整合性STEM教育在初中生物传感器选修课中的实践

吴婷婷

摘 要 叙述在初中生物传感器选修课中开展整合性STEM教育，将所学的初中生物知识与传感器使用技术、数学知识和信息技术等方面结合，对学生进行课题研究的流程指导，引导学生从生活中发现问题，再将研究结果应用于生活中，提升了学生科学探究的能力和兴趣。

关键词 STEM 初中生物 传感器

中图分类号 G633.91 文献标志码 B

1986年，STEM教育最先在美国开始出现。如今，作为“十三五”时期教育创新发展的重要理念和内容，STEM教育逐渐在中国教育领域得到推广。STEM代表科学（Science）、技術（Technology）、工程（Engineering）、数学（Mathematics）。与传统的分学科教学方式相比，整合性STEM教育更注重这四门学科的有机整合和跨学科教学。目前整合性STEM教育在我国初中阶段开展的实例较少，没有太多的借鉴。

1 课题方向确定

本地区的初中生物课程安排在七年级和八年级进行，本选修课的开展需要学生具有一定的科学、计算机和数学知识及相对充足的课余时间，故分别在八年级的上学期和下学期分两次开展。整合性STEM教育需满足与学生已有知识相联系的一般原则。在七年级的生物课堂教学中，学生已经初步学习了植物的光合作用、呼吸作用、酸雨的形成（含pH的概念）、心率的概念、食品腐败的原因等生物学内容。实验室具备传感器若干套，包括：二氧化碳传感器、氧气传感器、溶解氧传感器、pH传感器、心率传感等，另外还有光照恒温培养箱和常规实验仪器等。学生根据实验室现有条件，结合已学知识或生活实践确定自己感兴趣的主题。

例如，学生学习了光合作用的内容后，知道了植物在光照条件下，可以吸收二氧化碳，产生氧气。但是一株植物到底能产生多少氧气呢？这个过程和环境中的哪些因素有关呢？于是确定了“探究影响光合作用效率的因素”的主题。初中生喝饮料较多，因此他们想知道各种饮料的酸碱度如何，长期喝对人体是否有影响，于是确定了“探究市场上各类饮料的酸碱度”的主题。网络上一度流传“保鲜膜并不能保鲜”的说法，为了防止食品腐败，到底是用保鲜膜好，还是不用保鲜膜好？由此确定了“探究影响食品腐败的因素”的主题。还有“探究影响心率的因素”“探究不同土质土壤的酸碱度”等主题。

在STEM教育应用中，教学模型根据给定的限定条件不同，可以分为支架式和开放式。本课程采用开放式，即更多由学习者自行提出目标并自行完成任务。八年级的学生求知欲和发散性思维较强，在教师介绍了已有的实验设备后，学生三人组成探究小组，会提出很多有趣的探究主题。教师将所有主题都记录在案，根据可行性和教学时间进行合理安排，每学期以进行3个探究主题为宜。

2 课题内容梳理

每个探究主题确立后，教师会下发探究报告，指导学生对课题内容进行梳理。探究报告中包括：实验小组的名称、实验时间、实验目的、实验原理、实验器材及试剂、实验设计、数据统计、实验结论、实验反思和拓展。教师通过指导学生查阅文献资料，帮助学生分析探究目的、实验原理。学生根据探究主题，确定具体实验变量，进行实验设计，可以用文字或流程图的方式展示实验步骤，并根据实验步骤列出所需的实验器材及试剂。

3 教学课时安排

初中选修课一学期开设10次，每次2课时，共计20课时。本课程安排如表1所示。

其中，某些实验如若每天需要定时测量，就利用课余时间进行。例如探究影响食物腐败的因素，学生就利用午饭后的时间到实验室进行测量。

4 教学实施过程

目前，美国中小学STEM教育较多采用辅助式整合，即教师设计的教学活动或单元涵盖两门以及以上学科，但把其中一门预设为主要学科，其他学科只是为了辅助该学科的学习。在本课程中，教师以此为借鉴，以生物科学为主，数学和工程（传感器）为辅。

4.1 设备培训

传感器作为本STEM课程的辅助性工具，学生要熟悉其原理和使用。教师在教学过程中将传感器比喻成灵敏的触角，以激发学生的兴趣，讲授设备连接、设备使用、软件应用、设备复原等环节。

