探索基于STEAM理念的實驗裝置改造項目

STEAM教育的目標(biāo)是培養(yǎng)學(xué)生具備以下能力和素質(zhì)：跨學(xué)科思維能力、創(chuàng)新思維能力、實踐能力、團隊合作精神、問題發(fā)現(xiàn)與解決能力、終身學(xué)習(xí)能力。為了培養(yǎng)學(xué)生以上能力，筆者嘗試把STEAM教育理念融入周末的社團課程。社團課擬定為項目式教學(xué)模式，但什么樣的項目主題適合初中生是筆者苦苦思索的內(nèi)容。功夫不負有心人，在上下求索中，筆者發(fā)現(xiàn)實驗教學(xué)存在的問題可作為社團課的主題。實驗教學(xué)存在的問題是：實驗是理化生教學(xué)重要的方面，能讓學(xué)生通過動手實驗理解、掌握已學(xué)的知識，但在實際實驗過程中，常常因為安全性老師不敢做，或因為需要時間較長，老師不能做，又或者因為精確性，不能達到想要的效果。于是筆者把本單元社團課的項目主題定為“改進化學(xué)實驗裝置”。下面以“改造再探測定空氣中氧氣含量實驗裝置”這一項目為例，闡述項目實施的過程中如何融入STEAM教育理念。

一、定義學(xué)生要掌握學(xué)習(xí)的基礎(chǔ)知識，依據(jù)基礎(chǔ)知識設(shè)計綜合課程項目

基礎(chǔ)知識是STEAM教育的根本，包括科學(xué)知識、數(shù)學(xué)知識、藝術(shù)知識、文學(xué)知識、語言知識、哲學(xué)知識、技術(shù)方法等。

綜合課程是STEAM教育的核心，是各學(xué)科的融合，來源于實際生活，來源于與我們的生活、生存息息相關(guān)的事物，如科學(xué)、社會、人文、歷史、地理、生物都是與我們息息相關(guān)的，這樣學(xué)生才能夠提出自己的觀點，形成創(chuàng)新意識?！案脑煸偬綔y定空氣中氧氣含量實驗裝置”這一項目是在定義基礎(chǔ)知識的基礎(chǔ)上，引導(dǎo)學(xué)生關(guān)注實驗裝置存在的問題，并嘗試使用開源硬件與激光切割機改進實驗裝置而設(shè)計的綜合課程項目。

二、按工程實踐方式完成綜合課程項目

在綜合課程項目實踐過程中，學(xué)習(xí)并運用基礎(chǔ)知識，提出創(chuàng)造性的方案，使用各種技術(shù)方法和各種工具，在合作溝通中解決實踐中遇到的問題，按工程實踐方式完成綜合課程項目。

第一，創(chuàng)設(shè)情境，在改造實驗裝置項目中培養(yǎng)學(xué)生發(fā)現(xiàn)問題的能力。在上課時，引導(dǎo)學(xué)生對常用的實驗儀器進行分析，因為傳統(tǒng)測定空氣中氧氣含量的儀器，是用肉眼觀察燃燒的白磷或紅磷，使另一燒杯的水倒流，分析出燃燒消耗了氧氣。提出：空氣中的氧氣測定，是用白磷還是紅磷燃燒后進行測定更精準(zhǔn)，如何測定燃燒后試管里的氧含量。

第二，交流方案，在合作探究討論方案時培養(yǎng)學(xué)生團隊合作精神與創(chuàng)新思維。筆者把三名學(xué)生劃定為一組，引導(dǎo)學(xué)生小組合作、探究利用信息課中學(xué)習(xí)的開源硬件，設(shè)計出一款可以精準(zhǔn)測定氧氣含量的裝置，思考該裝置需要哪些傳感器、控制器等設(shè)備，給裝置設(shè)計外觀，形成方案報告。在課堂上筆者展示各組的方案報告，討論方案的可行性以及需要改進的地方，讓每個小組代表暢所欲言，在交流碰撞中激發(fā)學(xué)生的靈感，培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新思維，最終選出一種最優(yōu)方案：裝置是由掌控板、掌控板擴展板、氧氣濃度傳感器、氣壓傳感器、溫度傳感器等硬件組成，用mind+圖形化編程實現(xiàn)需要的功能，該裝置的外觀選用椴木板制作，用LaserMaker設(shè)計，用激光切割機加工。

第三，動手實踐，在綜合運用學(xué)科知識與技能解決問題中培養(yǎng)學(xué)生解決問題的能力與創(chuàng)新思維。在筆者的協(xié)助下，學(xué)生分課時，按以下步驟，討論制作出實驗所需的裝置。

