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(diào)打破學科界限，重視學習與實踐的聯(lián)系。隨著科技的快速發(fā)展與教育的不斷改革，STEAM理念已逐漸成為當前教育發(fā)展的熱點內(nèi)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(yǎng)，還能夠培養(yǎng)學生的跨學科思維能力、創(chuàng)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(yǎng)、能量代謝、消化系統(tǒng)、泌尿系統(tǒng)等多個方面的知識。傳統(tǒng)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(tǒng)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(fā)展歷程與美國對科技教育的重視密不可分。1957年，蘇聯(lián)成功發(fā)射第一顆人造衛(wèi)星，使美國意識到自身在科技領域的落后，從而引發(fā)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(diào)加強自然科學、數(shù)學、現(xiàn)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(shù)學）教育逐漸成形，并在全球范圍內(nèi)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(chuàng)新不僅豐富了教育內(nèi)容，更強調(diào)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(shù)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(fā)展。

STEAM教育具有統(tǒng)整性、趣味性、體驗性、創(chuàng)造性和實證性。它打破了傳統(tǒng)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(chuàng)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(chuàng)造性方面，STEAM教育強調(diào)發(fā)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(yǎng)學生的科學素養(yǎng)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(cè)重于基礎概念的掌握和現(xiàn)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(xiàn)在科學教育內(nèi)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(jié)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(tǒng)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(fā)展。

（二）科學教育資源配置不均衡

在當前的中小學教育環(huán)境中，科學教育資源的配置存在明顯的不均衡現(xiàn)象。一些學校由于地理位置、經(jīng)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(yè)的科學教師團隊，從而限制了學生科學素養(yǎng)的提升。

例如，在一些偏遠地區(qū)或經(jīng)濟欠發(fā)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(yè)的科學教師團隊，無法為學生提供高質(zhì)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(tǒng)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(chuàng)新思維的培養(yǎng)。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(fā)學生的學習興趣和積極性，還限制了他們在科學領域的創(chuàng)新和發(fā)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(jié)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(tǒng)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(tǒng)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(fā)，通過生物實驗深入探究生物體內(nèi)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(tài)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(qū)別。在此基礎上，結(jié)合化學知識，教師引導學生理解代謝產(chǎn)物的性質(zhì)。比如，分析酵母菌呼吸過程中產(chǎn)生的酒精和二氧化碳的化學性質(zhì)，以及這些產(chǎn)物在生物體內(nèi)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(zhuǎn)換和平衡狀態(tài)。比如，通過熱力學原理解釋生物體內(nèi)能量的流動和轉(zhuǎn)化，以及如何通過調(diào)節(jié)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(nèi)的能量流動與轉(zhuǎn)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(nèi)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?；瘜W教師則可以深人講解ATP-ADP循環(huán)中化學鍵能的轉(zhuǎn)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(tǒng)中的體現(xiàn)，以及熱力學第二定律對生命系統(tǒng)的限制。

通過這種跨學科的協(xié)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(chǎn)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(zhì)，同時掌握能量轉(zhuǎn)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(tǒng)需要持續(xù)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(fā)學生的探究興趣，培養(yǎng)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(shù)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(huán)境中進行實驗操作，觀察實驗現(xiàn)象，收集數(shù)據(jù)，并進行分析。此外，教師還開發(fā)了虛擬實驗室，模擬真實的實驗環(huán)境和設備，讓學生在安全、便捷的環(huán)境中進行實踐操作。

在教學中，教師可充分利用數(shù)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(diào)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(nèi)，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(chǎn)生量 ?0₂ 消耗量等實驗數(shù)據(jù)。

基于收集的實驗數(shù)據(jù)，教師可引導學生運用統(tǒng)計學方法進行分析處理，如使用Excel軟件進行數(shù)據(jù)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(jié)果與傳統(tǒng)實驗室條件下獲得的數(shù)據(jù)進行對比分析，探討兩種實驗方法的差異及其產(chǎn)生原因。

（三）實施探究式學習，培養(yǎng)創(chuàng)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(fā)學生的創(chuàng)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(diào)節(jié)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(shù)據(jù)，分析結(jié)果，并得出結(jié)論。在實驗設計過程中，教師注重培養(yǎng)學生的批判性思維和創(chuàng)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(jié)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(guī)范實驗記錄格式等。每個小組成員根據(jù)個人特長分工協(xié)作，如充當實驗操作員、數(shù)據(jù)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(xié)作學習模式不僅能夠培養(yǎng)學生的科學探究能力，還能有效提升其溝通協(xié)調(diào)、問題解決等核心素養(yǎng)。

為進一步增強學習內(nèi)容的現(xiàn)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(jié)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(jié)合，學生能夠更好地理解科學知識在現(xiàn)實生活中的應用價值，培養(yǎng)其科學思維和社會責任感。

四、結(jié)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(shù)學多學科知識，構建以真實問題為驅(qū)動的學習情境，可進一步激發(fā)學生的探究興趣與創(chuàng)新思維。單元整體教學模式不僅能強化知識傳授的系統(tǒng)性，更能促進學生核心素養(yǎng)的全面發(fā)展。未來，期望有更多研究將進一步優(yōu)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(yōu)質(zhì)教學資源，持續(xù)深化初中科學教學改革，為培養(yǎng)適應時代需求的創(chuàng)新型人才提供更堅實的教學支撐。

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