基于STEAM理念的統(tǒng)整項目課程初探

陳銳彬

摘要： 高中階段STEAM統(tǒng)整項目課程可以嘗試定位為某一學(xué)科知識為主、多學(xué)科知識融合的科普教學(xué)及職業(yè)生涯規(guī)劃課程。以“制作一瓶冰紅茶”課程為例，通過師生合作剖析制作思路，再從理論上探析制作原理，最后實踐論證并迭代的過程，實現(xiàn)STEAM教育理念的滲透。選擇該課程理論部分第一課時——設(shè)計制作“冰紅茶飲料瓶”，嘗試以有機合成知識為核心、其他學(xué)科知識為輔助的方式，呈現(xiàn)一節(jié)融入STEAM教育理念的創(chuàng)新課例。

關(guān)鍵詞： STEAM; 統(tǒng)整項目課程; 冰紅茶飲料瓶; 有機合成

文章編號： 10056629（2019）7005905中圖分類號： G633.8文獻標識碼： B

1 STEAM統(tǒng)整項目課程簡介

STEAM課程是通過技術(shù)和工程的學(xué)習(xí)設(shè)計，整合科學(xué)、人文藝術(shù)和數(shù)學(xué)的知識內(nèi)容，為學(xué)生創(chuàng)設(shè)真實的問題情境，學(xué)生自主學(xué)習(xí)、探索問題解決方案的過程[1]。高中階段，STEAM統(tǒng)整項目課程（下稱“STEAM課程”）不僅要整合信息技術(shù)和數(shù)學(xué)知識，更多地是對化學(xué)、物理、生物、地理、美術(shù)等多學(xué)科進行統(tǒng)整。

STEAM課程在培養(yǎng)人的能力和素養(yǎng)方面有獨特作用。學(xué)生通過STEAM課程可以培養(yǎng)研究精神，發(fā)展實踐能力，激發(fā)學(xué)習(xí)動力，全面提高心智，特別是有效地提高學(xué)習(xí)成績。

開展STEAM課程要處理好與常規(guī)課程的關(guān)系。高中階段，STEAM課程可以嘗試定位為某一學(xué)科知識為主、多學(xué)科知識融合的科普教學(xué)及職業(yè)生涯規(guī)劃課程。

2 STEAM統(tǒng)整項目課程設(shè)計

筆者為探索STEAM課程對培養(yǎng)學(xué)生綜合素養(yǎng)特別是學(xué)科核心素養(yǎng)的作用，及其在高中階段的實施模式和設(shè)計原則，嘗試設(shè)計一個以“制作一瓶冰紅茶”為主題的項目課程，其中包括2節(jié)常規(guī)課和多節(jié)實踐課。常規(guī)課主要在理論層面對冰紅茶（飲料瓶和紅茶）的設(shè)計和制作進行探析，為實踐課進行規(guī)劃和指導(dǎo);實踐課遵循“用中學(xué)”原則，軟件設(shè)計、工程技術(shù)等現(xiàn)學(xué)現(xiàn)用，直至完成項目。本文以第一課時為例，通過探析設(shè)計和制作“冰紅茶飲料瓶”的過程，引導(dǎo)學(xué)生在STEAM統(tǒng)整項目課程中進行以有機合成為核心的多學(xué)科知識的融合應(yīng)用。

2.1 課程選題

“冰紅茶”是一種學(xué)生熟悉的飲料。以“制作一瓶冰紅茶”為項目進行課程設(shè)計，既貼近學(xué)生的生活實際，又蘊含豐富的化學(xué)及其他學(xué)科的相關(guān)知識。學(xué)生學(xué)完人教版選修5《有機化學(xué)基礎(chǔ)》第三章“有機合成”后，即將學(xué)習(xí)“合成高分子材料”。此時學(xué)生對聚氯乙烯（PVC）、聚對苯二甲酸乙二醇酯（PET）、茶多酚中的沒食子兒茶素沒食子酸酯（EGCG）等物質(zhì)的相關(guān)化學(xué)性質(zhì)和合成方法有了一定的理論基礎(chǔ)和理解能力。此外，學(xué)生也具備了初步判斷紅茶生產(chǎn)的氣候、土壤、地形，應(yīng)用“去除頂端優(yōu)勢”及使用游標卡尺的能力，使該課程對多學(xué)科內(nèi)容的融合有了實質(zhì)性意義。

