整合性STEM教育在初中生物傳感器選修課中的實踐

吳婷婷

摘 要 敘述在初中生物傳感器選修課中開展整合性STEM教育，將所學的初中生物知識與傳感器使用技術、數學知識和信息技術等方面結合，對學生進行課題研究的流程指導，引導學生從生活中發現問題，再將研究結果應用于生活中，提升了學生科學探究的能力和興趣。

關鍵詞 STEM 初中生物 傳感器

中圖分類號 G633.91 文獻標志碼 B

1986年，STEM教育最先在美國開始出現。如今，作為“十三五”時期教育創新發展的重要理念和內容，STEM教育逐漸在中國教育領域得到推廣。STEM代表科學（Science）、技術（Technology）、工程（Engineering）、數學（Mathematics）。與傳統的分學科教學方式相比，整合性STEM教育更注重這四門學科的有機整合和跨學科教學。目前整合性STEM教育在我國初中階段開展的實例較少，沒有太多的借鑒。

1 課題方向確定

本地區的初中生物課程安排在七年級和八年級進行，本選修課的開展需要學生具有一定的科學、計算機和數學知識及相對充足的課余時間，故分別在八年級的上學期和下學期分兩次開展。整合性STEM教育需滿足與學生已有知識相聯系的一般原則。在七年級的生物課堂教學中，學生已經初步學習了植物的光合作用、呼吸作用、酸雨的形成（含pH的概念）、心率的概念、食品腐敗的原因等生物學內容。實驗室具備傳感器若干套，包括：二氧化碳傳感器、氧氣傳感器、溶解氧傳感器、pH傳感器、心率傳感等，另外還有光照恒溫培養箱和常規實驗儀器等。學生根據實驗室現有條件，結合已學知識或生活實踐確定自己感興趣的主題。

例如，學生學習了光合作用的內容后，知道了植物在光照條件下，可以吸收二氧化碳，產生氧氣。但是一株植物到底能產生多少氧氣呢？這個過程和環境中的哪些因素有關呢？于是確定了“探究影響光合作用效率的因素”的主題。初中生喝飲料較多，因此他們想知道各種飲料的酸堿度如何，長期喝對人體是否有影響，于是確定了“探究市場上各類飲料的酸堿度”的主題。網絡上一度流傳“保鮮膜并不能保鮮”的說法，為了防止食品腐敗，到底是用保鮮膜好，還是不用保鮮膜好？由此確定了“探究影響食品腐敗的因素”的主題。還有“探究影響心率的因素”“探究不同土質土壤的酸堿度”等主題。

在STEM教育應用中，教學模型根據給定的限定條件不同，可以分為支架式和開放式。本課程采用開放式，即更多由學習者自行提出目標并自行完成任務。八年級的學生求知欲和發散性思維較強，在教師介紹了已有的實驗設備后，學生三人組成探究小組，會提出很多有趣的探究主題。教師將所有主題都記錄在案，根據可行性和教學時間進行合理安排，每學期以進行3個探究主題為宜。

2 課題內容梳理

每個探究主題確立后，教師會下發探究報告，指導學生對課題內容進行梳理。探究報告中包括：實驗小組的名稱、實驗時間、實驗目的、實驗原理、實驗器材及試劑、實驗設計、數據統計、實驗結論、實驗反思和拓展。教師通過指導學生查閱文獻資料，幫助學生分析探究目的、實驗原理。學生根據探究主題，確定具體實驗變量，進行實驗設計，可以用文字或流程圖的方式展示實驗步驟，并根據實驗步驟列出所需的實驗器材及試劑。

3 教學課時安排

初中選修課一學期開設10次，每次2課時，共計20課時。本課程安排如表1所示。

其中，某些實驗如若每天需要定時測量，就利用課余時間進行。例如探究影響食物腐敗的因素，學生就利用午飯后的時間到實驗室進行測量。

4 教學實施過程

目前，美國中小學STEM教育較多采用輔助式整合，即教師設計的教學活動或單元涵蓋兩門以及以上學科，但把其中一門預設為主要學科，其他學科只是為了輔助該學科的學習。在本課程中，教師以此為借鑒，以生物科學為主，數學和工程（傳感器）為輔。

