基于STEAM理念的统整项目课程初探

陈锐彬

摘要： 高中阶段STEAM统整项目课程可以尝试定位为某一学科知识为主、多学科知识融合的科普教学及职业生涯规划课程。以“制作一瓶冰红茶”课程为例，通过师生合作剖析制作思路，再从理论上探析制作原理，最后实践论证并迭代的过程，实现STEAM教育理念的渗透。选择该课程理论部分第一课时——设计制作“冰红茶饮料瓶”，尝试以有机合成知识为核心、其他学科知识为辅助的方式，呈现一节融入STEAM教育理念的创新课例。

关键词： STEAM; 统整项目课程; 冰红茶饮料瓶; 有机合成

文章编号： 10056629（2019）7005905中图分类号： G633.8文献标识码： B

1 STEAM统整项目课程简介

STEAM课程是通过技术和工程的学习设计，整合科学、人文艺术和数学的知识内容，为学生创设真实的问题情境，学生自主学习、探索问题解决方案的过程[1]。高中阶段，STEAM统整项目课程（下称“STEAM课程”）不仅要整合信息技术和数学知识，更多地是对化学、物理、生物、地理、美术等多学科进行统整。

STEAM课程在培养人的能力和素养方面有独特作用。学生通过STEAM课程可以培养研究精神，发展实践能力，激发学习动力，全面提高心智，特别是有效地提高学习成绩。

开展STEAM课程要处理好与常规课程的关系。高中阶段，STEAM课程可以尝试定位为某一学科知识为主、多学科知识融合的科普教学及职业生涯规划课程。

2 STEAM统整项目课程设计

笔者为探索STEAM课程对培养学生综合素养特别是学科核心素养的作用，及其在高中阶段的实施模式和设计原则，尝试设计一个以“制作一瓶冰红茶”为主题的项目课程，其中包括2节常规课和多节实践课。常规课主要在理论层面对冰红茶（饮料瓶和红茶）的设计和制作进行探析，为实践课进行规划和指导;实践课遵循“用中学”原则，软件设计、工程技术等现学现用，直至完成项目。本文以第一课时为例，通过探析设计和制作“冰红茶饮料瓶”的过程，引导学生在STEAM统整项目课程中进行以有机合成为核心的多学科知识的融合应用。

2.1 课程选题

“冰红茶”是一种学生熟悉的饮料。以“制作一瓶冰红茶”为项目进行课程设计，既贴近学生的生活实际，又蕴含丰富的化学及其他学科的相关知识。学生学完人教版选修5《有机化学基础》第三章“有机合成”后，即将学习“合成高分子材料”。此时学生对聚氯乙烯（PVC）、聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）、茶多酚中的没食子儿茶素没食子酸酯（EGCG）等物质的相关化学性质和合成方法有了一定的理论基础和理解能力。此外，学生也具备了初步判断红茶生产的气候、土壤、地形，应用“去除顶端优势”及使用游标卡尺的能力，使该课程对多学科内容的融合有了实质性意义。

2.2 设计思路

设计思路见表1。

2. 3D打样： 3D打印技术

3. 制作模具： 材料成型及控制工程

2. 1号PET塑料→有机合成工艺2（缩聚反应）

3. “模拟工程师”合成7号塑料（尼龙6T）

加工工艺注拉吹工艺

2.3 教学流程

2.3.1 环节一： STEAM情景引入

[展示]一瓶冰红茶。

[教师]同学们，这么冷的天，想喝一瓶冰红茶“暖暖”身子吗？（有的男生回答“想”）

想喝可以，不过得自己制作，你们会吗？请同学们讨论如何制作这瓶冰红茶。

[学生]学生分组讨论。多数学生就如何冲茶、加糖等问题进行讨论，部分学生发现了饮料瓶的制作问题。

[师生]学生分组汇报，教师加以引导。制作一瓶冰红茶不简单，它包括饮料瓶的设计制作和红茶饮料的制作。饮料瓶的原料是塑料，包含塑料的有机合成和饮料瓶的设计加工问题;红茶饮料的原料是红茶，包含红茶的种植、生产加工、成分和分类等问题。

[教师]现在，让我们一起来学习如何制作一瓶冰红茶。

设计意图： 引入以STEAM情景“制作一瓶冰红茶”的项目，与学生逐步深入分析制作的环节和问题，激发学生的科普学习热情和挑战欲望，为接下来学科统整项目的学习作铺垫。