2.2 設(shè)計思路

設(shè)計思路見表1。

2. 3D打樣： 3D打印技術(shù)

3. 制作模具： 材料成型及控制工程

2. 1號PET塑料→有機合成工藝2（縮聚反應(yīng)）

3. “模擬工程師”合成7號塑料（尼龍6T）

加工工藝注拉吹工藝

2.3 教學(xué)流程

2.3.1 環(huán)節(jié)一： STEAM情景引入

[展示]一瓶冰紅茶。

[教師]同學(xué)們，這么冷的天，想喝一瓶冰紅茶“暖暖”身子嗎？（有的男生回答“想”）

想喝可以，不過得自己制作，你們會嗎？請同學(xué)們討論如何制作這瓶冰紅茶。

[學(xué)生]學(xué)生分組討論。多數(shù)學(xué)生就如何沖茶、加糖等問題進行討論，部分學(xué)生發(fā)現(xiàn)了飲料瓶的制作問題。

[師生]學(xué)生分組匯報，教師加以引導(dǎo)。制作一瓶冰紅茶不簡單，它包括飲料瓶的設(shè)計制作和紅茶飲料的制作。飲料瓶的原料是塑料，包含塑料的有機合成和飲料瓶的設(shè)計加工問題;紅茶飲料的原料是紅茶，包含紅茶的種植、生產(chǎn)加工、成分和分類等問題。

[教師]現(xiàn)在，讓我們一起來學(xué)習(xí)如何制作一瓶冰紅茶。

設(shè)計意圖： 引入以STEAM情景“制作一瓶冰紅茶”的項目，與學(xué)生逐步深入分析制作的環(huán)節(jié)和問題，激發(fā)學(xué)生的科普學(xué)習(xí)熱情和挑戰(zhàn)欲望，為接下來學(xué)科統(tǒng)整項目的學(xué)習(xí)作鋪墊。

2.3.2 環(huán)節(jié)二： 整理STEAM項目思路

[教師]該項目理論上包括飲料瓶的設(shè)計制作和紅茶的制作兩部分。本課我們將從理論角度深入探析飲料瓶的設(shè)計制作流程，為實踐課程打好基礎(chǔ)。下面我們使用思維導(dǎo)圖整理制作思路。

[學(xué)生]完成思維導(dǎo)圖（見圖1）。

2.3.3 環(huán)節(jié)三： 制作飲料瓶，突出合成工藝

[教師]飲料瓶包括兩部分： 塑料標簽和瓶身/蓋。

（Ⅰ） 塑料標簽的制作包括三部分： 標簽設(shè)計、PVC原料、加工工藝。

[教師]投影學(xué)生簡單設(shè)計的冰紅茶塑料標簽圖。引導(dǎo)學(xué)生認識到想要將標簽圖印刷出來，還需將其設(shè)計成電子圖片，這時就要用到Photoshop軟件，指出將在實踐課中學(xué)習(xí)應(yīng)用該軟件。

接著引導(dǎo)學(xué)生討論PVC塑料原料的合成，分析PVC塑料原料聚氯乙烯的結(jié)構(gòu)： CHClCH2。

[有機合成工藝1]逆合成分析聚氯乙烯的合成過程，請同學(xué)們分析討論相關(guān)問題（①②未給出）。

CHClCH2HCClCH2HCCH

③ ② ①

[討論匯報]（1） ②是合成PVC的單體，寫出它的結(jié)構(gòu)簡式。

（2） ①→②發(fā)生加成反應(yīng)，①是什么物質(zhì)？

（3） 工業(yè)上①有兩種合成方法，一種可在實驗室進行，思考反應(yīng)原理。

[教師]硬質(zhì)PVC塑料包裝膜一般采用擠出上吹成型工藝，其包含配料捏合，擠出吹膜，旋轉(zhuǎn)卷取三個步驟。至此，學(xué)生已經(jīng)完成塑料標簽的理論制作流程。

設(shè)計意圖： 通過引導(dǎo)設(shè)問，讓學(xué)生運用加聚反應(yīng)知識，自主分析聚氯乙烯的單體是氯乙烯，再由加成反應(yīng)逆分析得原料乙炔，實驗室由電石與水作用可制得乙炔。

