黑曉霞 吳曉紅

摘要：本研究從生活情境“手工皂”出發(fā)，依據(jù)“皂化反應”的科學原理，結合工程、技術、數(shù)學、美術等跨學科知識，將STEM理念應用于實際課堂，為學生提供體驗整合性STEM問題解決的過程與機會，同時為一線教師將STEM理念與實際化學教學相結合提供了教學案例。

關鍵詞：STEM理念；項目活動；手工皂；研制與優(yōu)化

文章編號：1008-0546（2021）11-0028-04中圖分類號：G632.41文獻標識碼：B

doi：10.3969/j.issn.1008-0546.2021.11.007

一、STEM項目活動的問題提出

STEM是科學（Science）、技術（Technology）、工程（Engineering）、數(shù)學（Mathetics）四門學科的簡稱，強調多學科的交叉融合，將四門學科內容組合形成有機整體[1]。將STEM和基于項目的學習（Project-based learning：PBL）模式相結合，是進行跨學科整合的一種基本取向，它是以PBL的基本要素為框架整合STEM內容，利用科學、數(shù)學知識和技術手段，通過工程設計活動解決工程問題的學習過程[2]。通過STEM教育旨在加強STEM領域（科學、技術、工程、數(shù)學）人才的培養(yǎng)與儲備，著重培養(yǎng)學生的動手實踐能力、復合思維和創(chuàng)新思維以及倡導問題解決驅動的跨學科教育模式[3]。

新課程標準[4]在“選修課程·主題3：化工生產過程模擬實驗”中提出“選擇真實的化工生產過程為研究對象，借助相關資料對化工生產原理、流程進行復原和模擬”的內容，這一內容涉及到工程設計，可以結合技術、科學、數(shù)學等跨學科知識設計STEM項目活動。但對于化學一線教師來說，如何基于高中課程要求和學生已有的化學知識結構，將STEM教育理念與實際化學教學結合起來開發(fā)出跨學科的化學創(chuàng)新活動案例是一個富有挑戰(zhàn)性的研究課題。

二、STEM項目活動的設計思路

1.STEM項目選題

手工皂是較為常用的生活用品?！笆止ぴ淼难兄婆c開發(fā)”化學項目活動的選題源于人教版選修5《有機化學基礎》[5]第77頁“實踐活動”，課本具體要求是“根據(jù)工業(yè)上的工藝過程，查閱相關資料，利用家中的動物油或植物油及食用堿制取肥皂”。手工皂的制備涉及STEM跨學科知識（具體如表1），學生在高一必修二中已學習了油脂的組成和結構、油脂的水解反應，對油脂有了初步的認識，現(xiàn)在利用科學、數(shù)學知識和技術手段，可以通過工程設計活動解決手工皂的制備工程問題。

2.STEM項目目標

（1）科學（S）：能說出手工皂的主要成分及用途、各種芳香油的用途；能理解手工皂制備的科學原理，并書寫其化學方程式；能鞏固有關化學實驗的基本技能。

（2）技術（T）：能運用現(xiàn)代信息技術對手工皂涉及的問題及知識進行搜索、歸納、整理。

（3）工程（E）：能在合作中得出基本探究方案，并通過實驗探究，結合壓力、濕度等物理知識使皂類成型；能分析成品優(yōu)缺點，并對手工皂的工藝進行優(yōu)化和改良；能結合美術設計原理實現(xiàn)對皂類產品外觀進行設計。

（4）數(shù)學（M）：能正確運用數(shù)學表達式，進行硬度、堿量、水量等相關的數(shù)學計算；能通過數(shù)據(jù)分析不斷調整和優(yōu)化實驗方案。

3.STEM項目設計思路

本項目活動基于STEM理念，依據(jù)“皂化反應”的科學原理展開，從生活情境出發(fā)，提出STEM項目工程問題，并進行相關工程的設計，在項目活動中滲透科學、技術、工程、數(shù)學等思想，具體思路如圖1所示。

