基于CDIO教育理念的STEAM活動設計

黃劍芳

摘要：開發STEAM課程是當前課程改革的重點方向之一。將STEAM跨學科的理念與現行高中化學課程結合，選擇碳的同素異形體C₆₀分子結構為項目，依據科學家發現C₆₀分子結構真實歷程設置技術及工程問題“C₆₀分子結構3D模型的制作與打印”，以工程教育CDIO理念設計主軸為“創設情境、提出問題、自主探究、合作交流、工程實施、總結反思、應用遷移”的學習模式，有效促進學生的化學學科核心素養的發展。

關鍵詞：STEAM教育;CDIO理念;C₆₀分子結構;3D打印;化學學科核心素養

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

doi：10.3969/j.issn.1008-0546.2020.06.015

STEAM是由科學（Science）、技術（7echnology）、工程（Engineering）、藝術（Art）和數學（Mathematics）五個詞的英文首字母構成的。STEAM教育倡導融合多學科知識解決實際問題，以適應不斷更新的專業知識和快速發展的社會生活帶來的挑戰，因此，STEAM教育理念完全符合化學新課標中的要求：“注重學科內容選擇、活動設計與學生發展核心素養養成的有機聯系。關注學科間的聯系與整合。增強課程內容與社會生活的內在聯系”。故在化學教育中精心選擇素材，開發融入STEAM教育理念的課程，通過跨學科知識與技能的整合活動解決問題，深層次激發學生的求知欲，完全有助于化學學科核心素養的形成。

一、STEAM教育

STEAM教育源自美國，是美國出于對21世紀國際高科技人才競爭的憂慮而發起的，其核心是倡導學生以多學科整合的方式認識世界，培養綜合創新解決問題的能力，突出個體具備社會情感與責任感的重要性，最終達到提升學生綜合素養的目標。

STEAM教育進入中國后廣受歡迎，尤其是與信息技術結合衍生出系列如“創客空間”“CAST教育”等新的教育模式，有效地培養學生的科技信息意識與創新意識。盡管國內多所一流中學開設STEAM教育課程，但課程內容多數來自國外或大學或培訓機構等，且課程內容多偏重機器人或編程等與信息技術結合緊密的項目，完全由自己開發、符合學校自身特點和學科特點的精品STEAM課程還不多，與經濟快速發展對復合型人才的需求不匹配，所以加快開發、開設融入了學校自己教育哲學思想的STEAM課程不僅有助于更好地實現學校教育的目標，也有助于彌補各學科國家課程的不足，使學校課程的整體結構更加豐富和完善。這對學生的個性發展，教師專業水平和能力的不斷提高無疑有極大促進作用。

二、CDIO教育理念

CDIO代表構思（Conceive）、設計（Design）、實現（Implement）和操作（Operate），是國內外有關STEAM教學過程和模式之一，CDIO理念下的STEAM教學強調工程設計，一般包括識別問題和制約因素、調查研究、形成概念、分析觀點、建立模型、測試和優化、溝通和反思等過程，但其過程和目標都離不開思維的參與，即STEAM教學的本質是師生的思維活動，STEAM教學過程要引發學生積極思維。結合“C₆₀分子結構3D模型的制作與打印”活動實際特點，確定的基本教學操作流程為：創設情境、提出問題、自主探究、合作交流、工程實施、總結反思、應用遷移等。

三、基于CDIO教育理念的“C₆₀分子結構3D模型的制作與打印"STEAM活動設計

1.活動選題

C₆₀分子即富勒烯，也叫足球烯，是由60個碳原子構成的分子，空間構型為三十二面體，由12個五邊形和20個六邊形封閉而成，如圖1所示，1985年由英國H.W.Kroto、美國R.F.Curl和R.E.Smalley等科學家發現。鑒于C₆₀分子發現里程碑的意義，H.W.Kroto、R.F.Curl和R.E.Smalley榮獲1996年諾貝爾化學獎，瑞典皇家科學院的新聞公報稱此項發現“開辟了化學研究的新領域，對宇宙化學、超導、材料化學和材料物理的研究具有重大意義。”

在現行的各個版本的高中化學課本中，或多或少都有介紹C₆₀分子，但都是常識性的簡介，缺乏深度與系統性，實際上C₆₀分子的發現涉及多學科的整合，具有極好的STEAM教育價值，如果淺嘗即止，白白浪費優質的教學素材。

2.活動目標

在數學層面上，一方面通過歐拉定理推知，如果不引進五邊形，只有六邊形是不可能構造出封閉的幾何體，即只用石墨的平面六邊形無法封閉出一個60個原子的多面體;另一方面，通過多面體的轉變，對正二十面體切去十二個頂點轉變為三十二面體，即可得到C₆₀分子的空間構型，一個由20個六邊形和12個五邊形形成的三十二面體，如圖2所示。由此深刻認識到STEAM教育中數學的核心地位，通過數學的應用提升學生數學邏輯分析、解決問題的能力。