1.動手組裝裝置的硬件部分

該部分涉及物理電路相關(guān)知識，如正極、負極、數(shù)字信號等，正確連接傳感器到擴展板的針腳，才能在物理層面上正確接通部件。學(xué)生根據(jù)微課，小組合作動手把掌控板、擴展板、氧氣濃度傳感器、氣壓濕度傳感器組裝在一起時，教師補充數(shù)字信號與模擬信號的知識，協(xié)助檢查線路連接正確與否。

2.編程實現(xiàn)裝置的功能

程序分為兩方面：一為上傳到掌控板的圖形化編程程序，主要是將氧氣濃度等各類傳感器上收集到的數(shù)據(jù)通過WiFi上傳到UDP服務(wù)器；二為電腦端程序，即在收到數(shù)據(jù)后，通過Matplotlib庫進行的可視化處理。學(xué)生需要有圖形化編程的基礎(chǔ)知識，如Mind+軟件如何添加硬件的相關(guān)模塊以及控制、運算符、變量、掌控等模塊指令的使用經(jīng)驗，以及Python編程基礎(chǔ)。在此經(jīng)驗基礎(chǔ)上，教師補充擴展板指令、氣壓濕度傳感器指令、用戶庫的“I2C氧氣濃度傳感器”指令如何使用的知識以及Matplotlib庫的調(diào)用知識。學(xué)生上機操作，小組合作探究該如何編寫程序才能實現(xiàn)相應(yīng)的功能。學(xué)生打開Mind+軟件，選擇“擴展”功能，添加“主控板”中的“掌控板”，“擴展板”中的“micro：bit&掌控擴展板”，“用戶庫”搜索“氧氣傳感器”，找到“I2C氧氣濃度傳感器”“傳感器”中的“BMP388氣壓溫度傳感器”后，并編寫圖形化程序。

學(xué)生在教師協(xié)助下通過Matplotlib庫對傳感器接收到的數(shù)據(jù)進行可視化處理。部分程序代碼如下：

from matplotlib import pyplot as plt

import matplotlib.animation as animation

import datetime as dt

import matplotlib

import time

import socket

#創(chuàng)建套接字

udp_socket=socket.socket（socket.AF_INET， socket.SOCK_DGRAM）

localaddr=（"192.168.28.111"，8888）#必須綁定自己電腦IP和port

udp_socket.bind（localaddr）

data=[]

matplotlib.rcParams['font.family']='FangSong'? #設(shè)置字體樣式

fig=plt.figure（num='氣體溫度壓強測量'，figsize=（12，6），dpi=100）

ax1=fig.add_subplot（1，1，1）

ax1.yaxis.set_tick_params（labelcolor='b'）#matplotlib庫的軸模塊中的Axis.set_tick_params（）

ax1.yaxis.set_tick_params（color='b'）

ax2=ax1.twinx（）#將ax1的x軸也分配給ax2使用

ax2.yaxis.set_tick_params（labelcolor='r'）

ax2.yaxis.set_tick_params（color='r'）

ax3=ax1.twinx（）#將ax1的x軸也分配給ax2使用

ax3.yaxis.set_tick_params（labelcolor='g'）

ax3.yaxis.set_tick_params（color='g'）

xs=[]

ys1=[]

ys2=[]

ys3=[]

defanimate（i，xs，ys1，ys2，ys3）：

recv_data=udp_socket.recvfrom（1024）#接受套接字的數(shù)據(jù)

print（recv_data）#可以看到接收的數(shù)據(jù)

recv_msg=recv_data[0]

send_addr=recv_data[1]

#O2_nd=recv_data[2]

data=recv_msg.decode（"gbk"）.split（"："）

press=int（eval（data[0]））

temp=int（eval（data[1]））

O2=int（eval（data[2]））

xs.append（dt.datetime.now（）.strftime（'%H：%M：%S'））

ys1.append（press）

ys2.append（temp）

ys3.append（O2）

xs=xs[-20：]

ys1=ys1[-20：]

ys2=ys2[-20：]

ys3=ys3[-20：]

