探索基于STEAM理念的實驗裝置改造項目

STEAM教育的目標是培養學生具備以下能力和素質：跨學科思維能力、創新思維能力、實踐能力、團隊合作精神、問題發現與解決能力、終身學習能力。為了培養學生以上能力，筆者嘗試把STEAM教育理念融入周末的社團課程。社團課擬定為項目式教學模式，但什么樣的項目主題適合初中生是筆者苦苦思索的內容。功夫不負有心人，在上下求索中，筆者發現實驗教學存在的問題可作為社團課的主題。實驗教學存在的問題是：實驗是理化生教學重要的方面，能讓學生通過動手實驗理解、掌握已學的知識，但在實際實驗過程中，常常因為安全性老師不敢做，或因為需要時間較長，老師不能做，又或者因為精確性，不能達到想要的效果。于是筆者把本單元社團課的項目主題定為“改進化學實驗裝置”。下面以“改造再探測定空氣中氧氣含量實驗裝置”這一項目為例，闡述項目實施的過程中如何融入STEAM教育理念。

一、定義學生要掌握學習的基礎知識，依據基礎知識設計綜合課程項目

基礎知識是STEAM教育的根本，包括科學知識、數學知識、藝術知識、文學知識、語言知識、哲學知識、技術方法等。

綜合課程是STEAM教育的核心，是各學科的融合，來源于實際生活，來源于與我們的生活、生存息息相關的事物，如科學、社會、人文、歷史、地理、生物都是與我們息息相關的，這樣學生才能夠提出自己的觀點，形成創新意識。“改造再探測定空氣中氧氣含量實驗裝置”這一項目是在定義基礎知識的基礎上，引導學生關注實驗裝置存在的問題，并嘗試使用開源硬件與激光切割機改進實驗裝置而設計的綜合課程項目。

二、按工程實踐方式完成綜合課程項目

在綜合課程項目實踐過程中，學習并運用基礎知識，提出創造性的方案，使用各種技術方法和各種工具，在合作溝通中解決實踐中遇到的問題，按工程實踐方式完成綜合課程項目。

第一，創設情境，在改造實驗裝置項目中培養學生發現問題的能力。在上課時，引導學生對常用的實驗儀器進行分析，因為傳統測定空氣中氧氣含量的儀器，是用肉眼觀察燃燒的白磷或紅磷，使另一燒杯的水倒流，分析出燃燒消耗了氧氣。提出：空氣中的氧氣測定，是用白磷還是紅磷燃燒后進行測定更精準，如何測定燃燒后試管里的氧含量。

第二，交流方案，在合作探究討論方案時培養學生團隊合作精神與創新思維。筆者把三名學生劃定為一組，引導學生小組合作、探究利用信息課中學習的開源硬件，設計出一款可以精準測定氧氣含量的裝置，思考該裝置需要哪些傳感器、控制器等設備，給裝置設計外觀，形成方案報告。在課堂上筆者展示各組的方案報告，討論方案的可行性以及需要改進的地方，讓每個小組代表暢所欲言，在交流碰撞中激發學生的靈感，培養學生創新思維，最終選出一種最優方案：裝置是由掌控板、掌控板擴展板、氧氣濃度傳感器、氣壓傳感器、溫度傳感器等硬件組成，用mind+圖形化編程實現需要的功能，該裝置的外觀選用椴木板制作，用LaserMaker設計，用激光切割機加工。

第三，動手實踐，在綜合運用學科知識與技能解決問題中培養學生解決問題的能力與創新思維。在筆者的協助下，學生分課時，按以下步驟，討論制作出實驗所需的裝置。

1.動手組裝裝置的硬件部分

該部分涉及物理電路相關知識，如正極、負極、數字信號等，正確連接傳感器到擴展板的針腳，才能在物理層面上正確接通部件。學生根據微課，小組合作動手把掌控板、擴展板、氧氣濃度傳感器、氣壓濕度傳感器組裝在一起時，教師補充數字信號與模擬信號的知識，協助檢查線路連接正確與否。

2.編程實現裝置的功能

程序分為兩方面：一為上傳到掌控板的圖形化編程程序，主要是將氧氣濃度等各類傳感器上收集到的數據通過WiFi上傳到UDP服務器；二為電腦端程序，即在收到數據后，通過Matplotlib庫進行的可視化處理。學生需要有圖形化編程的基礎知識，如Mind+軟件如何添加硬件的相關模塊以及控制、運算符、變量、掌控等模塊指令的使用經驗，以及Python編程基礎。在此經驗基礎上，教師補充擴展板指令、氣壓濕度傳感器指令、用戶庫的“I2C氧氣濃度傳感器”指令如何使用的知識以及Matplotlib庫的調用知識。學生上機操作，小組合作探究該如何編寫程序才能實現相應的功能。學生打開Mind+軟件，選擇“擴展”功能，添加“主控板”中的“掌控板”，“擴展板”中的“micro：bit&掌控擴展板”，“用戶庫”搜索“氧氣傳感器”，找到“I2C氧氣濃度傳感器”“傳感器”中的“BMP388氣壓溫度傳感器”后，并編寫圖形化程序。

