STEAM理念在“化妆品科学与鉴赏——冷法制皂”实验教学中的应用

包莹玲,马 志,朱林江,陆跃乐,陈小龙

(浙江工业大学 生物工程学院 发酵工程研究所,浙江 杭州 310014)

STEAM是科学(Science)、技术(Technology)、工程(Engineering)、艺术(Art)和数学(Mathematics)5个学科的简称。STEAM教育以富有创造性的学习过程作为教育核心,倡导基于项目的学习方式,强调了知识与实践的相互联系,以实现上述5个学科跨界深度融合[1],旨在鼓励学生自己动手探索和解决实际问题,培养学生的实践能力、批判思维和创造力。此外,作为一种新型教育理念,STEAM教育还有利于学生从更多视角去认识不同学科之间的联系,从而为教育者提供新的教学模式,并为教育教学实践提供指导[2]。高校通识选修课是高等教育体系中培养完整的人(又称“全人”)的重要一环,旨在培养具备远大眼光、通融识见、博雅精神和优美情感的人,而非是某一狭窄专业领域的专精型人才[3]。通识教育模式不仅有利于发展学生全面的人格素质,开拓学生广阔的知识视野,而且有利于满足学生个性化发展需求,提升学生综合素质。“化妆品科学与鉴赏”是一门以化学为基础,涉及生命科学、天然产物化学、皮肤科学和精细化工等多个专业领域学科的科学素养类通识选修课,能够为学生提供涉及化妆品学的基础知识和技能,使学生能够巩固科学知识,扩大知识储备,提升科学兴趣,拓展科学素质。

STEAM教育的教学方式与课堂形式多样。为了更好地将STEAM理念融合到“化妆品科学与鉴赏”课程的实验教学中,笔者开发了基于STEAM理念的“冷法制皂”校本实验项目,并对该项目进行了综合评估,探索在高校通识课程中融入STEAM理念的可行途径。

1 课程教学现状与学情分析

冷法制皂,即以脂肪酸/脂肪酸甘油酯、碱及水为原料,通过皂化反应制成富含天然甘油且泡沫细腻丰富的天然手工皂。手工皂的制备实验原理明确,实验操作简便,成品类型多样,较有利于多样化实验方案的设计[4]。因此,笔者从实验的科学性、可操作性及趣味性出发,将“冷法制皂”项目作为校本课程“化妆品科学与鉴赏”STEAM教育的实施对象。首先,皂化反应是清洁类化妆品制备的核心反应,通过对该反应的学习,有助于学生理解化妆品的设计、工艺及生产要点[5];其次,皂化反应操作较为简单,适合作为通识教育实施对象;最后,学生可依据个人喜好与目的添加牛乳、精油、香精、花草和中药药材等活性成分,可选择不同的模具,因此亲手制备手工皂广受学生们的欢迎。

该课程是一门面向全校所有专业、年级学生的通识选修课。选课学生包含大一新生及大四毕业生,涵盖哲学、经济学、法学、教育学、文学、理学、工学、医学、管理学和艺术学等10大门类66个本科专业的学生。学生已基本具备高中基础化学知识,并已初步掌握生活中的皂类、油脂碱性水解相关知识和基本的实验操作技能。此外,学生不同的专业背景,也为在STEAM教育中进行多学科交叉奠定了基础。

2 基于STEAM理念的课程目标设定

科学可以帮助人们认识世界规律,工程与技术可以帮助人们根据社会需求改造世界[6],艺术可以帮助人们以美好的形式丰富世界,数学可以为人们发展与应用科学、工程、艺术和技术提供思维方法和分析工具。该实验采用项目学习的方式,以“手工皂”制作为主线,将STEAM教育与大学通识选修课“化妆品科学与鉴赏”相融合,促使学生在学习中通过构建知识、寻求合作来解决问题,帮助学生建立学以致用的习惯,培养学生的工程思维与创新能力,并形成良好的学习成就感[7]。

该课程的内容包括:1) 实验原料、产品的理化特性和皂化反应原理等科学知识;2) 皂化流程、工艺参数和检测方法等技术知识;3) 与最终产品设计相关的原料选择、比例和工艺确定等工程知识;4) 调研设计及反应过程中相关参数及对应的实验设计、测量和计算等数学知识;5) 与产品外观造型设计相关的艺术设计知识。具体的课程目标和内容如表1所示。

表1 STEAM项目教学目标和内容

3 方案设计及项目实施

3.1 方案设计

3.1.1 分组学习

根据学生的专业背景及自由组合原则进行分组,并明确各组员分工。将学习内容设计成开放性问题提纲,各组学生借助于教材、期刊和网络寻找问题的答案,完成对部分科学知识的自学。教师通过学生提交的回答对分组学习结果进行评价。

3.1.2 小组讨论制定实验方案

指导学生对手工皂的外观、气味、质地和包装等问题设计问卷调查表,通过线上发放和回收调查表,对问卷表进行数据整理和分析。基于调查结果进行产品设计,小组讨论确定预实验方案,并上报预实验原料、实验器具。通过对预实验结果分析和产品包装设计后,最终确定手工皂的制备方案和相应原料、实验器具和包装材料等信息。

