整合性STEM教育在初中生物傳感器選修課中的實(shí)踐

吳婷婷

摘 要 敘述在初中生物傳感器選修課中開(kāi)展整合性STEM教育，將所學(xué)的初中生物知識(shí)與傳感器使用技術(shù)、數(shù)學(xué)知識(shí)和信息技術(shù)等方面結(jié)合，對(duì)學(xué)生進(jìn)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(wèn)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(hào) G633.91 文獻(xiàn)標(biāo)志碼 B

1986年，STEM教育最先在美國(guó)開(kāi)始出現(xiàn)。如今，作為“十三五”時(shí)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(guó)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(mén)學(xué)科的有機(jī)整合和跨學(xué)科教學(xué)。目前整合性STEM教育在我國(guó)初中階段開(kāi)展的實(shí)例較少，沒(méi)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(jí)和八年級(jí)進(jìn)行，本選修課的開(kāi)展需要學(xué)生具有一定的科學(xué)、計(jì)算機(jī)和數(shù)學(xué)知識(shí)及相對(duì)充足的課余時(shí)間，故分別在八年級(jí)的上學(xué)期和下學(xué)期分兩次開(kāi)展。整合性STEM教育需滿足與學(xué)生已有知識(shí)相聯(lián)系的一般原則。在七年級(jí)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(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)儀器等。學(xué)生根據(jù)實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)有條件，結(jié)合已學(xué)知識(shí)或生活實(shí)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(gè)過(guò)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(zhǎng)期喝對(duì)人體是否有影響，于是確定了“探究市場(chǎng)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(shuō)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(kāi)放式。本課程采用開(kāi)放式，即更多由學(xué)習(xí)者自行提出目標(biāo)并自行完成任務(wù)。八年級(jí)的學(xué)生求知欲和發(fā)散性思維較強(qiáng)，在教師介紹了已有的實(shí)驗(yàn)設(shè)備后，學(xué)生三人組成探究小組，會(huì)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(shí)間進(jìn)行合理安排，每學(xué)期以進(jìn)行3個(gè)探究主題為宜。

2 課題內(nèi)容梳理

每個(gè)探究主題確立后，教師會(huì)下發(fā)探究報(bào)告，指導(dǎo)學(xué)生對(duì)課題內(nèi)容進(jìn)行梳理。探究報(bào)告中包括：實(shí)驗(yàn)小組的名稱、實(shí)驗(yàn)時(shí)間、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?、?shí)驗(yàn)原理、實(shí)驗(yàn)器材及試劑、實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)、數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)、實(shí)驗(yàn)結(jié)論、實(shí)驗(yàn)反思和拓展。教師通過(guò)指導(dǎo)學(xué)生查閱文獻(xiàn)資料，幫助學(xué)生分析探究目的、實(shí)驗(yàn)原理。學(xué)生根據(jù)探究主題，確定具體實(shí)驗(yàn)變量，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，可以用文字或流程圖的方式展示實(shí)驗(yàn)步驟，并根據(jù)實(shí)驗(yàn)步驟列出所需的實(shí)驗(yàn)器材及試劑。

3 教學(xué)課時(shí)安排

初中選修課一學(xué)期開(kāi)設(shè)10次，每次2課時(shí)，共計(jì)20課時(shí)。本課程安排如表1所示。

其中，某些實(shí)驗(yàn)如若每天需要定時(shí)測(cè)量，就利用課余時(shí)間進(jìn)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(shí)間到實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行測(cè)量。

4 教學(xué)實(shí)施過(guò)程

目前，美國(guó)中小學(xué)STEM教育較多采用輔助式整合，即教師設(shè)計(jì)的教學(xué)活動(dòng)或單元涵蓋兩門(mén)以及以上學(xué)科，但把其中一門(mén)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(guò)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(zhǔn)備

本實(shí)驗(yàn)是開(kāi)放性的實(shí)驗(yàn)，由學(xué)生根據(jù)本組實(shí)驗(yàn)需求列出清單，可以自己準(zhǔn)備，也可以在實(shí)驗(yàn)室老師的幫助下配齊。

