基于STEM理念的“柑橘果皮精油的提取工藝”主題教學(xué)設(shè)計(jì)

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(xué)設(shè)計(jì)，通過設(shè)計(jì)精油提取的工程方案，體驗(yàn)真實(shí)的精油工藝設(shè)計(jì)過程等系列活動(dòng)，培養(yǎng)學(xué)生的工程思維和實(shí)際問題解決能力，為各科學(xué)學(xué)科開展STEM教育提供實(shí)踐參考。

關(guān)鍵詞 STEM教育 工程項(xiàng)目 柑橘果皮精油 提取工藝

中圖分類號(hào)G633. 91

文獻(xiàn)標(biāo)志碼 B

STEM教育的核心理念是跨學(xué)科整合，旨在打破學(xué)科領(lǐng)域邊界，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)和問題解決能力。下文以高中生物教材《選修1.生物技術(shù)實(shí)踐》為載體，以專題6“植物有效成分的提取”一節(jié)為例，進(jìn)行主題教學(xué)設(shè)計(jì)，對(duì)STEM教育理念在高中生物教學(xué)中的應(yīng)用進(jìn)行了探索。

1 教學(xué)分析

“柑橘果皮精油的提取工藝”主題中以系統(tǒng)的有機(jī)化學(xué)知識(shí)學(xué)習(xí)和實(shí)驗(yàn)操作訓(xùn)練為主，同時(shí)涵蓋了數(shù)學(xué)、生物、地球科學(xué)以及工程設(shè)計(jì)等多個(gè)學(xué)科的相關(guān)知識(shí)，可以很好地實(shí)現(xiàn)科學(xué)理論知識(shí)與工程實(shí)踐的整合。

1.1 學(xué)習(xí)者分析

高中學(xué)生具有一定的有機(jī)化學(xué)基礎(chǔ)，對(duì)烷烴、烯烴、醇、醛、酸、酯等重要的有機(jī)物有一定的了解，掌握了過濾、蒸餾、萃取、分液等基本的化學(xué)實(shí)驗(yàn)操作，已經(jīng)具備了一定的探究能力和合作意識(shí).但還缺乏獨(dú)立設(shè)計(jì)活動(dòng)方案、自主進(jìn)行探究的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。因此，本次項(xiàng)目設(shè)計(jì)活動(dòng)需要在教師的指導(dǎo)下完成。

1.2 跨學(xué)科知識(shí)及目標(biāo)分析

“柑橘果皮精油的提取工藝”的主題設(shè)計(jì)旨在于讓學(xué)生將所學(xué)的科學(xué)知識(shí)和科學(xué)方法運(yùn)用到具體的化學(xué)工藝設(shè)計(jì)中，培養(yǎng)學(xué)生的工程思維和解決實(shí)際問題能力。生活化、趣味化的精油提取實(shí)驗(yàn)可以激發(fā)學(xué)習(xí)興趣，使學(xué)生理解科學(xué)與生活的聯(lián)系，培養(yǎng)學(xué)生對(duì)科學(xué)的積極態(tài)度。

本主題設(shè)計(jì)是以系統(tǒng)的有機(jī)化學(xué)知識(shí)為主導(dǎo)，同時(shí)兼顧其他相關(guān)學(xué)科知識(shí)的跨學(xué)科整合。本主題涉及知識(shí)點(diǎn)見表1。

2 工程項(xiàng)目設(shè)計(jì)

在STEM理念的教學(xué)模式中，工程項(xiàng)目設(shè)計(jì)是整個(gè)學(xué)習(xí)活動(dòng)的主體。一個(gè)優(yōu)質(zhì)的項(xiàng)目設(shè)計(jì)能在適合學(xué)生認(rèn)知特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，融合跨學(xué)科知識(shí)和工程實(shí)踐，以促進(jìn)學(xué)生思維的發(fā)展與能力的提升。項(xiàng)目設(shè)計(jì)要包含：?jiǎn)栴}鏈的設(shè)計(jì)、學(xué)習(xí)活動(dòng)的設(shè)計(jì)、成果展示、反思與評(píng)價(jià)的設(shè)計(jì)以及相應(yīng)的支架設(shè)計(jì)。

2.1 問題鏈的設(shè)計(jì)

問題鏈的設(shè)計(jì)是項(xiàng)目設(shè)計(jì)的首要環(huán)節(jié)，即根據(jù)教學(xué)目標(biāo)和教學(xué)內(nèi)容，結(jié)合學(xué)生已有知識(shí)經(jīng)驗(yàn)，將教材知識(shí)轉(zhuǎn)換成具有一定系統(tǒng)性、層次性、相對(duì)獨(dú)立而又相互關(guān)聯(lián)的系列問題。問題鏈的質(zhì)量直接影響教學(xué)的效果，基于真實(shí)問題情境且難度梯度不同的問題鏈有助于學(xué)生的學(xué)習(xí)。問題鏈的設(shè)計(jì)與實(shí)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(dǎo)學(xué)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(gòu)建問題框架，總結(jié)教學(xué)內(nèi)容。本案例中的問題設(shè)計(jì)見表2。

