，教師既需要保持對整個項目的控制和管理，又需針對不同學生的最近發(fā)展區(qū)給予及時的反饋、幫助和指導，以促進學生的有意義學習。本次教學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(fā)思考→提供資源→協(xié)助探究”的方式來引導學生更好地完成項目活動。教師需要完成學習工具和資源的準備：市購新鮮柑橘、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）;需要提供學生關于提取工藝流程的信息：新鮮柑橘→清洗取皮→粉碎→浸泡→過濾→蒸餾→柑橘果皮精油成品。

2.4 成果展示及學習評價設計

STEM教育要求以跨學科的工程項目或整合任務為手段來促進學生的有意義學習，因此在完成項目活動后，學生會得到一定的實踐成果。成果展示可以增強學生的學習成就感，提升學習動機。本教學中，學生依據(jù)自主構建的料液比一提取率、浸泡溫度一提取率、浸泡時間一提取率的坐標圖（圖2-圖4），通過小組討論，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，再通過試驗確定優(yōu)化后的最佳工藝條件，最終得柑橘果皮精油成品，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(xiàn)已有的相關研究，引導學生對本組以及其他小組的成果進行討論、交流。

在反思、評價與改進階段，教師結合教學目標、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（表3），從態(tài)度、興趣、參與程度、任務完成情況以及作品展示等多個維度來評價學生的創(chuàng)新意識和問題解決能力，從而了解教學中存在的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，教師引導學生對項目中涉及到的不同學科知識進行梳理，形成以真實問題為核心的知識網(wǎng)絡結構。

3 項目的改進與優(yōu)化

“柑橘果皮精油的提取工藝”主題項目設計活動實施之后，師生需要對各組在方案設計過程中的表現(xiàn)及技術方案的合理性進行評估，針對項目設計中出現(xiàn)的問題進行改進，從整體上對項目進行系統(tǒng)優(yōu)化。如在學習活動的設計及實施環(huán)節(jié)，由于學生缺乏獨立設計活動方案、自主進行探究的實踐經(jīng)驗，因此在小組分工、實驗設計、數(shù)據(jù)收集及分析等方面容易出現(xiàn)偏差。此時，教師可通過調(diào)節(jié)資料卡的內(nèi)容來提供適當?shù)男畔⒅С?，并記錄不同環(huán)節(jié)小組成員的表現(xiàn)，針對不同小組的實際情況進行分析，幫助學生對本組實驗進行改進和優(yōu)化。

本次教學主要是以教師引導下的學生活動為主，教師利用問題鏈和教學支架引導學生自主探究，將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，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(xiàn)以及實際所達到的教學效果進行反思：所設置的問題是否符合學生的認知特點？教師怎樣才能結合學生興趣，更好地進行課堂引導？學生通過本次實踐學到了什么，是否加深了對科學的理解？教師通過對本節(jié)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

對于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(yǎng)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“柑橘果皮精油的提取工藝”為教學主題，進行了基于多學科整合教學的分析與設計，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(yōu)化以及教學評價與總結四方面的內(nèi)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(yǎng)學生的創(chuàng)新精神和解決實際問題的能力。

STEM教育作為一種跨學科式學習模式，在我國的發(fā)展尚處于起步階段。目前，國內(nèi)的相關研究還未形成成熟的、適合我國基礎教育發(fā)展的本土化教育及實踐模式。在以工程問題為導向的跨學科整合項目設計中也還存在著一些挑戰(zhàn)：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;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;如何設計有效的評價體系，進行科學而全面的評估。

參考文獻：

[1]余勝泉，胡翔.STEM教育理念與跨學科整合模式[J]。開放教育研究，2015，21（4）：13-22.

[2]王會全，劉鑫，吳英祥，吳少華.李永裕柑橘果皮精油提取工藝及成分分析研究[J].食品研究與開發(fā)，2018，11（39）：92-98.

[3] 瞿新華.植物精油的提取與分離技術[J].安徽農(nóng)業(yè)科學，2007，（32）：194-198.

[4]李翔，萬萍，張崟.柑橘皮精油提取分離及成分測定[J].成都大學學報（自然科學版），2011，30（3）：212-213.