三、STEM項目活動的實施過程

1.情境引入：認識手工皂

【展示】各種手工皂的圖片

【問題情境】市面上銷售的潔面產品多種多樣，手工皂以其精美的包裝，豐富、細膩的泡沫，多種多樣的功效迅速得到很多人的青睞。手工皂的種類有哪些？具體用途是否一樣？手工皂都經歷了哪些發(fā)展？

【學生】以小組為單位，小組通過查閱書本資料、網(wǎng)上檢索等方式，了解手工皂的用途、手工皂的種類、手工皂的發(fā)展歷程。

【教師】假設你要開一家手工皂廠，對于手工皂的研制與開發(fā)，你認為應從哪幾個方面著手展開？具體內容如何？

【學生】以小組為單位，分組討論，明確開展“手工皂的研制與開發(fā)”項目活動需解決的問題。首先必須知道研制手工皂的相關知識，然后制定制備手工皂方案，并進行實驗探究，初步制出手工皂，最后針對客戶需求對手工皂進行優(yōu)化與改進。

設計意圖：從生活具體實物出發(fā)，激發(fā)學生的學習興趣，引起學生的思考，體現(xiàn)了STEM教育的情境性。通過情境問題引出STEM項目工程問題，引導學生站在全局觀念角度考慮工程問題，體現(xiàn)工程思想。

2.理解原理：手工皂的制備原理

【教師】關于手工皂的制備原理，提出驅動性問題：手工皂的主要成分是什么？手工皂的制備原理是什么？如何來制備皂類產品？

【學生】油脂在堿性溶液（多采用氫氧化鈉或氫氧化鉀）中水解，生成甘油和高級脂肪酸鈉（或鉀）鹽的反應。該反應稱之為皂化反應，反應所得的皂液（高級脂肪酸鹽）經鹽析、洗滌、干燥成型后稱為皂基，再繼續(xù)加工成為不同形狀和不同功能的肥皂。

設計意圖：通過驅動性問題引導學生學習STEM項目活動中的科學知識——皂化反應的原理，促進學生化學知識的學習，為后續(xù)工程設計提供知識基礎。

3.實施工程：設計、制備手工皂

（1）準備：完成手工皂制備問題清單

【教師】油脂與堿反應能夠生成高級脂肪酸鹽，那在設計制備手工皂方案之前先要解決哪些問題呢？請大家列出問題清單，并通過書本資料、網(wǎng)上檢索解決問題。

【學生】查閱資料，解決手工皂制備過程中可能出現(xiàn)的問題，完成手工皂制備問題清單（見表2）。

設計意圖：學生自己提出制備手工皂的過程中需要解決的問題，通過書本、現(xiàn)代信息技術搜索、歸納、整理，形成問題解決的方案，促使學生更進一步明確項目工程所達到的目標和解決工程設計的思路。這其中滲透了技術思想，同時也使學生明白解決項目工程問題是解決工程設計挑戰(zhàn)的第一步。

（2）配方：計算酯堿用量、水量、硬度

【教師】油脂的選擇很重要，直接影響手工皂會不會成型。今天我們準備制油脂質量為250g的手工皂，請大家依據(jù)提供的皂化值計算自己選定的配方所需的堿量和水量？水的質量一般為氫氧化鈉質量的2.33-2.35倍，判斷你選定的配方硬度是否合適？

【資料】常見油脂的皂化值和硬度值見表3

【學生】堿量：制備油脂質量為250g的手工皂（花生油）平均硬度值=99，所需NaOH的質量=250×0.136= 34.0g，水的質量約為80g。

設計意圖：明確油脂選擇的重要性，使學生通過硬度值會判斷所選原料是否合適，根據(jù)皂化值會計算配方酯堿比例、水量，同時進一步在項目工程中滲透數(shù)學思想。

（3）研制：制作手工皂

【教師】請同學們設計實驗方案，討論實驗方案是否可行，利用生活中的油酯進行實驗制備手工皂。

【學生】查閱資料設計實驗方案，并利用控制變量法進行多次試驗，確定最終的制備手工皂的方案，依據(jù)實驗方案進行手工皂的制作。

設計意圖：學生結合資料自主設計、試驗并確定最終方案，培養(yǎng)學生的自主探究能力和協(xié)作能力。實驗探究過程中學生學會記錄數(shù)據(jù)，通過數(shù)據(jù)不斷調整和優(yōu)化實驗方案，滲透了數(shù)學思想，體會到工程設計的迭代性。

