基于STEAM教育理念的初中科學單元整體教學設計與實施研究

中圖分類號：G633.7 文獻標識碼：A 文章編號：1673-8918（2025）25-0115-03

STEAM教育作為一種注重實踐的超學科教育理念，強調打破學科界限，重視學習與實踐的聯系。隨著科技的快速發展與教育的不斷改革，STEAM理念已逐漸成為當前教育發展的熱點內容。在初中科學教育中融入STEAM理念，不僅能夠提升學生的科學素養，還能夠培養學生的跨學科思維能力、創新能力與實踐能力。“代謝與平衡”是初中科學教學中的重要單元，涉及食物營養、能量代謝、消化系統、泌尿系統等多個方面的知識。傳統的科學教學模式往往將這些知識割裂開來，導致學生難以形成系統的認知和理解。由此，本研究以“代謝與平衡”單元為例，探討基于STEAM教育理念的初中科學單元整體教學設計與實施，具有實踐意義。

一、STEAM教育理念概述

STEAM教育起源于20世紀中葉，其發展歷程與美國對科技教育的重視密不可分。1957年，蘇聯成功發射第一顆人造衛星，使美國意識到自身在科技領域的落后，從而引發了對教育體系的深刻反思。1958年，美國國會通過了《國防教育法》，強調加強自然科學、數學、現代外語及科技訓練的教育，這被視為STEAM教育的前身。隨著時間的推移，STEM（科學、技術、工程和數學）教育逐漸成形，并在全球范圍內得到推廣。

2006年，美國弗吉尼亞科技大學的Yakman教授提出將藝術（Arts）增添到STEM教育中，從而形成了STEAM教育的概念。這一創新不僅豐富了教育內容，更強調了跨學科整合的重要性。STEAM教育的核心要素包括科學、技術、工程、藝術和數學，這些學科在STEAM教育框架下相互融合，共同促進學生的全面發展。

STEAM教育具有統整性、趣味性、體驗性、創造性和實證性。它打破了傳統學科界限，能通過跨學科學習，提升學生的問題解決能力和創新能力。同時，STEAM教育注重實踐與體驗，鼓勵學生在動手實踐中學習和探索。在創造性方面，STEAM教育強調發散性思維，鼓勵學生運用綜合知識解決實際問題。此外，STEAM教育還注重實證性，基于科學原則進行試錯和學習，培養學生的科學素養和實證精神。

二、初中科學教育中存在的問題

（一）科學教育體系尚不完善

在當前的教育體系中，初中科學教育往往被視為一個相對獨立的階段，與小學和高中科學課程之間的銜接并不緊密。這種割裂的科學教育模式導致學生在知識理解和應用能力上存在明顯的斷層。例如，小學階段的科學教育可能側重于基礎概念的掌握和現象的觀察，而高中階段則更多地涉及深入的理論探討和實驗技能。然而，初中科學教育在這一過程中未能有效地起到橋梁作用，使得學生在進入高中后面對更為復雜的科學概念時感到困惑和無所適從。

這種割裂還體現在科學教育內容的連貫性不足上。初中階段的學生在學習物理、化學、生物等科學課程時，往往難以將所學知識與小學階段的科學基礎相結合，也無法為高中階段的深入學習打下堅實的基礎。這種缺乏系統性的銜接不僅影響了學生對科學知識的全面掌握，還限制了他們在科學領域的深人探索和發展。

（二）科學教育資源配置不均衡

在當前的中小學教育環境中，科學教育資源的配置存在明顯的不均衡現象。一些學校由于地理位置、經濟條件或政策導向等因素的限制，難以獲得足夠的科學教育資源支持。這些學校往往缺乏先進的實驗設備、豐富的課外活動和專業的科學教師團隊，從而限制了學生科學素養的提升。

例如，在一些偏遠地區或經濟欠發達的中小學校，科學實驗室可能較為簡陋，實驗設備和材料嚴重不足。這導致學生在進行科學實驗時無法獲得足夠的實踐機會和直觀體驗，難以深入理解科學原理和應用技能。此外，這些學校還可能缺乏專業的科學教師團隊，無法為學生提供高質量的科學教育和指導。

（三）科學教學方法單一

在當前的科學教育中，傳統的教學方法過于注重知識的傳授和記憶，忽視了學生的實踐能力和創新思維的培養。課堂上往往采用講授式的教學方式，缺乏探究式學習和跨學科整合的教學活動，這導致學生被動接受知識，缺乏主動探索和解決問題的能力。

例如，在一些科學課堂上，教師可能只是簡單地講解科學原理和實驗步驟，然后要求學生進行模仿和記憶。這種教學方式不僅無法激發學生的學習興趣和積極性，還限制了他們在科學領域的創新和發展。此外，由于缺乏跨學科整合的教學活動，學生往往難以將所學知識與實際生活和其他學科相結合，從而限制了他們的視野和思維方式。

三、基于STEAM的初中科學單元整體教學設計及實踐——以“代謝與平衡”為例

（一）跨學科整合，構建系統知識體系

在“代謝與平衡”這一教學單元中，跨學科整合成為構建學生系統知識體系的關鍵。具體設計如下：首先，教師從生物學角度出發，通過生物實驗深入探究生物體內的代謝過程。例如，組織學生觀察酵母菌的呼吸作用實驗，通過顯微鏡觀察酵母菌在不同條件下的形態變化，以及通過檢測二氧化碳的釋放量來理解有氧呼吸和無氧呼吸的區別。在此基礎上，結合化學知識，教師引導學生理解代謝產物的性質。比如，分析酵母菌呼吸過程中產生的酒精和二氧化碳的化學性質，以及這些產物在生物體內外的作用和影響。最后，運用物理知識，教師進一步分析代謝過程中的能量轉換和平衡狀態。比如，通過熱力學原理解釋生物體內能量的流動和轉化，以及如何通過調節代謝速率來維持生物體的能量平衡。