（Ⅱ） 瓶身/蓋的制作包括三部分： 設(shè)計建模、塑料原料、加工工藝。

[教師]設(shè)計建模包括CAD外觀圖、3D打樣和制作模具三部分。

[師生]首先是CAD外觀圖，它的制作必須經(jīng)過測量及手繪、CAD軟件（實踐課學(xué)習(xí)應(yīng)用）繪圖兩步。投影部分學(xué)生簡單手繪的飲料瓶外觀圖。分析討論，想要更精確地將其應(yīng)用到CAD軟件中進行繪圖，還需要精確測量外觀尺寸，比如用游標卡尺進行測量并用軟件繪制完成帶有尺寸的外觀圖。

然后是3D打樣。它是評估該外觀設(shè)計是否可行的重要一步，需要用到123D或3D one等軟件制作3D圖，然后用3D打印機打印出來。

評估達標后，下一步是制作模具。將設(shè)計的CAD外觀圖導(dǎo)入機器制作模具，這部分需要有材料成型及控制工程專業(yè)的基礎(chǔ)，大家可以考慮選擇這個專業(yè)作為大學(xué)專業(yè)。

[教師]飲料瓶的塑料原料是聚對苯二甲酸乙二醇酯（PET），在塑料瓶環(huán)保分類中屬于1號塑料，并簡單介紹其他塑料品。

[學(xué)生]認識聚對苯二甲酸乙二醇酯的結(jié)構(gòu)：

[有機合成工藝2]PET的合成方法有很多，其中包括直接酯化法和酯交換法[2]。

直接酯化法： 首先將兩種單體配成淤漿料，然后再在220～250℃、加壓的條件下進行反應(yīng)[3]。

[討論匯報]（1） 直接酯化法的反應(yīng)類型是什么？

（2） 兩種單體是什么？能否正確表示結(jié)構(gòu)簡式和名稱？

酯交換法： 將對苯二甲酸二甲酯（DMT）和物質(zhì)C按照一定配比加入酯交換反應(yīng)器內(nèi)，在催化劑存在下生成對苯二甲酸羥乙酯，然后再進行縮聚反應(yīng)，生成PET樹脂[4]。

[討論匯報]已知反應(yīng)①需要加入氧化劑經(jīng)過多步反應(yīng)由A制得B。

（1） 討論A、 B、 C是什么物質(zhì)。

（2） 反應(yīng)②的反應(yīng)類型是什么？另一種產(chǎn)物是什么？

制備PET的主要原料是對二甲苯、乙二醇，這2種原料主要是以石腦油為原料制得的，其工藝過程如下[5]：

[討論匯報]（1） 反應(yīng)①是什么類型？另一種反應(yīng)物是什么？

（2） 石腦油可通過什么方法制得乙烯？

（3） 石腦油是石油提煉出來輕質(zhì)油，由此你聯(lián)想到了乙烯和石油在國家發(fā)展中處于什么地位？

[模擬工程師]“7”號其他類塑料包括PC類（塑料）和PA類（尼龍）。尼龍的種類有很多，其中聚酰胺6T是一種高耐溫的尼龍，結(jié)構(gòu)簡式為： ，假如你是一名化工工程師，請你以原料HO（CH2）6OH（1，6己二醇）和甲苯，設(shè)計方案合成聚酰胺6T。

最后思考甲苯的來源，你有什么感悟？

（已知： HOCH2CH2OH+2NH3NiH2NCH2CH2NH2+2H2O）

設(shè)計意圖： “有機合成工藝2”包含3個流程和1個合成方案設(shè)計，四個問題并不是獨立的，而是緊緊圍繞著飲料瓶原料PET的合成展開分析，相互關(guān)聯(lián)，層層遞進的。通過引導(dǎo)設(shè)問和自主分析，學(xué)生在充分了解縮聚反應(yīng)和PET塑料的合成流程時，對有機合成知識的理解和應(yīng)用能提高一個層次，掌握了工業(yè)生產(chǎn)遵循“原料→純凈物→單體→加聚/縮聚→聚合物→產(chǎn)品”的原則。同時，學(xué)生也能夠真正了解飲料瓶身/蓋的原材料來自于石油，對石油戰(zhàn)略地位的認識也提高了一個層次，還對石油專業(yè)有了一定的認識。該設(shè)計不僅完成了STEAM項目中的科學(xué)知識的學(xué)習(xí)，也體現(xiàn)了人文和藝術(shù)的熏陶。最后讓學(xué)生把所得到的理論知識用于設(shè)計實際生產(chǎn)方案，診斷學(xué)生的學(xué)習(xí)成果。

