[摘要]STEAM教育强调多学科的交叉融合，旨在培养学生在科学、技术、工程、艺术及数学等方面的综合素养。基于STEAM教育理念，依据刘英琦老师创建的“四层四环”育人模式，笔者以《太阳能热水器的设计与制作》STEAM教学为例进行了实践探索，形成了可借鉴的STEAM教学案例。

[关键词]“四层四环”育人模式;STEAM教育;教学案例

一、“四层四环”育人模式的基本内涵

在长期的理论研究和实践探索基础上，刘英琦老师创建了以深度理解和文化实践为路径实现化学知识向学科素养转化的化学教学“四层四环”育人模式[1]。基于他的“文化化学”教学主张，以培养具有学科素养的文化人为目标，打通了学生的学和教师的教，实现了教、学、评一体化。

化学“四层四环”育人模式包括四个理解层次和四个教学环节。（如下图）

知识理解的四个层次：经验性理解与转化-本质性理解与内化-结构性理解与外化-文化性理解与人化。从“经验性理解”向“本质性理解”发展需要切入学生知识和生活经验，转化“前结构”，并从具体显性知识的学习中抽提凝练出学科认识视角、建构认识思路，促成对基本原理的理解和知识的内化;“结构性理解”包括知识、认识视角与认识思路、核心思想观念的结构化，达到“结构性理解”的知识才能灵活运用、外化迁移与发展创新。“文化性理解”是在掌握知识、学会思维、明晰价值、理解世界的基础上，形成文化、进入世界、学会做人;不仅要具备“宏观辨识与微观探析、变化观念与平衡思想、证据推理与模型认知”的学科观念和特征思维，具有科学探究能力与创新意识，更要有科学态度与积极的社会责任担当，不断形成健全人格。“四个理解层次”紧密联系、相互渗透、不断深人，经由知识理解的四个层次，学生可以实现知识学习向素养发展的转化。四个教学环节是：“结构与价值开发”指确定学习单元，挖掘教学价值，进行知识结构;“目标与评价设计”指把握学情，研制教学目标和达标评价;“能力与意义建构”指将目标任务化，在问题解决的学科实践活动中发展能力、建构知识意义;“总结与反思交流”指单元学习成果检测、展评和总结，师生循证进行教学反思和交流，促进共同成长。

二、STEAM教学的特点与意义

STEAM是科学（Science）、技术（Technology）、工程（Engineering）、艺术（Arts）和数学（Mathematics）的统称。STEAM教育是一种培养创新型人才的教育新范式，旨在打破学科领域的界限，倡导基于项目的学习方式，强调体验性和实践性。STEAM教育以学科融合的方式让学生掌握知识与技能，在解决实际问题中重点培养学生的科学素养、创新思维和实践能力。[2] STEAM课程特点强调知识跨界、场景多元、问题生成、批判建构、创新驱动，既体现出课程综合化、实践化、活动化的诸多特征，又反映了课程回归生活、回归社会、回归自然的本质诉求。

实现将STEAM教育与核心素养进行有效对接，现实意义重大。STEAM教育主张通过资源整合的方式，来为学生们提供一个更加全面、更加立体、更加富有现实意义的学习氛围，以此来帮助学生们解决复杂问题，养成良好的思维习惯，让学生们能够获得更加全面的个人发展。将STEAM理念融入高中化学教学中，使学生不仅获得与科学、技术、工程和数学等相关的知识;还能与真实世界建立联系，将科学教育和当前的社会生产生活等紧密结合，充分理解科学、技术、工程与数学之间的交互关系，为提高学生综合素养及全面发展打下良好基础，在实施过程里逐渐培养出适应社会发展的全面综合型人才。[3]从国家层面而言，STEAM教育的发展涉及基本的公民科学素养的培养，也关乎劳动者就业能力的提升，对于促进就业、维护社会稳定、提升公民素质均具有重要意义。[4]

三、“太阳能热水器的设计与制作”STEAM教学实践

（一）结构与价值开发

“化学反应与能量转化”是高中化学必修课程中化学反应规律的重要内容。“化学反应与能量转化”是学生在学习与掌握了化学反应中的物质转化及其基本规律后，进一步从能量的视角研究化学反应。该主题的学习能够让学生认识能源利用发展史、了解我国现有能源结构以及未来新能源利用的方向，同时激发学生利用所学知识（不限于化学知识）思考、设计与解决当前能源利用中的问题的意识，进一步培养学生变化观念与平衡思想、科学探究与创新意识、科学态度与社会责任的学科核心素养。应用STEAM教育理念对该部分内容进行主题式课程设计能显著改善教学效果，对学生的化学综合学习探究能力进行深层次的培养。