學生在教師協助下通過Matplotlib庫對傳感器接收到的數據進行可視化處理。部分程序代碼如下：

from matplotlib import pyplot as plt

import matplotlib.animation as animation

import datetime as dt

import matplotlib

import time

import socket

#創建套接字

udp_socket=socket.socket（socket.AF_INET， socket.SOCK_DGRAM）

localaddr=（"192.168.28.111"，8888）#必須綁定自己電腦IP和port

udp_socket.bind（localaddr）

data=[]

matplotlib.rcParams['font.family']='FangSong'? #設置字體樣式

fig=plt.figure（num='氣體溫度壓強測量'，figsize=（12，6），dpi=100）

ax1=fig.add_subplot（1，1，1）

ax1.yaxis.set_tick_params（labelcolor='b'）#matplotlib庫的軸模塊中的Axis.set_tick_params（）

ax1.yaxis.set_tick_params（color='b'）

ax2=ax1.twinx（）#將ax1的x軸也分配給ax2使用

ax2.yaxis.set_tick_params（labelcolor='r'）

ax2.yaxis.set_tick_params（color='r'）

ax3=ax1.twinx（）#將ax1的x軸也分配給ax2使用

ax3.yaxis.set_tick_params（labelcolor='g'）

ax3.yaxis.set_tick_params（color='g'）

xs=[]

ys1=[]

ys2=[]

ys3=[]

defanimate（i，xs，ys1，ys2，ys3）：

recv_data=udp_socket.recvfrom（1024）#接受套接字的數據

print（recv_data）#可以看到接收的數據

recv_msg=recv_data[0]

send_addr=recv_data[1]

#O2_nd=recv_data[2]

data=recv_msg.decode（"gbk"）.split（"："）

press=int（eval（data[0]））

temp=int（eval（data[1]））

O2=int（eval（data[2]））

xs.append（dt.datetime.now（）.strftime（'%H：%M：%S'））

ys1.append（press）

ys2.append（temp）

ys3.append（O2）

xs=xs[-20：]

ys1=ys1[-20：]

ys2=ys2[-20：]

ys3=ys3[-20：]

ax1.clear（）

ax2.clear（）

ax1.set_ylabel（'氣壓P/×100Pa'，color='b'，size=15）

ax1.set_ylim（300，1600）

ax1.tick_params（'x'，labelrotation=45）

ax2.set_ylabel（'溫度℃'，color='r'，size=15）

ax2.set_ylim（0，100）

ax3.set_ylabel（'氧氣濃度'，color='g'，size=15）

ax3.set_ylim（0，100）

ax1.plot（xs，ys1，'b.-'）

ax2.plot（xs，ys2，'r.：'）

ax3.plot（xs，ys3，'g.：'）

plt.title（'測量氣體壓強、溫度'，size=20）

fora，b，c，dinzip（xs，ys1，ys2，ys3）：

ax1.text（a，b，b，ha='center'，va='bottom'，color='b'，fontsize=15，alpha=0.5）

ax2.text（a，c，c，ha='center'，va='bottom'，color='r'，fontsize=15，alpha=0.5）

ax3.text（a，c，d，ha='center'，va='bottom'，color='g'，fontsize=15，alpha=0.5）

ani=animation.FuncAnimation（fig，animate，fargs=（xs，ys1，ys2，ys3），interval=1000）

plt.show（）

udp_socket.close（）#關閉套接字

（該程序參考：https：//makelog.dfrobot.com.cn/article-311330.html所做實驗，特此感謝）

3.設計制作裝置的外觀

在外觀制作中，筆者引導學生根據現有裝置，使用草圖大師（Sketchup）進行設計，并將完成的3D圖切片放到LaserMaker中調整后利用激光切割機制作完成。

4.實驗裝置的改造通常是為了提高測量的準確性和效率

為了評估改造后的裝置是否能達到預期效果，我們需要進行一系列的實驗并收集數據進行分析。在學生設計實驗器材后，教師出示準備的實驗器材，與學生設計的器材比較優劣，學生使用該器材，觀察現象及數據變化。分析使用白磷與紅磷實驗時數據的變化，本裝置是利用掌控板、掌控板擴展板、氧氣濃度傳感器、氣壓傳感器、溫度傳感器等組成，旨在探究過量紅磷與白磷在燃燒過程中氧氣濃度、氣壓等的變化。在實驗中，我們發現隨著過量紅磷燃燒使試管內溫度上升，氧氣濃度急劇下降，當紅磷熄滅時，氧氣濃度接近8%，同時管內的氣壓先上升后下降，而過量白磷燃燒熄滅后，氧氣濃度降到3%左右，從而可得出用白磷做實驗時會消耗更多的氧氣。

STEAM教育強調跨學科的整合與應用，使學生能夠跳出傳統的學科界限，從更廣泛的視角去思考和解決問題。這種綜合性的學習方式有助于培養學生的創新思維和批判性思考能力，使他們在未來的學習和工作中更具競爭力。

在實驗裝置改造項目中，學生需要運用化學知識解決實際問題，這有助于提高他們的學習興趣和積極性。通過動手操作，學生可以更好地理解抽象的化學概念，加深對知識的掌握。同時，實驗過程中可能會出現各種問題和挑戰，學生需要學會面對困難，積極尋求解決方案，這有助于培養他們解決問題的能力。

團隊合作是STEAM教育的重要組成部分。在實驗裝置改造項目中，學生需要分工合作，共同完成任務。這有助于培養他們的溝通、協作和領導能力，為未來的職業生涯打下基礎。

總之，基于STEAM理念的實驗裝置改造項目為學生提供了一個全面性、實踐性和創新性的學習平臺，有助于培養他們的綜合素質和能力，這對培養未來社會所需的創新人才具有重要意義。

編輯：趙飛飛

注：福建寧德市基礎教育科學研究2021年度課題“初中科技創新活動與新課程教學融合研究”（課題編號：FJNDKY21-133）。

作者簡介：林曉勇（1976—），男，福建寧德人，本科，初中信息科技一級教師，研究方向：中學信息科技教學與研究、信息化教學。