CDIO模式融入跨学科实践活动

摘要

一线教师在跨学科实践活动中，由于对基于融合的跨学科学习方式理解不足，在融合工程教育的跨学科实践活动设计与实施中出现了一些异化现象。CDIO工程教育模式“构思、设计、实施、运行”的完整融入方式，为解决跨学科实践活动中的问题提供了创新思路。以“基于特定需求设计和制作简易供氧器”为例进行实践，培养了学生的工程实践能力、创新意识和团队协作能力，为促进新课标、新教材从“文本”到“行动”的落地提供助力。

Graphical abstract

关键词

工程教育 / 跨学科实践活动 / CDIO模式 / 简易供氧器

中小学工程教育是国家工程技术人才培养体系的底层架构，旨在基础教育阶段培育学生的工程意识、工程能力^［1］。运用跨学科理念开展学科融合，是中小学工程教育的实践方法和有效途径^［2］，这对一线教师提出了新的挑战和使命。调研发现，有的教师“穿靴戴帽”，将“工程”仅作为引入的情境之一；有的忽视核心素养的培养和学业质量要求，出现了“课堂热闹，学生积极，但素养落实不到位”的“形式化”现象；有的受传统讲授式教学的影响，教师“控制”过多，评价“过死”，将“像工程师一样解决问题”的科学探究与实践简化为“照方抓药”式机械操作或者简单“验证模仿”，束缚了学生的创造力。

针对以上问题，《义务教育化学课程标准（2022年版）》在附录1“基于特定需求设计和制作简易供氧器”这一融合工程教育的案例中，通过分析育人价值、建构内容结构、确定核心活动，为教学设计提供了示范，提出了必做实验整合、课时安排、评价量规制定等注意事项和实施建议^［3］。但课标中细节传递并不到位，对融合工程教育的跨学科实践指导作用尚显不足^［4］。

1 CDIO工程教育模式

美国麻省理工学院和瑞典皇家工学院等4所工科大学于2000年提出了集构思（Conceive）、设计（Design）、实施（Implement）和运行（Operate）4个环节于一体的CDIO工程教育模式。以产品研发到产品运行的生命周期为载体，引导学生通过主动实践、跨学科融合的方式学习工程^［5］，目前已迭代为强调数字化、系统思维、敏捷学习的CDIO 3.0版。在中小学阶段已有研究中，王茜等^［6］以“小工程师”进修之旅为主线，对导引课进行设计和实施，将工程教育“片段”融入跨学科实践进行了尝试，激发了学生迎接挑战的斗志和主动学习的热情，既能帮助学生循序渐进地有序开展工程实践，又能丰富对工程实践的整体性体验和认识。然而，关于CDIO工程教育完整融入的研究实践较少^［7］。笔者以“爱的供氧——基于特定需求设计和制作简易供氧器”这一融合工程教育的跨学科实践为例，阐述CDIO工程教育完整融入跨学科实践的设计、实施过程。

2 “爱的供氧”跨学科实践整体规划

2.1 主题分析

“爱的供氧”项目主要是为了满足居家老人保健吸氧这一“定量可控”的特定需求，制作简易供氧器。综合体现课标学习主题二和四的大概念及核心知识，承载学生必做实验“氧气的实验室制取与性质”，涉及学习主题五中化学与材料、化学与健康的相关内容。九年级学生在学习本单元之前，已经了解工业和实验室制备氧气的方法，知道化学反应的微观本质，熟练掌握物质的质量和物质的量之间的计算，在科学课上有设计并制作能较长时间维持平衡的生态瓶等工程技术基础，具有一定的跨学科学习能力，对于自制一台制氧机充满期待。但应用多种知识解决“爱的供氧”这个复杂、综合工程问题的能力不足，运用元素观、守恒观、变化观、设计思维、工程技术等核心素养系统解决工程问题的思路和方法掌握不够。

2.2 任务分解

依托课标学业要求，对沪教版“世界通用的化学语言”“人类赖以生存的空气”“化学变化中的质量守恒”等章节进行重构，将质量守恒定律、化学方程式的书写与计算、实验室制取氧气、工程技术等知识融合在一起，形成驱动性的工程问题——如何根据老人居家保健吸氧需求自制“定量可控”制氧机？融合CDIO工程教育模式，将该工程问题分解为4个子任务“构思，界定任务”“设计，建构模型”“实施，制作作品”“运行，作品发布”。

2.3 目标设计

（1） 通过满足用户特定需求供氧器的设计与制作，促进质量守恒定律、化学方程式简单计算等核心知识的结构化。

（2） 通过从科学原理、用户需求、现实装置问题等多元视角系统思考，有理有据地表达观点和进行价值判断，促进对相关学科核心知识的理解，发展“系统与模型”“比例与定量”等跨学科大概念，提升跨学科素养。

