基于STEM理念的项目活动设计

黑晓霞 吴晓红

摘要：本研究从生活情境“手工皂”出发，依据“皂化反应”的科学原理，结合工程、技术、数学、美术等跨学科知识，将STEM理念应用于实际课堂，为学生提供体验整合性STEM问题解决的过程与机会，同时为一线教师将STEM理念与实际化学教学相结合提供了教学案例。

关键词：STEM理念；项目活动；手工皂；研制与优化

文章编号：1008-0546（2021）11-0028-04中图分类号：G632.41文献标识码：B

doi：10.3969/j.issn.1008-0546.2021.11.007

一、STEM项目活动的问题提出

STEM是科学（Science）、技术（Technology）、工程（Engineering）、數学（Mathetics）四门学科的简称，强调多学科的交叉融合，将四门学科内容组合形成有机整体[1]。将STEM和基于项目的学习（Project-based learning：PBL）模式相结合，是进行跨学科整合的一种基本取向，它是以PBL的基本要素为框架整合STEM内容，利用科学、数学知识和技术手段，通过工程设计活动解决工程问题的学习过程[2]。通过STEM教育旨在加强STEM领域（科学、技术、工程、数学）人才的培养与储备，着重培养学生的动手实践能力、复合思维和创新思维以及倡导问题解决驱动的跨学科教育模式[3]。

新课程标准[4]在“选修课程·主题3：化工生产过程模拟实验”中提出“选择真实的化工生产过程为研究对象，借助相关资料对化工生产原理、流程进行复原和模拟”的内容，这一内容涉及到工程设计，可以结合技术、科学、数学等跨学科知识设计STEM项目活动。但对于化学一线教师来说，如何基于高中课程要求和学生已有的化学知识结构，将STEM教育理念与实际化学教学结合起来开发出跨学科的化学创新活动案例是一个富有挑战性的研究课题。

二、STEM项目活动的设计思路

1.STEM项目选题

手工皂是较为常用的生活用品。“手工皂的研制与开发”化学项目活动的选题源于人教版选修5《有机化学基础》[5]第77页“实践活动”，课本具体要求是“根据工业上的工艺过程，查阅相关资料，利用家中的动物油或植物油及食用碱制取肥皂”。手工皂的制备涉及STEM跨学科知识（具体如表1），学生在高一必修二中已学习了油脂的组成和结构、油脂的水解反应，对油脂有了初步的认识，现在利用科学、数学知识和技术手段，可以通过工程设计活动解决手工皂的制备工程问题。

2.STEM项目目标

（1）科学（S）：能说出手工皂的主要成分及用途、各种芳香油的用途；能理解手工皂制备的科学原理，并书写其化学方程式；能巩固有关化学实验的基本技能。

（2）技术（T）：能运用现代信息技术对手工皂涉及的问题及知识进行搜索、归纳、整理。

（3）工程（E）：能在合作中得出基本探究方案，并通过实验探究，结合压力、湿度等物理知识使皂类成型；能分析成品优缺点，并对手工皂的工艺进行优化和改良；能结合美术设计原理实现对皂类产品外观进行设计。

（4）数学（M）：能正确运用数学表达式，进行硬度、碱量、水量等相关的数学计算；能通过数据分析不断调整和优化实验方案。

3.STEM项目设计思路

本项目活动基于STEM理念，依据“皂化反应”的科学原理展开，从生活情境出发，提出STEM项目工程问题，并进行相关工程的设计，在项目活动中渗透科学、技术、工程、数学等思想，具体思路如图1所示。

三、STEM项目活动的实施过程

1.情境引入：认识手工皂

【展示】各种手工皂的图片

【问题情境】市面上销售的洁面产品多种多样，手工皂以其精美的包装，丰富、细腻的泡沫，多种多样的功效迅速得到很多人的青睐。手工皂的种类有哪些？具体用途是否一样？手工皂都经历了哪些发展？

【学生】以小组为单位，小组通过查阅书本资料、网上检索等方式，了解手工皂的用途、手工皂的种类、手工皂的发展历程。

【教师】假设你要开一家手工皂厂，对于手工皂的研制与开发，你认为应从哪几个方面着手展开？具体内容如何？

【学生】以小组为单位，分组讨论，明确开展“手工皂的研制与开发”项目活动需解决的问题。首先必须知道研制手工皂的相关知识，然后制定制备手工皂方案，并进行实验探究，初步制出手工皂，最后针对客户需求对手工皂进行优化与改进。

设计意图：从生活具体实物出发，激发学生的学习兴趣，引起学生的思考，体现了STEM教育的情境性。通过情境问题引出STEM项目工程问题，引导学生站在全局观念角度考虑工程问题，体现工程思想。

2.理解原理：手工皂的制备原理

【教师】关于手工皂的制备原理，提出驱动性问题：手工皂的主要成分是什么？手工皂的制备原理是什么？如何来制备皂类产品？

【学生】油脂在碱性溶液（多采用氢氧化钠或氢氧化钾）中水解，生成甘油和高级脂肪酸钠（或钾）盐的反应。该反应称之为皂化反应，反应所得的皂液（高级脂肪酸盐）经盐析、洗涤、干燥成型后称为皂基，再继续加工成为不同形状和不同功能的肥皂。