3.1.3 实 验

实验部分包括预实验和制作实验。冷法制皂流程如图1所示。根据设计好的预实验方案进行手工皂的原料成分、配比、NaOH添加量、NaOH流加速度和搅拌温度对皂硬度、结团、皂化速度、气味和活性物质溶解性等的影响实验,对不同工艺条件下皂的特性进行考察。手工皂制作实验则以小组为单位,按照设计思路进行手工皂的制作,包括制皂、皂成型和皂包装等部分。

图1 冷法制皂流程图Fig.1 Flow chart of cold process soap making

3.1.4 汇报及实验报告

实验完成后,各小组通过多媒体汇报和实验报告的方式进行项目展示和分享。多媒体汇报内容包括设计思路、工艺流程和产品展示;实验报告册的内容包括实验目的、实验原理、实验材料、实验方法、实验结果、实验分析和思考题。

3.1.5 考 核

考核贯穿项目的始终。该项目评价主要从学生的参与度、学生在学习过程中的行为表现以及学习成果对学生进行评价。学生的合作探究过程、工具的规范使用、设计方案的表达和作品效果的实现等都将成为评价学生的指标。具体包括:1) 分组考勤及分工,考察项目参与度;2) 科学知识掌握情况,考察科学部分掌握程度;3) 实验方案设置和实验操作技巧,考察工艺掌握程度;4) 产品,考察工程和艺术性;5) 调查问卷、预实验设计合理性和数据处理情况,考察数学能力。

3.2 项目实施

传统实验教学过程以教师讲授为主,学生通过教师讲解,以实验报告册为参照,在实验老师的指导下完成实验。学生在实验过程中通常专注于制得手工皂产品,而忽略对实验原理、实验操作的理解,不利于学生的主动思考与探索[8]。该项目基于“互联网+”线上线下交互式进行,将多个目标分段完成:1) 线上部分,主要涉及考勤、学习、沟通和报告提交4项任务[9];2) 发放项目任务书,内容包括项目的内容、流程、时间节点和考核方式等;3) 根据任务书完成基础科学知识的学习,并提交1份学习报告;4) 完成艺术设计部分的问卷,并通过投放链接进行皂类产品的调查并回收问卷;5) 线下部分,主要则涉及讨论、实验和项目汇报3部分。

4 项目综合评析

项目的综合评价主要通过结合测评学生的学习能力和课程改革后的问卷分析进行。

4.1 能力考评

基于STEAM理念的教学设计进行综合考核,可以避免一次考试决定学生成绩的片面性。课程基于考勤(5%)、学习报告(20%)、实验操作能力(20%)、实验报告(30%)和汇报(25%)5个环节进行考核,其分项得分分析如图2所示。通过进行多维度的考核分析学生学习成绩,其赋分组成是:考勤得分4.8%、学习报告17.5%、实验操作16.5%、实验报告26%、汇报23%。通过分析可以更好地了解学生的缺漏,即实验操作是大多数学生的短板,为课程的进一步设置和改革提供了依据。同时,这样的考核方式,既可以调动学生的学习积极性,提高他们对实验的重视程度,又可以保证成绩评定的客观公平性。

图2 基于STEAM的“冷法制皂”实验课程 分项得分分析Fig.2 Analysis of scores of STEAM based “cold process soap making” experiment course

项目改革可以从科学、技术、工程、艺术和教学5个方面进行学生素质的提高,学生考评结果如图3所示。由图3可知:科学、技术、工程、艺术和数学的目标达成度分别为96%,93%,92%,94%,98%,目标达成度均高于90%,其中数学的最高,工程的最低,说明学生在各个目标的掌握程度不一致,教师可依据学生的特点,针对学生的薄弱点改进教学方法。

图3 基于STEAM的“冷法制皂”实验课程目标达成度Fig.3 Analysis of target acquisition of STEAM based “cold process soap making” experiment

4.2 课程教学改革后调查问卷分析

课程结束后,通过设计涉及学习兴趣、技能提升和接受度3个方面的调查问卷对课程改革后的满意度进行调查。调查问卷在课程评分结束后发放给选课学生,以上届采用传统实验方法的学生调查结果作为对照进行分析,并采用t-检验进行显著性分析,结果如图4所示。由图4可知:学生对课程的学习兴趣由76%显著提高至86%(p<0.05),技能提升由80%显著提高至94%(p<0.05),课程的接受度为90%,说明课程教学改革成效显著。

图4 基于STEAM理念的实验课程调查问卷的满意度分析Fig.4 Satisfaction analysis of experimental course questionnaire based on STEAM concept

5 结 论

介绍了一种基于STEAM理念的“冷法制皂”实验项目的全新教学模式,即通过提出问题、分组查阅资料和讨论、学生反馈和教师引导的教学模式进行实验方案设计。综合学生的能力考评和满意度调查分析,基于STEAM理念的大学“化妆品科学与鉴赏——冷法制皂”实验教学取得了较好的效果。