[教師]飲料瓶的加工常用注拉吹工藝，即把塑料原料經(jīng)注塑機注射成型管狀型坯，然后放入瓶子模具中經(jīng)拉伸吹注成型，冷卻后得到成品。

至此，我們已經(jīng)從理論上制得了飲料瓶，下一個課時我們將從理論上探究如何生產(chǎn)制作紅茶。

2.3.4 環(huán)節(jié)四： 總結(jié)升華

[學(xué)生]小組總結(jié)“制作一瓶冰紅茶”項目中設(shè)計制作飲料瓶的全部流程，并列舉需要在實踐課學(xué)習(xí)應(yīng)用的內(nèi)容，例如軟件、技術(shù)、工藝等。

[教師]同學(xué)們在探究設(shè)計制作飲料瓶的流程時，已經(jīng)培養(yǎng)了自己的研究精神和團隊合作意識，也很好地應(yīng)用各學(xué)科的知識到實際生產(chǎn)中。當然，我們也發(fā)現(xiàn)了想要真正做出“一瓶冰紅茶”，還有更多知識和技術(shù)需要我們?nèi)W(xué)習(xí)掌握，這也是接下來的學(xué)習(xí)方向。

3 課程結(jié)論與反思

3.1 STEAM統(tǒng)整項目課程可以有效培養(yǎng)學(xué)生綜合素養(yǎng)

以第一課時“冰紅茶飲料瓶的設(shè)計制作”為例，學(xué)生在這個過程中不僅完成了“冰紅茶飲料瓶”制作理論的探索，還運用了化學(xué)、物理、數(shù)學(xué)等科學(xué)學(xué)科的知識;了解了信息技術(shù)、軟件、模型加工工藝、石油開發(fā)等工程和技術(shù)，滲透了美術(shù)、設(shè)計等藝術(shù)內(nèi)容;接觸了材料成型及控制工程、石油、塑料等大學(xué)專業(yè)，體會了石油工業(yè)在國家的戰(zhàn)略地位，甚至在某一時刻影響了學(xué)生對自己未來的決定。

作為以高中化學(xué)有機合成為核心的課例，學(xué)生不但完成了有機合成知識的學(xué)習(xí)和梳理，還能學(xué)以致用設(shè)計合成路線，體會工業(yè)生產(chǎn)的一般流程，培養(yǎng)了科學(xué)探究與創(chuàng)新意識。

3.2 高中STEAM統(tǒng)整項目課程的實施模式和設(shè)計原則

3.2.1 實施模式

高中STEAM統(tǒng)整項目課程的實施模式如圖2所示：

3.2.2 設(shè)計原則

課程選題必須緊扣學(xué)生的學(xué)習(xí)生活，利用常見的情景問題開發(fā)出STEAM統(tǒng)整項目。設(shè)計項目的常規(guī)教學(xué)時應(yīng)遵循以某一學(xué)科知識為主體，其他學(xué)科知識為輔助的思路，突出學(xué)科重點內(nèi)容，避免面面俱到。常規(guī)教學(xué)中涉及的多學(xué)科統(tǒng)整內(nèi)容和STEAM項目則依據(jù)實際情況在實踐活動中選擇性地實施完成。

3.3 STEAM統(tǒng)整項目課程的發(fā)展趨勢分析

科學(xué)的本來面貌是綜合型的，STEAM教育也傳遞這樣的理念。隨著新課標落地和學(xué)生綜合素質(zhì)評價體系出臺，對培養(yǎng)學(xué)生綜合素養(yǎng)特別是學(xué)科核心素養(yǎng)有獨特作用的STEAM統(tǒng)整項目課程將會備受關(guān)注。課程開發(fā)的質(zhì)量和數(shù)量，專職或兼職STEAM教育的師資力量是影響STEAM統(tǒng)整項目課程發(fā)展的重要因素。以化學(xué)學(xué)科為核心的STEAM統(tǒng)整項目課程的開發(fā)則需要靠廣大化學(xué)教育工作者在夯實本學(xué)科知識的基礎(chǔ)上，勇于跨學(xué)科學(xué)習(xí)，大膽創(chuàng)新，與時俱進。

參考文獻：

[1]王殿軍. STEM課程與單科學(xué)習(xí)互相匹配[EB/OL]. https：//www. sohu. com/a/244630533_793135， 20180801.

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