设计意图：通过驱动性问题引导学生学习STEM项目活动中的科学知识——皂化反应的原理，促进学生化学知识的学习，为后续工程设计提供知识基础。

3.实施工程：设计、制备手工皂

（1）准备：完成手工皂制备问题清单

【教师】油脂与碱反应能够生成高级脂肪酸盐，那在设计制备手工皂方案之前先要解决哪些问题呢？请大家列出问题清单，并通过书本资料、网上检索解决问题。

【学生】查阅资料，解决手工皂制备过程中可能出现的问题，完成手工皂制备问题清单（见表2）。

设计意图：学生自己提出制备手工皂的过程中需要解决的问题，通过书本、现代信息技术搜索、归纳、整理，形成问题解决的方案，促使学生更进一步明确项目工程所达到的目标和解决工程设计的思路。这其中渗透了技术思想，同时也使学生明白解决项目工程问题是解决工程设计挑战的第一步。

（2）配方：計算酯碱用量、水量、硬度

【教师】油脂的选择很重要，直接影响手工皂会不会成型。今天我们准备制油脂质量为250g的手工皂，请大家依据提供的皂化值计算自己选定的配方所需的碱量和水量？水的质量一般为氢氧化钠质量的2.33-2.35倍，判断你选定的配方硬度是否合适？

【资料】常见油脂的皂化值和硬度值见表3

【学生】碱量：制备油脂质量为250g的手工皂（花生油）平均硬度值=99，所需NaOH的质量=250×0.136= 34.0g，水的质量约为80g。

设计意图：明确油脂选择的重要性，使学生通过硬度值会判断所选原料是否合适，根据皂化值会计算配方酯碱比例、水量，同时进一步在项目工程中渗透数学思想。

（3）研制：制作手工皂

【教师】请同学们设计实验方案，讨论实验方案是否可行，利用生活中的油酯进行实验制备手工皂。

【学生】查阅资料设计实验方案，并利用控制变量法进行多次试验，确定最终的制备手工皂的方案，依据实验方案进行手工皂的制作。

设计意图：学生结合资料自主设计、试验并确定最终方案，培养学生的自主探究能力和协作能力。实验探究过程中学生学会记录数据，通过数据不断调整和优化实验方案，渗透了数学思想，体会到工程设计的迭代性。

（4）测试：手工皂效果

【教师】从哪些角度来测试你制作的手工皂的效果的好与坏？请大家测试自己制作的手工皂的效果如何？

【学生】清洁力、保湿力、温和程度、酸碱性等角度来判断。自己制作的手工皂清洁力度还行，呈弱碱性，但洗完比较干燥，容易爆皮，滋润度比较差，起泡度一般。

设计意图：通过测试学生制作的肥皂，发现实验中存在的问题，进一步优化实验内容以达到项目活动目标，同时学生自己体验一次化工生产工程的复杂性和实用性。

4.优化工程：调整、优化手工皂

【教师】大家制作的手工皂成品功效还可以，但与市场销售的手工皂的差距还是比较大的，比如手工皂起泡度、硬度、滋润度等还需要再改进。

【学生】通过查阅相关资料了解到，橄榄油、椰子油和棕榈油是制造手工皂的代表油脂，一般制手工皂都是采用多种油按一定比例混合制备的，可以改良配方继续制作手工皂。

【教师】手工皂的销售量取决于消费者的需求。作为手工皂厂商，你认为应该从哪些方面来吸引顾客的眼球？

【学生】一是产品设计要符合顾客需求：清洁力、保湿度强，性质温和、对皮肤刺激小，味道清香怡人，质地细腻、无杂质；二是手工皂造型设计要多样新颖；三是外包装设计要富有艺术气息；四是宣传设计，具有吸引性（见图2）。

设计意图：学生查资料并改良配方，认识各种芳香油的作用，知道生物学科学知识。学生对设计方案进行优化改进，让学生更深入地理解到工程学科知识，同时让学生进行角色模拟，设计建模，认识工程与社会需求的关系，进一步培养学生解决实际问题的能力。

5.评价工程：展示、评价手工皂

【教师】组织手工皂展示交流会。

【学生】各小组展示小组制作的手工皂，小组代表对自己的产品配方、产品造型、产品包装、宣传标语进行介绍，并选出最佳产品、最佳设计、最佳宣传作品。

设计意图：通过组织手工皂展示交流会，一方面锻炼学生的表达能力，另一方面使学生获得成就感，感受手工皂的美。

四、结语

“手工皂的研制与开发”项目活动基于STEM理念，依据“皂化反应”的科学原理，涵盖了化学核心知识（如皂化原理、化学定量实验技能和定量思想）、跨学科知识（物理、生物、技术、艺术、数学等）、工程设计思想，可以很好地突出各学科知识，培养学生学习兴趣，增强学生的STEM素养。

参考文献

[1]余胜泉，胡翔.STEM教育理念与跨学科整合模式[J].开放教育研究，2015，21（4）：13-22

[2]窦赏，闫春更，周青，张晖英.“科—工整合”的STEM教学设计——以《水泥的制备》为例[J].中国教育信息化，2020（10）：41-45

[3]田润，丁伟.基于化学实验的STEM项目——设计检测C2+0浓度的技术方案[J].化学教学，2016（11）：43-47

[4]中华人民共和国教育部.普通高中化学课程标准（2017版）[S].北京：人民教育出版社，2018

[5]人民教育出版社，课程教材研究所，化学课程教材研究开发中心.化学（选修5）有机化学基础[M].北京：人民教育出版社，2007：7

[6]陆启玉.油脂化工产品生产技术[M].北京：化学工业出版社，2004

[7]刘辉.指向实践创新的“手工皂制作与改进”微项目[J].化学教与学，2019（9）：91-93