4.2 课前准备

本实验是开放性的实验，由学生根据本组实验需求列出清单，可以自己准备，也可以在实验室老师的帮助下配齐。

例如，在“探究检测市场中常见饮料的酸碱度”课题时，学生自己分工准备了纯水、碳酸饮料、运动饮料、果汁、茶类、奶类、咖啡、蜂蜜水、巧克力水等多种类型的饮料，并和实验室老师沟通，准备好大小烧杯若干、玻璃棒、pH传感器探头、数据采集器和电脑（配套传感器软件、Excel等软件）等。

4.3 课题实施

生物科学是本STEM的核心学科，观察是学生发现问题的出发点。在课题实施过程中，教师要特别注意培养学生生物知识技能。教师提前告知学生各种仪器的使用方法和注意事项，并请学生特别注意实验操作的重复性原则、对照原则、控制单一变量原则以及规范性操作。教师在一旁进行观察和及时指导。当实验结果与预期不符时，学生也可以及时和教师沟通，或课后再通过查阅文献资料解决问题。

例如，在“探究温度对光合作用效率的影响”中，应将两盆相似的植物放在光照等无关变量相同、温度不同的环境中测量。学生发现在某温度条件下测得氧气产生量为负值，产生此时“是否不进行光合作用”的疑惑。后经过教师的指导，他们知道植物在进行光合作用的同时进行呼吸作用，测得的值为净光合速率；若想测得真正的光合速率，还需要先测无光条件下的呼吸速率。

再如，在“探究市场上各类饮料的酸碱度”中，一开始学生准备直接将传感器探头深入饮料瓶中测量。后经过教师指导，学生先取若干个50 mL的小烧杯，编号、贴好标签。手握贴有标签一侧的烧杯，用玻璃棒引流，分别倒入等量的饮料，再进行测量。

学生在课题实施过程中，学习了过滤、引流等实验技术，并体会了规范操作的重要性，还不断发现问题，解决问题，各种能力得到了很大的提升。

4.4 数据处理和得出

数学作为本STEM课程的辅助性工具，能帮助学生更好的总结、分析实验结果，反映科学规律。在本课程中，教师要求学生在数据记录前设计好统计表格，课程实施中及时填写真实数据，计算出平均值。并鼓励学生将表格中的数据转化成曲线图或折线图等形式。学生学会了对数据进行不同方式的处理，体会到表格利于统计和计算，而图形、曲线更能直观反映趋势。

例如，在“探究食品腐败的环境因素”的课题论文中，某小组就利用excel软件将数据处理成折线图进行呈现（图1）。

4.5 课题汇报交流

各个实验小组完成實验报告，呈现研究问题、过程、测量数据及结果，学生间交流和分享整个课题研究过程，并相互评价。

例如：在“探究温度对光合作用效率的影响”中，某小组在25℃和5℃的情况下，测得的结果相似。点评的小组对比本组测试结果，指出测量应该在测试的温度下放置一段时间之后再测量，否则误差较大，并提出了重复实验的重要性。

汇报和评价过程是学生对各个学科知识和技能的进一步整合，使学生逐渐学会如何用数学、工程知识分析生活中的生物现象。

4.6 撰写课题论文

学生如果对某一实验的研究比较深入，可继续查阅资料，思考与实际生活的联系，撰写论文。教师对学生论文撰写的流程、格式和内容等进行指导。

例如，在“探究影响食品腐败的环境因素”课题中，某小组除了探究了“温度对牛奶腐败的影响”，还受到微信中某文章的启发，探究了“覆盖保鲜膜对牛奶腐败的影响”，并撰写了论文。论文将对照实验的结果进行分析，得出以下两个结论：① 食物保存过程中，短期可以使用保鲜膜，长期则应使用低温保存法较为可靠；② 食物厂家提供的保质期是科学的，所以超过保质期的食物不可以食用。

学生在撰写成论文的过程，体会了各科知识综合运用的重要性，强化了用STEM理念去解决实际问题的能力。

参考文献：

[1] 杨亚平，陈晨.美国中小学整合性STEM教学实践的研究[J].外国中小学教育，2016（5）：58-64.

[2] 傅骞，刘鹏飞.从验证到创造——中小学STEM教育应用模式研究[J].中国电话教育，2016（351）：73.

[3] 刘恩山，张颖之.以科学研究的思路和范式进行生物学教育研究[J].生物学通报，48（4）：28.