2.3.2 环节二： 整理STEAM项目思路

[教师]该项目理论上包括饮料瓶的设计制作和红茶的制作两部分。本课我们将从理论角度深入探析饮料瓶的设计制作流程，为实践课程打好基础。下面我们使用思维导图整理制作思路。

[学生]完成思维导图（见图1）。

2.3.3 环节三： 制作饮料瓶，突出合成工艺

[教师]饮料瓶包括两部分： 塑料标签和瓶身/盖。

（Ⅰ） 塑料标签的制作包括三部分： 标签设计、PVC原料、加工工藝。

[教师]投影学生简单设计的冰红茶塑料标签图。引导学生认识到想要将标签图印刷出来，还需将其设计成电子图片，这时就要用到Photoshop软件，指出将在实践课中学习应用该软件。

接着引导学生讨论PVC塑料原料的合成，分析PVC塑料原料聚氯乙烯的结构： CHClCH2。

[有机合成工艺1]逆合成分析聚氯乙烯的合成过程，请同学们分析讨论相关问题（①②未给出）。

CHClCH2HCClCH2HCCH

③ ② ①

[讨论汇报]（1） ②是合成PVC的单体，写出它的结构简式。

（2） ①→②发生加成反应，①是什么物质？

（3） 工业上①有两种合成方法，一种可在实验室进行，思考反应原理。

[教师]硬质PVC塑料包装膜一般采用挤出上吹成型工艺，其包含配料捏合，挤出吹膜，旋转卷取三个步骤。至此，学生已经完成塑料标签的理论制作流程。

设计意图： 通过引导设问，让学生运用加聚反应知识，自主分析聚氯乙烯的单体是氯乙烯，再由加成反应逆分析得原料乙炔，實验室由电石与水作用可制得乙炔。

（Ⅱ） 瓶身/盖的制作包括三部分： 设计建模、塑料原料、加工工艺。

[教师]设计建模包括CAD外观图、3D打样和制作模具三部分。

[师生]首先是CAD外观图，它的制作必须经过测量及手绘、CAD软件（实践课学习应用）绘图两步。投影部分学生简单手绘的饮料瓶外观图。分析讨论，想要更精确地将其应用到CAD软件中进行绘图，还需要精确测量外观尺寸，比如用游标卡尺进行测量并用软件绘制完成带有尺寸的外观图。

然后是3D打样。它是评估该外观设计是否可行的重要一步，需要用到123D或3D one等软件制作3D图，然后用3D打印机打印出来。

评估达标后，下一步是制作模具。将设计的CAD外观图导入机器制作模具，这部分需要有材料成型及控制工程专业的基础，大家可以考虑选择这个专业作为大学专业。

[教师]饮料瓶的塑料原料是聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET），在塑料瓶环保分类中属于1号塑料，并简单介绍其他塑料品。

[学生]认识聚对苯二甲酸乙二醇酯的结构：

[有机合成工艺2]PET的合成方法有很多，其中包括直接酯化法和酯交换法[2]。

直接酯化法： 首先将两种单体配成淤浆料，然后再在220～250℃、加压的条件下进行反应[3]。

[讨论汇报]（1） 直接酯化法的反应类型是什么？

（2） 两种单体是什么？能否正确表示结构简式和名称？

酯交换法： 将对苯二甲酸二甲酯（DMT）和物质C按照一定配比加入酯交换反应器内，在催化剂存在下生成对苯二甲酸羟乙酯，然后再进行缩聚反应，生成PET树脂[4]。

[讨论汇报]已知反应①需要加入氧化剂经过多步反应由A制得B。

（1） 讨论A、 B、 C是什么物质。

（2） 反应②的反应类型是什么？另一种产物是什么？

制备PET的主要原料是对二甲苯、乙二醇，这2种原料主要是以石脑油为原料制得的，其工艺过程如下[5]：

[讨论汇报]（1） 反应①是什么类型？另一种反应物是什么？

（2） 石脑油可通过什么方法制得乙烯？

（3） 石脑油是石油提炼出来轻质油，由此你联想到了乙烯和石油在国家发展中处于什么地位？

[模拟工程师]“7”号其他类塑料包括PC类（塑料）和PA类（尼龙）。尼龙的种类有很多，其中聚酰胺6T是一种高耐温的尼龙，结构简式为： ，假如你是一名化工工程师，请你以原料HO（CH2）6OH（1，6己二醇）和甲苯，设计方案合成聚酰胺6T。