在科學（知識）層面上，以化學學科的“物質結構與性質”為主體知識。通過碳原子的成鍵特點，分析C₆₀分子中碳碳單鍵和雙鍵的數目及空間構型的對稱性，預測C₆₀可能的化學性質和物理性質，促進學生對“結構決定性質”的進一步認識。利用結構分析的“均攤法”分析C₆₀分子中原子個數、化學鍵數和空間構型中面體之間的關系，提高復雜分子結構的分析能力，提升知識的理解和運用能力。

在技術層面上，考慮到物質的空間結構比較抽象，采用常規的教學手段例如靠解說、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生的共鳴，而計算機對三維圖形處理能力高超，通過三維虛擬技術構造C₆₀分子結構模型，在相關瀏覽器的支持下可進行縮放、旋轉、平移、增添或刪除原子及觸動預先設置的動畫等操作，強大的交互功能可使物質結構教學面貌煥然一新，取得事半功倍的良好教學效果。本節課學生通過3DS MAX軟件用數學方法快速（約5分鐘）構建C₆₀分子結構，并輸出為三維虛擬格式，如圖3所示，使學生充分感受數學與計算機技術整合的重要性，體驗到短時間構造出復雜分子的成就感，增強科學探索的信心和勇氣。

在工程問題層面上，本活動重點探討微觀結構與宏觀建筑之間的關系，實際上，克羅托等人之所以能勾畫出C₆₀的分子結構，美國建筑家富勒圓拱頂的建筑啟示起了關鍵性作用，因此他們一致建議將C₆₀命名為富勒烯。通過活動使學生認識到不能把家居、辦公建筑、橋梁等人造的宏觀結構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、原子這些微觀結構組成的，而分子本身就是高明的建筑設計大師，所以研究微觀結構有助于導出某些支配人造宏觀結構中的能量分布的基本關系：張力與壓縮的關系;反過來，人們也能從建筑中尋找到認識或構建未知分子微觀結構的靈感。

此外，通過3D打印技術打印出C₆₀分子結構模型，如圖4所示，并測試模型的結構強度，進一步體驗分子高超的建筑設計能力。

在藝術哲學層面上，以微觀結構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構成的“球中球”與鏤雕、苯的分子結構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年夏季奧運會主體育館“鳥巢”等案例，如圖5所示，思考為什么大自然創造的這些微觀結構與人類創作的宏觀建筑或工藝品有如此驚人的相似之處？因為人——也是大自然長期進化的產物！故宏觀藝術作品與微觀物質結構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結構的靈感和源泉，敬畏自然之心油然而生。

3.活動設計

依據活動目標，按照CDIO理念設計的“C₆₀分子結構3D模型的制作與打印”STEAM活動流程見表1。

四、討論

與傳統教學相比，STEAM教學整合多學科知識、利用靈活多變的教學方式解決現實問題，教與學的活動協同發展，師生的綜合素養得以提升。具體而言，STEAM教育在加強課程融合、創新教學方式、激發學生興趣、增強協作意識、提高藝術素養等方面相對于傳統課堂具有更大優勢。

在加強課程融合方面，本活動融合化學、數學、物理、計算機、哲學、藝術等多學科知識創造性解決C₆₀分子結構問題，學生真真切切感受到科學探究中多學科融合的重要性，有利于發展學生多學科知識與技能的整合能力，培養創造性的思維，成為對全球化社會具有適應能力的終身學習者。

在創新教學方式方面，STEAM倡導基于項目的教學、基于證據的教學以及基于工程的教學，其本質是學生主要經歷參與、探索、解釋、工程、深化、評價等六個過程，在過程中密切關注學生對真實情境的感知與洞察，激發思維，引導應用多學科知識與技能分析和解決問題，積極主動參與自主設計、自主學習，發展學生核心素養。

在激發學生學習興趣方面，本活動由教師引領學生回歸C₆₀實發現情境，以明確的項目和問題引導學生探究C₆₀分子，通過對比深刻體會到將科學、技術、數學、工程和藝術、尤其是數學知識整合在一起解決實際問題的重要性，最終用3D打印機將三維結構模型打印出來。這樣一個趣味性強、挑戰性強的問題無疑大大激發學生學習興趣，激發學生科學探索的潛能。

在增強協作意識方面，本活動以小組為單位用歐拉定律探討交流C₆₀分子結構形成原理及用3DS MAX軟件制作模型，小組成員既獨立思考操作，又相互探討啟迪，培養了學生團隊合作意識。

在提高哲學藝術素養方面，本活動從大自然創造的微觀結構與人類創作的宏觀建筑或工藝品的相似處人手，啟發學生認識到分子本身就是高明的建筑設計大師，而人，也是大自然長期進化的產物！故宏觀藝術作品與微觀物質結構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結構的靈感和源泉。活動中學生的情感得以升華，感悟到自然科學中美的真諦，激發了他們對美的追求，這對樹立正確的人生觀和價值觀，成為全面發展的高素質人才無疑具有重要意義。