（3） 通过经历完整CDIO工程实践——构思，界定任务；设计，建构模型；实施，制作作品；运行，作品发布，整体体验和认识真实产品设计的思路和方法，体会生活与化学、化学与技术工程、跨学科与实际应用的紧密关系，提升科学思维与创新意识。

2.4 教学流程

在“爱的供氧”这一真实工程问题解决过程中，学生经历完整的C—D—I—O四阶段，具体流程如图1所示。

3 教学过程

3.1 C阶段——主要任务是构思，界定任务

（1） 激活经验，初步构思。

【教师引导】经过前期调研，对比实验室制氧，自制一台“爱的供氧”制氧机需要考虑哪些因素？可以从原料、装置、操作、产品等角度思考。

【学生思考】实验室制氧在原料上需要选取含氧元素的化合物，而制氧机还要考虑原料要易得、便宜、反应不能过快、方便储存携带等；在装置上不能像实验室那样散乱，需要一体化便携；在操作上要随开随用，不能过于复杂，方便老人使用；产品要安全纯净，实验室制得的氧气夹杂有黑色的二氧化锰，不利于健康。

（2） 类比成品，界定任务。

【教师引导】观察市售制氧机（图2），其原理与实验室制氧相似，寻找装置的相似或不同之处。

【学生思考】同样需要良好的气密性，制氧机在提手抬起时可将密封盖压紧，相当于实验装置中的橡皮塞；氧气通道与实验室制氧导管类似；反应仓的作用和发生装置一样，是氧气产生的地方；加湿过滤仓类似实验室制氧中的净化装置，有加湿、过滤洁净的作用，还有降温散热的作用，使产生的氧气更安全纯净，体感更舒适。不同之处是制氧机装置是一体化的，更便捷美观，但无法像实验室一样用分液漏斗实现滴速可控，使反应平稳进行。

【教师引导】根据表1所示制氧机产品数据资料：氧纯度≥99.6%，出氧量≥320 mL/min，A剂1袋100 g，B剂1袋3 g，将A剂、B剂加入已经加好水的制氧器反应仓中，通过导管和鼻塞吸氧，你认为还需要考虑哪些因素？

【学生思考】氧纯度、平均供氧量、供氧时间等定量的要求也是产品设计中应考虑的问题。“爱的供氧”属于“保健吸氧”情况，产品A剂100 g，B剂3 g应达到平均供氧量320 mL/min，供氧时间≥15 min的标准。

【教师引导】根据QB/T 5368—2019家用制氧机行业标准^［8］，氧纯度≥90%即可，设计实验验证：用同样100 g 3%过氧化氢溶液代替A剂和3 g二氧化锰代替B剂，能否满足老人保健吸氧要求？可以使用数字化工具，如氧含量传感器和平均供氧量测试仪快捷检验。

【学生活动】分组实验并汇报结果：100 g 3%过氧化氢溶液与3 g二氧化锰反应，平均供氧量为1 500 mL/min，氧含量为92%，但供氧时间仅约30 s，远远小于15 min，因此不能满足保健吸氧的需求，如果要达到标准，粗略计算需要6大瓶500 mL 3%的过氧化氢溶液，投料量过多，因此，选择药品也要注意便携和用量。

3.2 D阶段——主要任务是设计，建构模型

（1） 关注定量设计。

在课前制氧机1.0版交流中，学生都关注到了“定量”的需求，纷纷对产品说明书中“1包100 g A剂，1包3 g B剂，供氧量≥7 000 mL”产生了疑问，要解决产量问题，首先要明确反应原理。结合说明书中的信息，猜测神秘A剂和B剂的成分，并有理有据地说明猜测依据是什么？

【学生思考】猜测B剂是二氧化锰，因为它的颜色是黑色的，同时在说明书的注意事项中提到“连续供氧只需补充A剂即可，不必另加B剂”，也推出B剂应是化学反应前后质量和化学性质不变的催化剂二氧化锰，A是含氧元素的反应物。

【教师引导】大家猜得没错，白色的A剂是过碳酸钠，黑色的B剂是二氧化锰，反应原理为：①过碳酸钠遇水，分解成碳酸钠和过氧化氢：2Na₂CO₃·3H₂O₂=2Na₂CO₃+3H₂O₂；②过氧化氢在二氧化锰的催化下生成水和氧气：2H₂O₂=2H₂O+O₂↑。要想知道供氧量多少毫升，需要什么数据？

【学生活动】交流讨论。

生1：需要知道一包100 g过碳酸钠A剂中含过氧化氢物质的量，进而算出其中氧元素的量，得出产生氧气的量和质量，根据密度可得出氧气体积。

生2：我不同意，根据化学反应原理，过氧化氢中的氧元素并未全部转化为氧气，而是每2个过氧化氢分子分解生成1个氧分子，即每2 mol过氧化氢分子分解生成1 mol氧分子，所以1 mol过氧化氢分子分解生成0.5 mol氧分子。