在實際教學中，教師可以設計跨學科的教學活動，例如，以“生物體內的能量流動與轉化”為主題的研討會。這種教學活動可以邀請生物學、化學和物理學等學科的教師共同參與，從不同學科視角對代謝與平衡這一核心概念進行深度剖析。

從生物學角度看，可以重點探討生物體內的能量代謝過程，包括光合作用和細胞呼吸等基本生理過程，以及它們在維持生命活動中的重要作用。化學教師則可以深人講解ATP-ADP循環中化學鍵能的轉化機制，以及酶在生物催化過程中的關鍵作用。物理學視角則能夠幫助學生理解能量守恒定律在生物系統中的體現，以及熱力學第二定律對生命系統的限制。

通過這種跨學科的協同教學，學生能夠建立起更加全面和立體的知識體系。例如，在討論細胞呼吸時，學生不僅可以理解葡萄糖分解產生ATP的生物學意義，還能從化學角度認識氧化還原反應的本質，同時掌握能量轉化的物理定律。這種多維度學習方式有助于學生深刻理解代謝與平衡這一核心概念在生命科學中的重要地位。在教學實施過程中，教師可以采用問題導向的教學方法，鼓勵學生提出跨學科的問題和見解。例如，可以引導學生思考：為什么生命系統需要持續的能量輸入？酶如何降低活化能來加速化學反應？這些問題能夠激發學生的探究興趣，培養其跨學科思維能力。

（二）提供多樣化資源，促進實踐操作

針對科學教育資源配置不均衡的問題，教師可以利用數字化資源和虛擬實驗室等技術手段，為“代謝與平衡”單元的教學提供多樣化的學習資源和實踐操作機會。具體設計如下：首先，教師引入了在線模擬實驗平臺，如PhETInteractiveSimulations等，這些平臺提供了豐富的科學實驗模擬，包括細胞呼吸、光合作用等代謝過程。學生可以在虛擬環境中進行實驗操作，觀察實驗現象，收集數據，并進行分析。此外，教師還開發了虛擬實驗室，模擬真實的實驗環境和設備，讓學生在安全、便捷的環境中進行實踐操作。

在教學中，教師可充分利用數字化教學資源，組織學生開展在線模擬實驗和虛擬探究活動。以“探究酵母菌呼吸作用的影響因素”為例，教師可設計包含溫度、 .pH 值、底物濃度等變量的虛擬實驗平臺。在實驗過程中，學生可自由調整實驗條件，如將溫度設定在 20% 至 40°C 之間， pH 值控制在4.0至8.0范圍內，底物濃度從 0.1% 至 5.0% 梯度變化。通過交互式操作界面，可以使學生直觀觀察到不同條件下酵母菌呼吸速率的變化趨勢，并實時記錄 CO₂ 產生量 ?0₂ 消耗量等實驗數據。

基于收集的實驗數據，教師可引導學生運用統計學方法進行分析處理，如使用Excel軟件進行數據擬合、方差分析等。通過構建折線圖、柱狀圖等可視化圖表，學生能夠更清晰地識別各因素對酵母菌呼吸作用的影響程度。同時，教師可設置對比組，要求學生將虛擬實驗結果與傳統實驗室條件下獲得的數據進行對比分析，探討兩種實驗方法的差異及其產生原因。

（三）實施探究式學習，培養創新思維

在“代謝與平衡”單元中，教師可以設計探究式學習活動，以激發學生的創新思維和問題解決能力。具體設計如下：首先，教師鼓勵學生提出問題，如“如何調節生物體的代謝速率以維持能量平衡？”等。隨后，引導學生設計實驗方案，收集數據，分析結果，并得出結論。在實驗設計過程中，教師注重培養學生的批判性思維和創新能力，鼓勵他們嘗試不同的實驗方法和手段，以得出更為準確和全面的結論。

教師需要為學生搭建科學探究的腳手架，包括提供必要的實驗器材、指導文獻檢索方法、規范實驗記錄格式等。每個小組成員根據個人特長分工協作，如充當實驗操作員、數據記錄員、資料收集員、成果匯報員等角色，在完成各自任務的同時，通過定期的小組討論和成果分享，促進知識的共建與深化。這種協作學習模式不僅能夠培養學生的科學探究能力，還能有效提升其溝通協調、問題解決等核心素養。

為進一步增強學習內容的現實意義，教師可以引入真實世界的科學案例和復雜情境。例如，在“肥胖癥與代謝失衡的關系”這一主題下，學生可以探討能量代謝的生物學機制，分析飲食結構與能量平衡的關系，甚至模擬設計個性化的健康管理方案。通過將抽象的科學概念與具體的生活場景相結合，學生能夠更好地理解科學知識在現實生活中的應用價值，培養其科學思維和社會責任感。

四、結論

總的來說，基于STEAM教育理念開展初中科學“代謝與平衡”單元整體教學設計與實施，能有效整合科學、技術、工程、藝術與數學多學科知識，構建以真實問題為驅動的學習情境，可進一步激發學生的探究興趣與創新思維。單元整體教學模式不僅能強化知識傳授的系統性，更能促進學生核心素養的全面發展。未來，期望有更多研究將進一步優化STEAM教學策略，探索智能化教學工具的深度應用，同時加強校際合作，共享優質教學資源，持續深化初中科學教學改革，為培養適應時代需求的創新型人才提供更堅實的教學支撐。

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