本质上来讲，人类利用的所有形式的能源（除核能外）都来自太阳能。当前人类对能源的利用仍然以化石为主，导致环境问题日益凸显。太阳能在利用过程中虽然不产生污染，属于清洁能源，但光伏电池制作过程中产生污染、太阳能利用效率低、利用技术发展不足等诸多亟待解决的问题。本文基于“太阳能转化为热能装置的设计与优化以提高转换效率”为主题进行STEAM教学设计——“太阳能热水器的设计与制作”，以教材的学科知识为基础，结合生活实际，对太阳能热水器的工作原理、设计与制作方案、能量转化效率的优化等方面进行探究并动手制作太阳能热水器。在此过程中，可以极大地提高学生的思辨能力、学科综合应用能力、团队合作能力以及利用科学知识解决实际问题的能力。学生在“太阳能热水器的设计与制作”的活动中，查阅文献了解太阳能转化为热能的原理，在综合考虑太阳能热水器的制作材料、影响太阳能转化为热能效率的基础上，通过计算材料价格、能量转化效率并考虑美学的前提下，设计与制作成本低廉、效率较高、兼具美观的太阳能热水器，并进行实际测试与应用，体现了科学、技术、工程、艺术、数学（STEAM）综合素质与能力的锻炼与提升。

课时规划：完成项目总课时设置为4课时。第一课时：明确任务、回顾概念、提出方案、选择方案;第二课时：实施方案、测试方案;第三课时：改进方案;第四课时：展示交流、反思与评价。

（二）目标与评价设计

1.教学目标

2.评价与设计

对制作的太阳能热水器从科学性、实用性、艺术性等三方面进行评价，太阳能热水器评分标准及得分表（见下表）。

（三）能力与意义建构

本STEAM活动设置为4课时完成，在实施过程中，视实际教学情况灵活调整。

（四）总结与反思交流

“太阳能热水器的设计与制作”是基于STEAM理念进行跨学科教学的尝试，主要学习化学、物理等不同的学科关于“不同形式能量的转换”这一主题，以太阳能向热能的转换为线索，培养学生对跨学科知识之间的关系的把握和协调，通过整合不同学科知识之间的联系，促进学生从多维度理解和学习“太阳能向热能的转化”这一主题内容。

在设计与制作太阳能热水器的过程中，教师始终关注以下几个关键问题并指导学生进行适时调整：1.科学原理：热传导三种方式;太阳辐射能向热能的转化效率的影响因素。2.工程应用：提高太阳能热水器的加热效率，并兼顾制作成本。3.数学应用：根据水温升高、水的比热容、太阳能热水器消耗能量计算太阳能热水器的能源效率;记录测试过程中的能源效率，绘制曲线图分析不同因素对能源效率的影响。4.艺术展现：保证能源效率的前提下，考虑太阳能热水器的外观设计，尽可能提升设计的热水器商业化可能性。

在STEAM项目的设计与实施中，体现了教学过程中学生的主体地位及教师的主导作用。通过项目完成，我们越来越深刻地认识到STEAM是科学教育的重要趋势，将STEAM教育理念融入中学化学教学中，可以更好地为中学化学课堂教学服务，能促进师生共同发展。此外，实践证明运用“四层四环”育人模式，可以使STEAM项目的设计得到整体优化，使STEAM项目的实施能够进一步聚焦学生综合素养的提升。

基金项目：1.广东省教育科学“十三五”规划课题“‘四层四环’育人模式提升学生化学学科核心素养的实践研究”（课题编号：2020YQJK117）阶段成果;2.深圳市教育科学 “十四五”规划2021年度课题《基于深度学习的化学单元整体教学设计课例研究》（ybzz21142）。

参考文献

[1]刘英琦.“文化化学”的教学主张与实践探索[J].中学化学教学参考，2022（1）.

[2]申燕，郭琪琦.STEAM高中课例精编[M].北京，电子工业出版社，2021.

[3]丁杰，蔡苏江，丰光.科学、技术、工程与数学教育创新与跨学科研究[J].开放教育研究，2013（2）.

[4]郑葳.中国STEAM教育发展报告[M].北京，科学教育出版社，2022.