基于CDIO模式的STEAM教學活動設計

王小梅 嚴文法

摘要：STEAM教育作為一種全新、跨學科的學習理念，倡導問題解決驅動的跨學科教育，CDIO模式目的在于培養學生的工程能力，將CDIO模式STEAM教育相互融合，可以更好地發展學生的問題解決能力。以選修課程系列1主題3化工生產過程的模擬實驗“肥皂的制作”為例，探討了基于CDIO模式STEAM教學活動的設計，旨在發展學生解決實際問題能力，發展化學學科核心素養。

關鍵詞：STEAM教育;cDl0模式;化學學科核心素養;肥皂的制作

文章編號：1008-0546（2019）06-0011-04 中圖分類號：G633.8 文獻標識碼：B

doi：10.3969/j.issn.1008-0546.2019.06.003

STEAM教育是整合了科學、技術、工程、藝術和數學等學科理念的全新教育理念。將這五門學科內容有機整合，目的在于發展學生解決問題、實踐應用和團隊合作能力。CDIO工程教育模式簡稱CDIO模式，是由構思、設計、執行和運作構成，該模式目的在于培養學生的工程能力，工程能力包含個人的學術知識、學生的終生學習能力、團隊交流能力和大系統掌控能力。《普通高中化學課程標準（2017年版）》對高中化學課程也提出了新的要求，要求“高中學生能夠了解化學·技術·社會·環境之間的關系，指導學生在不同的學科背景下認識物質及其變化的規律，運用化學和不同學科知識解決實際問題，培養化學學科核心素養”。將CDIO模式與STEAM教育進行有機整合，應用于高中化學有關知識的教學設計中，可以更好地發展學生的問題解決能力，發展學生的核心素養。

一、STEAM教育

1980年，美國為提升國家競爭力和創新力提出了一項國家教學策略——將STEM理念應用到教育中。隨后費吉尼亞理工大學學者YaKman在2008年闡述了藝術與STEM教育的相互關系，認為藝術融合課程可以有效地提高學生的學習興趣，形成了STEAM的全新教育理念。STEAM教育在全球逐漸興起，對學校教育特別是K-12階段產生重要影響。STEAM教育的基本內涵主要是基于真實問題解決、學科整合和培養必需技能這三個方面，圍繞這幾個基本內涵開展STEAM活動。美國《新一代科學教育標準》圍繞《K-12科學教育框架：實踐、跨學科概念、核心概念》三大維度即工程實踐和科學、跨學科概念、核心概念，在科學以及工程、技術中均有體現，融合實踐與理論于一體，培養學生科學實踐能力，與STEAM教育理念相一致。STEAM教育在我國也受到了重視，2016年6月教育部印發了《教育信息化“十三五”規劃》，明確指出要鼓勵探索應用STEAM教育、創客教育等新教育模式于教學實踐中，2017年教育部發布的《義務教育小學科學課程標準》明確指出STEM的含義：STEM教育是提倡跨學科學習并且以項目學習和問題解決為主體的跨學科課程理念。

二、CDIO工程教育模式

2000年10月，由美國麻省理工學院和瑞典皇家工學院等工程院校共同發起了一個新型的CDIO工程教育模式，CDIO模式是基于真實產品的構思、設計、執行、運作過程的工程教育，目的是培養學生的工程能力。在構思過程中，教師提出項目要求，學生收集信息掌握專業知識的基本原理;在設計過程中，學生應根據原理主動分析項目的需求，通過查閱資料、技術資源等數據資源，對項目進行總體設計，老師主要分析這個項目的可行性;在實施過程中，學生在實驗室現場實施，包括全過程、硬件設備搭建、軟件調試、系統調試、程序優化等，培養學生的主動性;在運作過程中，教師應檢查項目質量，分析學生項目中出現的問題，確保項目實施的可靠性。CDIO模式主要特點有工程理念、重視綜合能力發展，這些特點對我國工程教育有良好的啟示和借鑒。正如前文所指出的，將工程教育中的CDIO模式與STEAM教育相結合，應用于高中化學有關知識的教學設計中，可以更好地發展學生的問題解決能力，發展學生的化學學科核心素養。