ax1.clear（）

ax2.clear（）

ax1.set_ylabel（'氣壓P/×100Pa'，color='b'，size=15）

ax1.set_ylim（300，1600）

ax1.tick_params（'x'，labelrotation=45）

ax2.set_ylabel（'溫度℃'，color='r'，size=15）

ax2.set_ylim（0，100）

ax3.set_ylabel（'氧氣濃度'，color='g'，size=15）

ax3.set_ylim（0，100）

ax1.plot（xs，ys1，'b.-'）

ax2.plot（xs，ys2，'r.：'）

ax3.plot（xs，ys3，'g.：'）

plt.title（'測量氣體壓強、溫度'，size=20）

fora，b，c，dinzip（xs，ys1，ys2，ys3）：

ax1.text（a，b，b，ha='center'，va='bottom'，color='b'，fontsize=15，alpha=0.5）

ax2.text（a，c，c，ha='center'，va='bottom'，color='r'，fontsize=15，alpha=0.5）

ax3.text（a，c，d，ha='center'，va='bottom'，color='g'，fontsize=15，alpha=0.5）

ani=animation.FuncAnimation（fig，animate，fargs=（xs，ys1，ys2，ys3），interval=1000）

plt.show（）

udp_socket.close（）#關(guān)閉套接字

（該程序參考：https：//makelog.dfrobot.com.cn/article-311330.html所做實驗，特此感謝）

3.設(shè)計制作裝置的外觀

在外觀制作中，筆者引導(dǎo)學(xué)生根據(jù)現(xiàn)有裝置，使用草圖大師（Sketchup）進行設(shè)計，并將完成的3D圖切片放到LaserMaker中調(diào)整后利用激光切割機制作完成。

4.實驗裝置的改造通常是為了提高測量的準(zhǔn)確性和效率

為了評估改造后的裝置是否能達到預(yù)期效果，我們需要進行一系列的實驗并收集數(shù)據(jù)進行分析。在學(xué)生設(shè)計實驗器材后，教師出示準(zhǔn)備的實驗器材，與學(xué)生設(shè)計的器材比較優(yōu)劣，學(xué)生使用該器材，觀察現(xiàn)象及數(shù)據(jù)變化。分析使用白磷與紅磷實驗時數(shù)據(jù)的變化，本裝置是利用掌控板、掌控板擴展板、氧氣濃度傳感器、氣壓傳感器、溫度傳感器等組成，旨在探究過量紅磷與白磷在燃燒過程中氧氣濃度、氣壓等的變化。在實驗中，我們發(fā)現(xiàn)隨著過量紅磷燃燒使試管內(nèi)溫度上升，氧氣濃度急劇下降，當(dāng)紅磷熄滅時，氧氣濃度接近8%，同時管內(nèi)的氣壓先上升后下降，而過量白磷燃燒熄滅后，氧氣濃度降到3%左右，從而可得出用白磷做實驗時會消耗更多的氧氣。

STEAM教育強調(diào)跨學(xué)科的整合與應(yīng)用，使學(xué)生能夠跳出傳統(tǒng)的學(xué)科界限，從更廣泛的視角去思考和解決問題。這種綜合性的學(xué)習(xí)方式有助于培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新思維和批判性思考能力，使他們在未來的學(xué)習(xí)和工作中更具競爭力。

在實驗裝置改造項目中，學(xué)生需要運用化學(xué)知識解決實際問題，這有助于提高他們的學(xué)習(xí)興趣和積極性。通過動手操作，學(xué)生可以更好地理解抽象的化學(xué)概念，加深對知識的掌握。同時，實驗過程中可能會出現(xiàn)各種問題和挑戰(zhàn)，學(xué)生需要學(xué)會面對困難，積極尋求解決方案，這有助于培養(yǎng)他們解決問題的能力。

團隊合作是STEAM教育的重要組成部分。在實驗裝置改造項目中，學(xué)生需要分工合作，共同完成任務(wù)。這有助于培養(yǎng)他們的溝通、協(xié)作和領(lǐng)導(dǎo)能力，為未來的職業(yè)生涯打下基礎(chǔ)。

總之，基于STEAM理念的實驗裝置改造項目為學(xué)生提供了一個全面性、實踐性和創(chuàng)新性的學(xué)習(xí)平臺，有助于培養(yǎng)他們的綜合素質(zhì)和能力，這對培養(yǎng)未來社會所需的創(chuàng)新人才具有重要意義。

編輯：趙飛飛

注：福建寧德市基礎(chǔ)教育科學(xué)研究2021年度課題“初中科技創(chuàng)新活動與新課程教學(xué)融合研究”（課題編號：FJNDKY21-133）。

作者簡介：林曉勇（1976—），男，福建寧德人，本科，初中信息科技一級教師，研究方向：中學(xué)信息科技教學(xué)與研究、信息化教學(xué)。