最后思考甲苯的来源，你有什么感悟？

（已知： HOCH2CH2OH+2NH3NiH2NCH2CH2NH2+2H2O）

设计意图： “有机合成工艺2”包含3个流程和1个合成方案设计，四个问题并不是独立的，而是紧紧围绕着饮料瓶原料PET的合成展开分析，相互关联，层层递进的。通过引导设问和自主分析，学生在充分了解缩聚反应和PET塑料的合成流程时，对有机合成知识的理解和应用能提高一个层次，掌握了工业生产遵循“原料→纯净物→单体→加聚/缩聚→聚合物→产品”的原则。同时，学生也能够真正了解饮料瓶身/盖的原材料来自于石油，对石油战略地位的认识也提高了一个层次，还对石油专业有了一定的认识。该设计不仅完成了STEAM项目中的科学知识的学习，也体现了人文和艺术的熏陶。最后让学生把所得到的理论知识用于设计实际生产方案，诊断学生的学习成果。

[教师]饮料瓶的加工常用注拉吹工艺，即把塑料原料经注塑机注射成型管状型坯，然后放入瓶子模具中经拉伸吹注成型，冷却后得到成品。

至此，我们已经从理论上制得了饮料瓶，下一个课时我们将从理论上探究如何生产制作红茶。

2.3.4 环节四： 总结升华

[学生]小组总结“制作一瓶冰红茶”项目中设计制作饮料瓶的全部流程，并列举需要在实践课学习应用的内容，例如软件、技术、工艺等。

[教师]同学们在探究设计制作饮料瓶的流程时，已经培养了自己的研究精神和团队合作意识，也很好地应用各学科的知识到实际生产中。当然，我们也发现了想要真正做出“一瓶冰红茶”，还有更多知识和技术需要我们去学习掌握，这也是接下来的学习方向。

3 课程结论与反思

3.1 STEAM统整项目课程可以有效培养学生综合素养

以第一课时“冰红茶饮料瓶的设计制作”为例，学生在这个过程中不仅完成了“冰红茶饮料瓶”制作理论的探索，还运用了化学、物理、数学等科学学科的知识;了解了信息技术、软件、模型加工工艺、石油开发等工程和技术，渗透了美术、设计等艺术内容;接触了材料成型及控制工程、石油、塑料等大学专业，体会了石油工业在国家的战略地位，甚至在某一时刻影响了学生对自己未来的决定。

作为以高中化学有机合成为核心的课例，学生不但完成了有机合成知识的学习和梳理，还能学以致用设计合成路线，体会工业生产的一般流程，培养了科学探究与创新意识。

3.2 高中STEAM统整项目课程的实施模式和设计原则

3.2.1 实施模式

高中STEAM统整项目课程的实施模式如图2所示：

3.2.2 设计原则

课程选题必须紧扣学生的学习生活，利用常见的情景问题开发出STEAM统整项目。设计项目的常规教学时应遵循以某一学科知识为主体，其他学科知识为辅助的思路，突出学科重点内容，避免面面俱到。常规教学中涉及的多学科统整内容和STEAM项目则依据实际情况在实践活动中选择性地实施完成。

3.3 STEAM统整项目课程的发展趋势分析

科学的本来面貌是综合型的，STEAM教育也传递这样的理念。随着新课标落地和学生综合素质评价体系出台，对培养学生综合素养特别是学科核心素养有独特作用的STEAM统整项目课程将会备受关注。课程开发的质量和数量，专职或兼职STEAM教育的师资力量是影响STEAM统整项目课程发展的重要因素。以化学学科为核心的STEAM统整项目课程的开发则需要靠广大化学教育工作者在夯实本学科知识的基础上，勇于跨学科学习，大胆创新，与时俱进。

参考文献：

[1]王殿军. STEM课程与单科学习互相匹配[EB/OL]. https：//www. sohu. com/a/244630533_793135， 20180801.

[2][3][4][5]李建国. 聚对苯二甲酸乙二醇酯的合成、改性及应用[J]. 中外企业家， 2011， （2）： 150～151.