例如，在“探究檢測(cè)市場(chǎng)中常見(jiàn)飲料的酸堿度”課題時(shí)，學(xué)生自己分工準(zhǔn)備了純水、碳酸飲料、運(yùn)動(dòng)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(shí)驗(yàn)室老師溝通，準(zhǔn)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(shí)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(wèn)題的出發(fā)點(diǎn)。在課題實(shí)施過(guò)程中，教師要特別注意培養(yǎng)學(xué)生生物知識(shí)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(xiàng)，并請(qǐng)學(xué)生特別注意實(shí)驗(yàn)操作的重復(fù)性原則、對(duì)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(jìn)行觀察和及時(shí)指導(dǎo)。當(dāng)實(shí)驗(yàn)結(jié)果與預(yù)期不符時(shí)，學(xué)生也可以及時(shí)和教師溝通，或課后再通過(guò)查閱文獻(xiàn)資料解決問(wèn)題。

例如，在“探究溫度對(duì)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(wú)關(guān)變量相同、溫度不同的環(huán)境中測(cè)量。學(xué)生發(fā)現(xiàn)在某溫度條件下測(cè)得氧氣產(chǎn)生量為負(fù)值，產(chǎn)生此時(shí)“是否不進(jìn)行光合作用”的疑惑。后經(jīng)過(guò)教師的指導(dǎo)，他們知道植物在進(jìn)行光合作用的同時(shí)進(jìn)行呼吸作用，測(cè)得的值為凈光合速率；若想測(cè)得真正的光合速率，還需要先測(cè)無(wú)光條件下的呼吸速率。

再如，在“探究市場(chǎng)上各類飲料的酸堿度”中，一開(kāi)始學(xué)生準(zhǔn)備直接將傳感器探頭深入飲料瓶中測(cè)量。后經(jīng)過(guò)教師指導(dǎo)，學(xué)生先取若干個(gè)50 mL的小燒杯，編號(hào)、貼好標(biāo)簽。手握貼有標(biāo)簽一側(cè)的燒杯，用玻璃棒引流，分別倒入等量的飲料，再進(jìn)行測(cè)量。

學(xué)生在課題實(shí)施過(guò)程中，學(xué)習(xí)了過(guò)濾、引流等實(shí)驗(yàn)技術(shù)，并體會(huì)了規(guī)范操作的重要性，還不斷發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，解決問(wèn)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(shí)驗(yàn)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(jì)好統(tǒng)計(jì)表格，課程實(shí)施中及時(shí)填寫(xiě)真實(shí)數(shù)據(jù)，計(jì)算出平均值。并鼓勵(lì)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(huì)了對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行不同方式的處理，體會(huì)到表格利于統(tǒng)計(jì)和計(jì)算，而圖形、曲線更能直觀反映趨勢(shì)。

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(jìn)行呈現(xiàn)（圖1）。

4.5 課題匯報(bào)交流

各個(gè)實(shí)驗(yàn)小組完成實(shí)驗(yàn)報(bào)告，呈現(xiàn)研究問(wèn)題、過(guò)程、測(cè)量數(shù)據(jù)及結(jié)果，學(xué)生間交流和分享整個(gè)課題研究過(guò)程，并相互評(píng)價(jià)。

例如：在“探究溫度對(duì)光合作用效率的影響”中，某小組在25℃和5℃的情況下，測(cè)得的結(jié)果相似。點(diǎn)評(píng)的小組對(duì)比本組測(cè)試結(jié)果，指出測(cè)量應(yīng)該在測(cè)試的溫度下放置一段時(shí)間之后再測(cè)量，否則誤差較大，并提出了重復(fù)實(shí)驗(yàn)的重要性。

匯報(bào)和評(píng)價(jià)過(guò)程是學(xué)生對(duì)各個(gè)學(xué)科知識(shí)和技能的進(jìn)一步整合，使學(xué)生逐漸學(xué)會(huì)如何用數(shù)學(xué)、工程知識(shí)分析生活中的生物現(xiàn)象。

4.6 撰寫(xiě)課題論文

學(xué)生如果對(duì)某一實(shí)驗(yàn)的研究比較深入，可繼續(xù)查閱資料，思考與實(shí)際生活的聯(lián)系，撰寫(xiě)論文。教師對(duì)學(xué)生論文撰寫(xiě)的流程、格式和內(nèi)容等進(jìn)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(duì)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(duì)牛奶腐敗的影響”，并撰寫(xiě)了論文。論文將對(duì)照實(shí)驗(yàn)的結(jié)果進(jìn)行分析，得出以下兩個(gè)結(jié)論：① 食物保存過(guò)程中，短期可以使用保鮮膜，長(zhǎng)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(guò)保質(zhì)期的食物不可以食用。

學(xué)生在撰寫(xiě)成論文的過(guò)程，體會(huì)了各科知識(shí)綜合運(yùn)用的重要性，強(qiáng)化了用STEM理念去解決實(shí)際問(wèn)題的能力。

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