从校园传感器到生态故事

一、引言

在传统课堂中，“生物与环境相互作用”的教学多依赖图片、文字和一次性实验，缺乏时间跨度与真实情境，学生往往无法形成对生态系统动态变化的整体认知[1]。

信息技术和传感器设备的发展，为中学生物提供了低成本、长时间、自动化的环境与生物监测可能 [2]。然而，将这些技术与大概念教学深度融合的探索尚不充分。

本研究以素养导向为指引，基于PBL 模式，探索如何通过校园生态监测项目，让学生在真实数据的收集、分析和解释中自主构建并迁移“生物与环境相互作用”大概念。

二、研究基础与理论支撑

1. 大概念教学

“生物与环境相互作用”涵盖生物对环境的适应、环境对生物的影响及二者的动态平衡，是贯穿生态学的重要科学思想 [3]。

2.PBL（项目化学习）

PBL 强调以真实问题为驱动，让学生在解决问题的过程中整合知识、发展能力、形成价值观 [4]。生态监测项目天然具备真实性和跨学科属性，适合PBL 实施。

3. 科技赋能教学

传感器、数据可视化和远程监测技术可打破课堂时空限制，提供连续、客观的数据支撑，有利于学生发展数据思维与科学论证能力 [5]。

三、教学设计

1. 教学目标

1. 知识与能力：掌握生物与环境相互作用的基本规律，学习传感器与数据平台的使用方法。

2. 过程与方法：开展校园生态监测，进行数据记录、分析、可视化与结论论证。

3. 情感态度与价值观：培养环境保护意识与跨学科思维，提升合作探究能力。

2. 教学重难点

1. 重点：通过真实数据分析深化大概念理解。

2. 难点：将课堂所得迁移到更广泛的生态与社会情境中。

3. 教学流程

（1）项目启动与问题引入（10 分钟）

教师展示“全球气候变暖对鸟类迁徙的影响”短片，引导学生思考：如果我们想知道校园里的动植物是如何受环境影响的，该怎么做？

（2）方案制定（20 分钟）

学生分组选择监测区域（如草坪、人工湖、花坛等），设计监测内容与工具使用方法。

（3）数据采集（两周课余时间）

1. 温湿度传感器：记录环境因子变化

2. 光照记录仪：监测光照强度曲线

3. 红外相机：拍摄夜间和隐蔽处的动物活动

4. 物种记录表：手动补充未被设备捕捉到的物种（4）数据分析与可视化（40 分钟）

学生将数据导入在线平台（如 Excel、Google Data Studio 等）生成曲线图、热力图与物种出现频率图。

（5）大概念建构（20 分钟）

学生结合数据与观察记录，提炼出“环境因子变化影响生物分布与活动”的规律。

（6）迁移与延伸（10 分钟）

讨论：如果全球气温上升 2% ，哪些物种可能会迁移或灭绝？能否用同样的方法监测家乡的湿地？

四、实践过程与成效

1. 研究对象与方法

七年级两个平行班（实验班 43 人，对照班 42 人）。实验班采用传感器+PBL 模式，对照班采用传统讲授 + 单次调查模式。

2. 结果数据

大概念理解测评：实验班平均分提升 35.4% ，对照班提升18.6%。

科学探究能力测评：实验班提升 44.2% ，对照班提升 20.3% 。

迁移能力测评（基于新情境问题解决）：实验班提升 39.7% ，对照班提升15.1%。

环境保护态度问卷：实验班 94.8% 表示愿意参与更多生态保护活动，对照班为 76.2% 。

3. 学生反馈

“看到夜间猫头鹰出现在操场边，我第一次觉得校园也是一个小生态系统。

“数据让我发现，雨后昆虫真的变多了。”

五、讨论

1. 真实数据增强了概念深度

学生基于连续数据理解生态系统动态，而非单次观察的静态结果。

2. 技术降低了探究门槛

低成本传感器使长期监测在初中课堂可行，增强了学生的科研体验感。

3. 迁移能力提升明显

学生能将校园案例类比到全球气候变化、湿地保护等更复杂的情境中。

六、结论与建议

^1. 科技赋能的PBL 模式能显著提升学生大概念理解、科学探究与迁移能力。

2. 教师在实施过程中应引导学生平衡数据采集与解释，避免“为收集而收集”。

3. 建议未来将该模式扩展到区域生态监测、跨校数据共享等更大范围的协作项目。

参考文献

[1] 教育部 . 义务教育生物学课程标准（2022 年版）[S]. 北京 ：北京师范大学出版社， 2022.

[2] 李明 ， 赵慧 . 基于传感器技术的中学环境教育探索 [J]. 中学生物教学 ， 2023（4）： 12- 15.

[3] Biggs J. T eaching for Quality Learning at University[M]. McGraw- Hill Education， 2011.

[4] T homas J W. A R eview of R esearch on Project- Based Learning[EB/OL]. 2000.

[5] Weathers K C ， et al. T he Global Lake Ecological Observatory Network： Science， cyberinfrastructure， and public outreach[J]. Bulletin of the Ecological Society of America， 2013， 94（4）： 486- 500.

本文系市教育科学“ 十四五” 规划2023 年度立项课题“ 素养导向下初中生物大概念教学设计的实践研究” 相关成果（课题编号：X JKGB23169）