2.2 學(xué)習(xí)活動(dòng)設(shè)計(jì)

有效的工程項(xiàng)目設(shè)計(jì)必須以有效的學(xué)習(xí)活動(dòng)為中介銜接不同學(xué)科知識(shí)，以促進(jìn)知識(shí)的內(nèi)化，真正提高學(xué)生的學(xué)習(xí)效率。“柑橘果皮精油的提取工藝”專題的教學(xué)主要包含柑橘果皮精油成分的猜測(cè)和驗(yàn)證;設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)探究料液比、浸泡時(shí)間、浸泡溫度對(duì)精油提取率的影響效應(yīng);利用試驗(yàn)確定精油提取的最佳工藝參數(shù)以及在最優(yōu)實(shí)驗(yàn)條件下制得精油成品等系列活動(dòng)。基于STEM教育理念和高中有機(jī)化學(xué)學(xué)習(xí)的特點(diǎn)，教師選擇溶劑提取法來進(jìn)行“柑橘果皮精油的提取”，既貼近生活實(shí)際，有一定的實(shí)用價(jià)值，又蘊(yùn)含著豐富的化學(xué)知識(shí)和其他學(xué)科的相關(guān)知識(shí)，使學(xué)生在實(shí)際操作過程中鍛煉動(dòng)手能力和小組合作能力。

首先，教師情境，引入教學(xué)：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(guó)。柑橘外果皮中富含柑橘精油，柑橘精油無色透明，具有獨(dú)特優(yōu)雅的橘香味，會(huì)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(shí)，柑橘精油亦被廣泛用于飲料、果醬、糕點(diǎn)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(qiáng)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(yīng)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(shù)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(xué)習(xí)支架設(shè)計(jì)

在進(jìn)行項(xiàng)目設(shè)計(jì)的過程中，不同學(xué)生所采用的方法路徑不同、遇到的困難也不同。在活動(dòng)中，教師既需要保持對(duì)整個(gè)項(xiàng)目的控制和管理，又需針對(duì)不同學(xué)生的最近發(fā)展區(qū)給予及時(shí)的反饋、幫助和指導(dǎo)，以促進(jìn)學(xué)生的有意義學(xué)習(xí)。本次教學(xué)除了提供情境型支架、問題型支架以外，還設(shè)置了信息型支架、知識(shí)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(dǎo)學(xué)生更好地完成項(xiàng)目活動(dòng)。教師需要完成學(xué)習(xí)工具和資源的準(zhǔn)備：市購(gòu)新鮮柑橘、正己烷、蒸餾水;榨汁機(jī)、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(jì)、錐形瓶）;需要提供學(xué)生關(guān)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(xué)習(xí)評(píng)價(jià)設(shè)計(jì)

STEM教育要求以跨學(xué)科的工程項(xiàng)目或整合任務(wù)為手段來促進(jìn)學(xué)生的有意義學(xué)習(xí)，因此在完成項(xiàng)目活動(dòng)后，學(xué)生會(huì)得到一定的實(shí)踐成果。成果展示可以增強(qiáng)學(xué)生的學(xué)習(xí)成就感，提升學(xué)習(xí)動(dòng)機(jī)。本教學(xué)中，學(xué)生依據(jù)自主構(gòu)建的料液比一提取率、浸泡溫度一提取率、浸泡時(shí)間一提取率的坐標(biāo)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(guān)系，找出每個(gè)因素的最佳變化范圍，再通過試驗(yàn)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(jìn)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(guān)研究，引導(dǎo)學(xué)生對(duì)本組以及其他小組的成果進(jìn)行討論、交流。

在反思、評(píng)價(jià)與改進(jìn)階段，教師結(jié)合教學(xué)目標(biāo)、活動(dòng)過程以及最終學(xué)習(xí)成果，通過自我評(píng)價(jià)、小組評(píng)價(jià)、教師評(píng)價(jià)的多元評(píng)價(jià)方式（表3），從態(tài)度、興趣、參與程度、任務(wù)完成情況以及作品展示等多個(gè)維度來評(píng)價(jià)學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)和問題解決能力，從而了解教學(xué)中存在的問題和階段性的教學(xué)成果，及時(shí)對(duì)教學(xué)方案進(jìn)行修改、完善。最后，教師引導(dǎo)學(xué)生對(duì)項(xiàng)目中涉及到的不同學(xué)科知識(shí)進(jìn)行梳理，形成以真實(shí)問題為核心的知識(shí)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。

