基于STEM理念的“柑橘果皮精油的提取工艺”主题教学设计

鲁丽萍

摘要 依据STEM教育理念，开展“柑橘果皮精油的提取工艺”的主题教学设计，通过设计精油提取的工程方案，体验真实的精油工艺设计过程等系列活动，培养学生的工程思维和实际问题解决能力，为各科学学科开展STEM教育提供实践参考。

关键词 STEM教育 工程项目 柑橘果皮精油 提取工艺

中图分类号G633. 91

文献标志码 B

STEM教育的核心理念是跨学科整合，旨在打破学科领域边界，培养学生的创新意识和问题解决能力。下文以高中生物教材《选修1.生物技术实践》为载体，以专题6“植物有效成分的提取”一节为例，进行主题教学设计，对STEM教育理念在高中生物教学中的应用进行了探索。

1 教学分析

“柑橘果皮精油的提取工艺”主题中以系统的有机化学知识学习和实验操作训练为主，同时涵盖了数学、生物、地球科学以及工程设计等多个学科的相关知识，可以很好地实现科学理论知识与工程实践的整合。

1.1 学习者分析

高中学生具有一定的有机化学基础，对烷烃、烯烃、醇、醛、酸、酯等重要的有机物有一定的了解，掌握了过滤、蒸馏、萃取、分液等基本的化学实验操作，已经具备了一定的探究能力和合作意识.但还缺乏独立设计活动方案、自主进行探究的实践经验。因此，本次项目设计活动需要在教师的指导下完成。

1.2 跨学科知识及目标分析

“柑橘果皮精油的提取工艺”的主题设计旨在于让学生将所学的科学知识和科学方法运用到具体的化学工艺设计中，培养学生的工程思维和解决实际问题能力。生活化、趣味化的精油提取实验可以激发学习兴趣，使学生理解科学与生活的联系，培养学生对科学的积极态度。

本主题设计是以系统的有机化学知识为主导，同时兼顾其他相关学科知识的跨学科整合。本主题涉及知识点见表1。

2 工程项目设计

在STEM理念的教学模式中，工程项目设计是整个学习活动的主体。一个优质的项目设计能在适合学生认知特点的基础上，融合跨学科知识和工程实践，以促进学生思维的发展与能力的提升。项目设计要包含：问题链的设计、学习活动的设计、成果展示、反思与评价的设计以及相应的支架设计。

2.1 问题链的设计

问题链的设计是项目设计的首要环节，即根据教学目标和教学内容，结合学生已有知识经验，将教材知识转换成具有一定系统性、层次性、相对独立而又相互关联的系列问题。问题链的质量直接影响教学的效果，基于真实问题情境且难度梯度不同的问题链有助于学生的学习。问题链的设计与实践具体模式如下：产生问题情境1→分析情境提出问题1→引导学生分析问题1→讨论找到方法解决问题1→产生问题情境2→分析情境提出问题2……→构建问题框架，总结教学内容。本案例中的问题设计见表2。

2.2 学习活动设计

有效的工程项目设计必须以有效的学习活动为中介衔接不同学科知识，以促进知识的内化，真正提高学生的学习效率。“柑橘果皮精油的提取工艺”专题的教学主要包含柑橘果皮精油成分的猜测和验证;设计实验探究料液比、浸泡时间、浸泡温度对精油提取率的影响效应;利用试验确定精油提取的最佳工艺参数以及在最优实验条件下制得精油成品等系列活动。基于STEM教育理念和高中有机化学学习的特点，教师选择溶剂提取法来进行“柑橘果皮精油的提取”，既贴近生活实际，有一定的实用价值，又蕴含着丰富的化学知识和其他学科的相关知识，使学生在实际操作过程中锻炼动手能力和小组合作能力。

首先，教师情境，引入教学：柑橘是芸香科柑橘亚科植物，是热带、亚热带常绿果树，广泛分布在我国。柑橘外果皮中富含柑橘精油，柑橘精油无色透明，具有独特优雅的橘香味，會使人产生一种新鲜、愉悦的爽快感，可以起到植物芳香疗法的作用，同时，柑橘精油亦被广泛用于饮料、果酱、糕点等加工食品及浴用剂、化妆品工业中，具有抗菌、消炎、美容保健、增强免疫系统功能以及缓解头痛和偏头痛的作用，是世界上应用最为广泛的天然香精香料之一。目前，精油的提取和分离技术主要有蒸馏法、溶剂提取法、压榨法、酶提取法、萃取法等。

