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(xué)的初中生物知識與傳感器使用技術(shù)、數(shù)學(xué)知識和信息技術(shù)等方面結(jié)合，對學(xué)生進行課題研究的流程指導(dǎo)，引導(dǎo)學(xué)生從生活中發(fā)現(xiàn)問題，再將研究結(jié)果應(yīng)用于生活中，提升了學(xué)生科學(xué)探究的能力和興趣。

關(guān)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(xiàn)。如今，作為“十三五”時期教育創(chuàng)新發(fā)展的重要理念和內(nèi)容，STEM教育逐漸在中國教育領(lǐng)域得到推廣。STEM代表科學(xué)（Science）、技術(shù)（Technology）、工程（Engineering）、數(shù)學(xué)（Mathematics）。與傳統(tǒng)的分學(xué)科教學(xué)方式相比，整合性STEM教育更注重這四門學(xué)科的有機整合和跨學(xué)科教學(xué)。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(qū)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(xué)生具有一定的科學(xué)、計算機和數(shù)學(xué)知識及相對充足的課余時間，故分別在八年級的上學(xué)期和下學(xué)期分兩次開展。整合性STEM教育需滿足與學(xué)生已有知識相聯(lián)系的一般原則。在七年級的生物課堂教學(xué)中，學(xué)生已經(jīng)初步學(xué)習(xí)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(xué)內(nèi)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(yǎng)箱和常規(guī)實驗儀器等。學(xué)生根據(jù)實驗室現(xiàn)有條件，結(jié)合已學(xué)知識或生活實踐確定自己感興趣的主題。

例如，學(xué)生學(xué)習(xí)了光合作用的內(nèi)容后，知道了植物在光照條件下，可以吸收二氧化碳，產(chǎn)生氧氣。但是一株植物到底能產(chǎn)生多少氧氣呢？這個過程和環(huán)境中的哪些因素有關(guān)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(wǎng)絡(luò)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(zhì)土壤的酸堿度”等主題。

在STEM教育應(yīng)用中，教學(xué)模型根據(jù)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(xué)習(xí)者自行提出目標并自行完成任務(wù)。八年級的學(xué)生求知欲和發(fā)散性思維較強，在教師介紹了已有的實驗設(shè)備后，學(xué)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(jù)可行性和教學(xué)時間進行合理安排，每學(xué)期以進行3個探究主題為宜。

2 課題內(nèi)容梳理

每個探究主題確立后，教師會下發(fā)探究報告，指導(dǎo)學(xué)生對課題內(nèi)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?zāi)康?、實驗原理、實驗器材及試劑、實驗設(shè)計、數(shù)據(jù)統(tǒng)計、實驗結(jié)論、實驗反思和拓展。教師通過指導(dǎo)學(xué)生查閱文獻資料，幫助學(xué)生分析探究目的、實驗原理。學(xué)生根據(jù)探究主題，確定具體實驗變量，進行實驗設(shè)計，可以用文字或流程圖的方式展示實驗步驟，并根據(jù)實驗步驟列出所需的實驗器材及試劑。

3 教學(xué)課時安排

初中選修課一學(xué)期開設(shè)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(xué)生就利用午飯后的時間到實驗室進行測量。

4 教學(xué)實施過程

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

4.1 設(shè)備培訓(xùn)

傳感器作為本STEM課程的輔助性工具，學(xué)生要熟悉其原理和使用。教師在教學(xué)過程中將傳感器比喻成靈敏的觸角，以激發(fā)學(xué)生的興趣，講授設(shè)備連接、設(shè)備使用、軟件應(yīng)用、設(shè)備復(fù)原等環(huán)節(jié)。

4.2 課前準備

本實驗是開放性的實驗，由學(xué)生根據(jù)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(xué)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(shù)據(jù)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(xué)是本STEM的核心學(xué)科，觀察是學(xué)生發(fā)現(xiàn)問題的出發(fā)點。在課題實施過程中，教師要特別注意培養(yǎng)學(xué)生生物知識技能。教師提前告知學(xué)生各種儀器的使用方法和注意事項，并請學(xué)生特別注意實驗操作的重復(fù)性原則、對照原則、控制單一變量原則以及規(guī)范性操作。教師在一旁進行觀察和及時指導(dǎo)。當實驗結(jié)果與預(yù)期不符時，學(xué)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(yīng)將兩盆相似的植物放在光照等無關(guān)變量相同、溫度不同的環(huán)境中測量。學(xué)生發(fā)現(xiàn)在某溫度條件下測得氧氣產(chǎn)生量為負值，產(chǎn)生此時“是否不進行光合作用”的疑惑。后經(jīng)過教師的指導(dǎo)，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(xué)生準備直接將傳感器探頭深入飲料瓶中測量。后經(jīng)過教師指導(dǎo)，學(xué)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(cè)的燒杯，用玻璃棒引流，分別倒入等量的飲料，再進行測量。

學(xué)生在課題實施過程中，學(xué)習(xí)了過濾、引流等實驗技術(shù)，并體會了規(guī)范操作的重要性，還不斷發(fā)現(xiàn)問題，解決問題，各種能力得到了很大的提升。

4.4 數(shù)據(jù)處理和得出

數(shù)學(xué)作為本STEM課程的輔助性工具，能幫助學(xué)生更好的總結(jié)、分析實驗結(jié)果，反映科學(xué)規(guī)律。在本課程中，教師要求學(xué)生在數(shù)據(jù)記錄前設(shè)計好統(tǒng)計表格，課程實施中及時填寫真實數(shù)據(jù)，計算出平均值。并鼓勵學(xué)生將表格中的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化成曲線圖或折線圖等形式。學(xué)生學(xué)會了對數(shù)據(jù)進行不同方式的處理，體會到表格利于統(tǒng)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(huán)境因素”的課題論文中，某小組就利用excel軟件將數(shù)據(jù)處理成折線圖進行呈現(xiàn)（圖1）。

4.5 課題匯報交流

各個實驗小組完成實驗報告，呈現(xiàn)研究問題、過程、測量數(shù)據(jù)及結(jié)果，學(xué)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(jié)果相似。點評的小組對比本組測試結(jié)果，指出測量應(yīng)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(fù)實驗的重要性。

匯報和評價過程是學(xué)生對各個學(xué)科知識和技能的進一步整合，使學(xué)生逐漸學(xué)會如何用數(shù)學(xué)、工程知識分析生活中的生物現(xiàn)象。

4.6 撰寫課題論文

學(xué)生如果對某一實驗的研究比較深入，可繼續(xù)查閱資料，思考與實際生活的聯(lián)系，撰寫論文。教師對學(xué)生論文撰寫的流程、格式和內(nèi)容等進行指導(dǎo)。

例如，在“探究影響食品腐敗的環(huán)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(fā)，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(jié)果進行分析，得出以下兩個結(jié)論：① 食物保存過程中，短期可以使用保鮮膜，長期則應(yīng)使用低溫保存法較為可靠；② 食物廠家提供的保質(zhì)期是科學(xué)的，所以超過保質(zhì)期的食物不可以食用。

學(xué)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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