根据化学方程式发现，其中的系数比、分子个数比、物质的量比，它们是一个定比关系，同时还可以获得另外一个定比关系——质量比。经过查阅资料和推算，100 g过碳酸钠完全分解大约可得到1 mol过氧化氢，在标准状况下，1 mol任何气体所占的体积都是22.4 L，你能否得出100 g过碳酸钠产生氧气的体积？能否满足保健吸氧的需求？请完成解密氧气产量思维路径图（图3）。

【学生活动】根据方程式中的定比计算可得，100 g A剂分解生成氧气为11 200 mL＞7 000 mL，能满足需求。

【教师总结】利用化学反应表达式的符号表征——化学方程式，建构各物质的比例关系模型，并应用比例关系模型进行定量计算。在设计和制作“爱的供氧”制氧机时，可以利用这个模型进行定量计算，以满足用户需求。

（2） 建构模型，完善设计。

在明确了原理、需求的情况下，小组讨论：从装置的角度如何评价一台合格的“爱的供氧”制氧机？

【学生思考】首先考虑符合QB/T5368—2019标准中定量等要求，即产品的功能性、可行性与操作性，进一步还要考虑制氧效率与经济、美观、环保等其他因素。

【教师引导】梳理大家的思路，可以建构并完善产品设计与制作“需求、原理、装置”进阶思维模型（图4），课下借助模型的支架性帮助，优化迭代“爱的供氧”制氧机2.0版，为制作和展示作好铺垫。

3.3 I阶段——主要任务是实施，制作作品

为确保制作过程安全，提供热熔枪、酒精灯等工具安全使用辅导和单向止回阀、快速接头等制作材料指南。要求学生分工合作完成作品制作，可随时利用数字化传感仪快速检验产品是否达标，更敏捷地优化迭代作品。

【学生活动】应用师生共同建构的进阶模型，优化方案，制作作品，在多种可能的解决方案中比较和权衡，通过多轮次的“设计—行动—反思”，不断优化迭代，完成最终产品。

3.4 O阶段——主要任务是运行，作品发布

发布会共3个环节，第1环节：强调需求，明确标准，由用户再次明确产品需求和评价标准；第2环节：产品发布，每组限时汇报并互评，要突出改进设计图和实际改进的过程，展示制氧机1.0、2.0……设计图和实物，学生为定量、可控，创新性地提出“扭蛋机”投料方案（图5），外显从美观、实用、成本等方面做出权衡和从设计到改进迭代的循环过程，发布结束后，要对其他小组提出的“亮考帮”（亮点、思考、建议）限时有理有据地答辩^［9］；第3环节：专家点评、总结提升，个人梳理收获。

【学生活动】分组汇报，评价记录，参照表2所示评价量表进行“亮考帮”答辩，将核心知识进行结构化梳理，外显展示（图6）。

4 教学反思

在现有义务教育课程体系中，九年级化学教学课时数并不充裕，以多课时设计为特征的跨学科实践活动落地实施，首先要解决的是教师担心的课时问题^［10］。教师在CDIO模式融入跨学科实践时，可采用与其他学科（生物学中涉及呼吸、消毒，物理中涉及压强、分离方法、气体分子运动等知识）合作研发的形式进行，打破学科界限，以缓解融合工程教育跨学科实践活动课时紧张的问题，作好课时保障。

在CDIO完整融入、有序推进工程问题解决的过程中，为避免学生在设计与实施阶段“天马行空”，需强调在可量化标准、材料和法律法规等诸多限定的前提下优化迭代，帮助学生形成产品化的思维^［11］。运行阶段不能只是学生热闹地表演，教师要引导学生在自述、“亮考帮”互评中进行有理有据的表达，使学生化学观念（元素观、变化观）、科学思维（建构、应用“原理—需求—装置”模型）、科学探究与实践、科学态度与责任等核心素养发展外显。

参考文献

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[3] 中华人民共和国教育部. 义务教育化学课程标准（2022年版） ［S］.北京：北京师范大学出版社，2022.

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[8] 中华人民共和国工业和信息化部. 家用制氧机：QB/T 5368—2019 ［S］.北京：中国轻工业出版社，2019.

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[10] 李朝辉，阎文丽.初中化学跨学科实践活动项目化教学：空间站长期驻留制氧方案［J］.化学教育（中英文），2023，44（15）：127-128.

[11] 李朝辉，阎文丽.“双新”背景下“循证翻转”教研模型的再构与实践：以“融合工程教育的跨学科实践活动设计实施模型建构”校本教研为例［J］.基础教育课程，2024（12）：80-86.

基金资助

2023年度上海市教育科学研究项目“基于CDIO的初中工程教育实践研究”(C2023248)