2.3 学习支架设计

在进行项目设计的过程中，不同学生所采用的方法路径不同、遇到的困难也不同。在活动中，教师既需要保持对整个项目的控制和管理，又需针对不同学生的最近发展区给予及时的反馈、帮助和指导，以促进学生的有意义学习。本次教学除了提供情境型支架、问题型支架以外，还设置了信息型支架、知识型支架，通过“引出问题→引发思考→提供资源→协助探究”的方式来引导学生更好地完成项目活动。教师需要完成学习工具和资源的准备：市购新鲜柑橘、正己烷、蒸馏水;榨汁机、过滤装置（漏斗、烧杯、玻璃棒）、蒸馏装置（烧瓶、电热套、冷凝管、温度计、锥形瓶）;需要提供学生关于提取工艺流程的信息：新鲜柑橘→清洗取皮→粉碎→浸泡→过滤→蒸馏→柑橘果皮精油成品。

2.4 成果展示及学习评价设计

STEM教育要求以跨学科的工程项目或整合任务为手段来促进学生的有意义学习，因此在完成项目活动后，学生会得到一定的实践成果。成果展示可以增强学生的学习成就感，提升学习动机。本教学中，学生依据自主构建的料液比一提取率、浸泡温度一提取率、浸泡时间一提取率的坐标图（图2-图4），通过小组讨论，分析图中不同变量与提取率之间的关系，找出每个因素的最佳变化范围，再通过试验确定优化后的最佳工艺条件，最终得柑橘果皮精油成品，并进行小组间的成果展示。在此过程中，教师以资料卡的方式呈现已有的相关研究，引导学生对本组以及其他小组的成果进行讨论、交流。

在反思、评价与改进阶段，教师结合教学目标、活动过程以及最终学习成果，通过自我评价、小组评价、教师评价的多元评价方式（表3），从态度、兴趣、参与程度、任务完成情况以及作品展示等多个维度来评价学生的创新意识和问题解决能力，从而了解教学中存在的问题和阶段性的教学成果，及时对教学方案进行修改、完善。最后，教师引导学生对项目中涉及到的不同学科知识进行梳理，形成以真实问题为核心的知识网络结构。

3 项目的改进与优化

“柑橘果皮精油的提取工艺”主题项目设计活动实施之后，师生需要对各组在方案设计过程中的表现及技术方案的合理性进行评估，针对项目设计中出现的问题进行改进，从整体上对项目进行系统优化。如在学习活动的设计及实施环节，由于学生缺乏独立设计活动方案、自主进行探究的实践经验，因此在小组分工、实验设计、数据收集及分析等方面容易出现偏差。此时，教师可通过调节资料卡的内容来提供适当的信息支持，并记录不同环节小组成员的表现，针对不同小组的实际情况进行分析，帮助学生对本组实验进行改进和优化。

本次教学主要是以教师引导下的学生活动为主，教师利用问题链和教学支架引导学生自主探究，将有机化学及其他相关学科的知识融入到具体的工程实践中，增强学生的科学实践能力。在课程实施之后，教师应以课前制定的教学目标为参照，对教学过程中存在的问题、学生的课堂表现以及实际所达到的教学效果进行反思：所设置的问题是否符合学生的认知特点？教师怎样才能结合学生兴趣，更好地进行课堂引导？学生通过本次实践学到了什么，是否加深了对科学的理解？教师通过对本节课的亮点与不足进行客观评价与反思，做好教学总结。

4 结论与启示

对于将来有志于从事化学工程类工作的学生而言，如何通过设计工程方案，体验真实的化学工艺过程，以培养化学工程思维和实际问题解决能力显得尤为重要。本研究以“柑橘果皮精油的提取工艺”为教学主题，进行了基于多学科整合教学的分析与设计，主要包括教学分析、基于问题的工程项目设计、项目的改进与优化以及教学评价与总结四方面的内容，旨在通过相应的工程实践活动帮助学生巩固、深化所学知识，培养学生的创新精神和解决实际问题的能力。

STEM教育作为一种跨学科式学习模式，在我国的发展尚處于起步阶段。目前，国内的相关研究还未形成成熟的、适合我国基础教育发展的本土化教育及实践模式。在以工程问题为导向的跨学科整合项目设计中也还存在着一些挑战：如何兼顾学生的认知特点和学科的知识特点寻找难度恰当、能引起学生探索欲望的项目设计任务或亟待解决的问题;如何设计支架以更好地引导学生挖掘问题或项目中蕴含的跨学科知识素材和解决问题的思路方法;如何设计有效的评价体系，进行科学而全面的评估。

参考文献：

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