3 項(xiàng)目的改進(jìn)與優(yōu)化

“柑橘果皮精油的提取工藝”主題項(xiàng)目設(shè)計(jì)活動(dòng)實(shí)施之后，師生需要對(duì)各組在方案設(shè)計(jì)過程中的表現(xiàn)及技術(shù)方案的合理性進(jìn)行評(píng)估，針對(duì)項(xiàng)目設(shè)計(jì)中出現(xiàn)的問題進(jìn)行改進(jìn)，從整體上對(duì)項(xiàng)目進(jìn)行系統(tǒng)優(yōu)化。如在學(xué)習(xí)活動(dòng)的設(shè)計(jì)及實(shí)施環(huán)節(jié)，由于學(xué)生缺乏獨(dú)立設(shè)計(jì)活動(dòng)方案、自主進(jìn)行探究的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，因此在小組分工、實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)、數(shù)據(jù)收集及分析等方面容易出現(xiàn)偏差。此時(shí)，教師可通過調(diào)節(jié)資料卡的內(nèi)容來提供適當(dāng)?shù)男畔⒅С?，并記錄不同環(huán)節(jié)小組成員的表現(xiàn)，針對(duì)不同小組的實(shí)際情況進(jìn)行分析，幫助學(xué)生對(duì)本組實(shí)驗(yàn)進(jìn)行改進(jìn)和優(yōu)化。

本次教學(xué)主要是以教師引導(dǎo)下的學(xué)生活動(dòng)為主，教師利用問題鏈和教學(xué)支架引導(dǎo)學(xué)生自主探究，將有機(jī)化學(xué)及其他相關(guān)學(xué)科的知識(shí)融入到具體的工程實(shí)踐中，增強(qiáng)學(xué)生的科學(xué)實(shí)踐能力。在課程實(shí)施之后，教師應(yīng)以課前制定的教學(xué)目標(biāo)為參照，對(duì)教學(xué)過程中存在的問題、學(xué)生的課堂表現(xiàn)以及實(shí)際所達(dá)到的教學(xué)效果進(jìn)行反思：所設(shè)置的問題是否符合學(xué)生的認(rèn)知特點(diǎn)？教師怎樣才能結(jié)合學(xué)生興趣，更好地進(jìn)行課堂引導(dǎo)？學(xué)生通過本次實(shí)踐學(xué)到了什么，是否加深了對(duì)科學(xué)的理解？教師通過對(duì)本節(jié)課的亮點(diǎn)與不足進(jìn)行客觀評(píng)價(jià)與反思，做好教學(xué)總結(jié)。

4 結(jié)論與啟示

對(duì)于將來有志于從事化學(xué)工程類工作的學(xué)生而言，如何通過設(shè)計(jì)工程方案，體驗(yàn)真實(shí)的化學(xué)工藝過程，以培養(yǎng)化學(xué)工程思維和實(shí)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(xué)主題，進(jìn)行了基于多學(xué)科整合教學(xué)的分析與設(shè)計(jì)，主要包括教學(xué)分析、基于問題的工程項(xiàng)目設(shè)計(jì)、項(xiàng)目的改進(jìn)與優(yōu)化以及教學(xué)評(píng)價(jià)與總結(jié)四方面的內(nèi)容，旨在通過相應(yīng)的工程實(shí)踐活動(dòng)幫助學(xué)生鞏固、深化所學(xué)知識(shí)，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新精神和解決實(shí)際問題的能力。

STEM教育作為一種跨學(xué)科式學(xué)習(xí)模式，在我國(guó)的發(fā)展尚處于起步階段。目前，國(guó)內(nèi)的相關(guān)研究還未形成成熟的、適合我國(guó)基礎(chǔ)教育發(fā)展的本土化教育及實(shí)踐模式。在以工程問題為導(dǎo)向的跨學(xué)科整合項(xiàng)目設(shè)計(jì)中也還存在著一些挑戰(zhàn)：如何兼顧學(xué)生的認(rèn)知特點(diǎn)和學(xué)科的知識(shí)特點(diǎn)尋找難度恰當(dāng)、能引起學(xué)生探索欲望的項(xiàng)目設(shè)計(jì)任務(wù)或亟待解決的問題;如何設(shè)計(jì)支架以更好地引導(dǎo)學(xué)生挖掘問題或項(xiàng)目中蘊(yùn)含的跨學(xué)科知識(shí)素材和解決問題的思路方法;如何設(shè)計(jì)有效的評(píng)價(jià)體系，進(jìn)行科學(xué)而全面的評(píng)估。

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