4.1 設備培訓

傳感器作為本STEM課程的輔助性工具，學生要熟悉其原理和使用。教師在教學過程中將傳感器比喻成靈敏的觸角，以激發學生的興趣，講授設備連接、設備使用、軟件應用、設備復原等環節。

4.2 課前準備

本實驗是開放性的實驗，由學生根據本組實驗需求列出清單，可以自己準備，也可以在實驗室老師的幫助下配齊。

例如，在“探究檢測市場中常見飲料的酸堿度”課題時，學生自己分工準備了純水、碳酸飲料、運動飲料、果汁、茶類、奶類、咖啡、蜂蜜水、巧克力水等多種類型的飲料，并和實驗室老師溝通，準備好大小燒杯若干、玻璃棒、pH傳感器探頭、數據采集器和電腦（配套傳感器軟件、Excel等軟件）等。

4.3 課題實施

生物科學是本STEM的核心學科，觀察是學生發現問題的出發點。在課題實施過程中，教師要特別注意培養學生生物知識技能。教師提前告知學生各種儀器的使用方法和注意事項，并請學生特別注意實驗操作的重復性原則、對照原則、控制單一變量原則以及規范性操作。教師在一旁進行觀察和及時指導。當實驗結果與預期不符時，學生也可以及時和教師溝通，或課后再通過查閱文獻資料解決問題。

例如，在“探究溫度對光合作用效率的影響”中，應將兩盆相似的植物放在光照等無關變量相同、溫度不同的環境中測量。學生發現在某溫度條件下測得氧氣產生量為負值，產生此時“是否不進行光合作用”的疑惑。后經過教師的指導，他們知道植物在進行光合作用的同時進行呼吸作用，測得的值為凈光合速率；若想測得真正的光合速率，還需要先測無光條件下的呼吸速率。

再如，在“探究市場上各類飲料的酸堿度”中，一開始學生準備直接將傳感器探頭深入飲料瓶中測量。后經過教師指導，學生先取若干個50 mL的小燒杯，編號、貼好標簽。手握貼有標簽一側的燒杯，用玻璃棒引流，分別倒入等量的飲料，再進行測量。

學生在課題實施過程中，學習了過濾、引流等實驗技術，并體會了規范操作的重要性，還不斷發現問題，解決問題，各種能力得到了很大的提升。

4.4 數據處理和得出

數學作為本STEM課程的輔助性工具，能幫助學生更好的總結、分析實驗結果，反映科學規律。在本課程中，教師要求學生在數據記錄前設計好統計表格，課程實施中及時填寫真實數據，計算出平均值。并鼓勵學生將表格中的數據轉化成曲線圖或折線圖等形式。學生學會了對數據進行不同方式的處理，體會到表格利于統計和計算，而圖形、曲線更能直觀反映趨勢。

例如，在“探究食品腐敗的環境因素”的課題論文中，某小組就利用excel軟件將數據處理成折線圖進行呈現（圖1）。

4.5 課題匯報交流

各個實驗小組完成實驗報告，呈現研究問題、過程、測量數據及結果，學生間交流和分享整個課題研究過程，并相互評價。

例如：在“探究溫度對光合作用效率的影響”中，某小組在25℃和5℃的情況下，測得的結果相似。點評的小組對比本組測試結果，指出測量應該在測試的溫度下放置一段時間之后再測量，否則誤差較大，并提出了重復實驗的重要性。

匯報和評價過程是學生對各個學科知識和技能的進一步整合，使學生逐漸學會如何用數學、工程知識分析生活中的生物現象。

4.6 撰寫課題論文

學生如果對某一實驗的研究比較深入，可繼續查閱資料，思考與實際生活的聯系，撰寫論文。教師對學生論文撰寫的流程、格式和內容等進行指導。

例如，在“探究影響食品腐敗的環境因素”課題中，某小組除了探究了“溫度對牛奶腐敗的影響”，還受到微信中某文章的啟發，探究了“覆蓋保鮮膜對牛奶腐敗的影響”，并撰寫了論文。論文將對照實驗的結果進行分析，得出以下兩個結論：① 食物保存過程中，短期可以使用保鮮膜，長期則應使用低溫保存法較為可靠；② 食物廠家提供的保質期是科學的，所以超過保質期的食物不可以食用。

學生在撰寫成論文的過程，體會了各科知識綜合運用的重要性，強化了用STEM理念去解決實際問題的能力。

參考文獻：

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