（4）測試：手工皂效果

【教師】從哪些角度來測試你制作的手工皂的效果的好與壞？請大家測試自己制作的手工皂的效果如何？

【學生】清潔力、保濕力、溫和程度、酸堿性等角度來判斷。自己制作的手工皂清潔力度還行，呈弱堿性，但洗完比較干燥，容易爆皮，滋潤度比較差，起泡度一般。

設計意圖：通過測試學生制作的肥皂，發(fā)現(xiàn)實驗中存在的問題，進一步優(yōu)化實驗內容以達到項目活動目標，同時學生自己體驗一次化工生產工程的復雜性和實用性。

4.優(yōu)化工程：調整、優(yōu)化手工皂

【教師】大家制作的手工皂成品功效還可以，但與市場銷售的手工皂的差距還是比較大的，比如手工皂起泡度、硬度、滋潤度等還需要再改進。

【學生】通過查閱相關資料了解到，橄欖油、椰子油和棕櫚油是制造手工皂的代表油脂，一般制手工皂都是采用多種油按一定比例混合制備的，可以改良配方繼續(xù)制作手工皂。

【教師】手工皂的銷售量取決于消費者的需求。作為手工皂廠商，你認為應該從哪些方面來吸引顧客的眼球？

【學生】一是產品設計要符合顧客需求：清潔力、保濕度強，性質溫和、對皮膚刺激小，味道清香怡人，質地細膩、無雜質；二是手工皂造型設計要多樣新穎；三是外包裝設計要富有藝術氣息；四是宣傳設計，具有吸引性（見圖2）。

設計意圖：學生查資料并改良配方，認識各種芳香油的作用，知道生物學科學知識。學生對設計方案進行優(yōu)化改進，讓學生更深入地理解到工程學科知識，同時讓學生進行角色模擬，設計建模，認識工程與社會需求的關系，進一步培養(yǎng)學生解決實際問題的能力。

5.評價工程：展示、評價手工皂

【教師】組織手工皂展示交流會。

【學生】各小組展示小組制作的手工皂，小組代表對自己的產品配方、產品造型、產品包裝、宣傳標語進行介紹，并選出最佳產品、最佳設計、最佳宣傳作品。

設計意圖：通過組織手工皂展示交流會，一方面鍛煉學生的表達能力，另一方面使學生獲得成就感，感受手工皂的美。

四、結語

“手工皂的研制與開發(fā)”項目活動基于STEM理念，依據(jù)“皂化反應”的科學原理，涵蓋了化學核心知識（如皂化原理、化學定量實驗技能和定量思想）、跨學科知識（物理、生物、技術、藝術、數(shù)學等）、工程設計思想，可以很好地突出各學科知識，培養(yǎng)學生學習興趣，增強學生的STEM素養(yǎng)。

參考文獻

[1]余勝泉，胡翔.STEM教育理念與跨學科整合模式[J].開放教育研究，2015，21（4）：13-22

[2]竇賞，閆春更，周青，張暉英.“科—工整合”的STEM教學設計——以《水泥的制備》為例[J].中國教育信息化，2020（10）：41-45

[3]田潤，丁偉.基于化學實驗的STEM項目——設計檢測C2+0濃度的技術方案[J].化學教學，2016（11）：43-47

[4]中華人民共和國教育部.普通高中化學課程標準（2017版）[S].北京：人民教育出版社，2018

[5]人民教育出版社，課程教材研究所，化學課程教材研究開發(fā)中心.化學（選修5）有機化學基礎[M].北京：人民教育出版社，2007：7

[6]陸啟玉.油脂化工產品生產技術[M].北京：化學工業(yè)出版社，2004

[7]劉輝.指向實踐創(chuàng)新的“手工皂制作與改進”微項目[J].化學教與學，2019（9）：91-93