三、基于CDIO模式的“肥皂的制作"STEAM活動教學設計

1.內容分析

“肥皂的制作”選自《普通高中化學課程標準（2017年版）》選修課程系列主題3化工生產過程的模擬實驗。通過實驗模擬，學生可以了解皂化反應原理和掌握肥皂的制作技術。“肥皂的制作”還容納了技術、工程、數學和藝術等學科知識，能較好地實施跨學科整合。

2.學情分析

“肥皂的制作”主要適用于學生對有機化學基礎知識有一定的了解之后，并具有基本的化學實驗操作能力。但對如何進行實驗設計和實施過程中如何準確、客觀地進行實驗操作還較模糊，而且對工程思維不太了解，缺乏工程問題的解決能力，學生也不善于進行藝術形式的表達。因此還需要指導學生了解工程設計以及操作過程中的安全事項，引導學生通過藝術來表達自己的想象力。

3.跨學科知識分析

“肥皂的制作”涉及的主要知識是有機化學，也將其他學科知識有機整合。涉及的跨學科知識如表1：

4.教學目標分析

“肥皂的制取”主要是將學生掌握的知識和方法運用到實際化工生產模擬實驗中，發展學生動手能力和化學工程思維，有助于學生更深刻地認識化學對人類生活、生產的重要性。根據學生認知特點，制定了本次教學應該達到的目標，具體教學目標如下：

在科學層面上，以有機化學“油脂的性質”為主體知識，了解油脂的熔、沸點，密度，狀態以及溶解性等物理性質。通過肥皂的制作，促進學生對皂化反應進一步理解。基于反應原理進行實驗操作，提高學生的知識理解和應用。

在數學層面上，主要涉及到反應物油脂和堿的比例計算和皂化值的換算以及實驗結果分析。本次教學活動中，數學作為輔助工具，通過數學的運用發展學生數學能力。

在技術層面上，主要針對肥皂制作過程中，皂化、鹽析、洗滌等操作技術，判斷皂化反應是否完全技術，要求學生掌握這些技術的基本原理，完成這些技術的操作，發展學生的動手操作能力。

在工程層面上，學生通過化工制備肥皂流程，設計出實驗室制作肥皂的方案，通過小組合作，完成方案實施，最后優化設計方案，目的在于通過自己設計操作方案，了解工程設計的一般方法，發展學生的創造性思維。

在藝術層面上，學生設計肥皂模型、圖案等藝術，通過學生評比，選出最美設計，目的在于促進學生創造性思維的發展和鼓勵學生進行基于藝術的自我表達。

5.活動設計（表2）

四、討論

《普通高中化學課程標準（2017年版）》要求重視開展“素養為本”的教學，倡導真實問題情境的創設，以真實的化工生產過程為研究對象，通過模擬和復原來體驗化工生產流程，促進學生將化學知識運用到生活實踐中，發展化學學科核心素養。開設STEAM活動課程，需要全面把握STEAM課程思維發展的螺旋式上升結構，縱向緊緊圍繞學生的全面發展目標，橫向全面把握培養學生化學學科核心素養，為學生提生通過教師的創設情境和活動資料，構思肥皂制作的基本原理和所需知識。然后學生結合化工生產肥皂的工藝流程，設計出制作肥皂的大致流程。而不是教師直接給出肥皂的制作步驟，目的在于培養學生的知識遷移能力和創造能力。學生將自己的設計方案進行實施，優化設計方案，培養學生工程思維。最后進行肥皂的運作，清楚肥皂制作的環節和相關問題，能自己進行相關材料制作肥皂。在整個教學活動中，重視sTEAM的核心理念，體現學生的主體性，培養學生的創造性，制作出的每一塊肥皂都代表著學生獨特的設計思想。幫助學生更深刻地認識化學與其他學科的知識的相互融合，培養學生解決綜合實際問題的能力，發展學科核心素養和工程思維。