利用STEAM教學(xué)理念幫助學(xué)生理解生態(tài)平衡的動態(tài)性特征

楊晶晶 李秀壯

【摘要】STEAM教育就是集科學(xué)、技術(shù)、工程、藝術(shù)、數(shù)學(xué)多學(xué)科融合的綜合教育。生態(tài)平衡是初中生物課程中重要概念，而生態(tài)平衡動態(tài)性具體的實(shí)現(xiàn)過程學(xué)生往往難以理解。因此，教師基于學(xué)科融合的STEAM的課程理念，通過亞洲鯉魚入侵美國事件，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，學(xué)生在頭腦風(fēng)暴環(huán)節(jié)中設(shè)計(jì)解決該問題的方案，并通過小游戲建立捕食者模型，理解維持生態(tài)平衡的重要意義。課堂中，學(xué)生思維活躍、課堂參與度高，形成了以學(xué)生為中心的“做中學(xué)，學(xué)中思”的課堂氛圍，達(dá)成了預(yù)期的教學(xué)目標(biāo)。

【關(guān)鍵詞】生態(tài)平衡捕食者模型做中學(xué)

STEAM教育就是集科學(xué)（Science），技術(shù)（Technology），工程（Engineering），藝術(shù)（Art），數(shù)學(xué)（Mathematics）多學(xué)科融合的綜合教育。生態(tài)平衡是初中生物課程中重要概念，生態(tài)平衡的結(jié)果性學(xué)生比較容易理解，而其動態(tài)性的具體實(shí)現(xiàn)過程由于比較抽象，需要學(xué)生借助想象而使得學(xué)生往往難以理解。為解決這一難點(diǎn)，教師基于學(xué)科融合的STEAM的課程理念，通過亞洲鯉魚入侵美國事件激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，學(xué)生在頭腦風(fēng)暴環(huán)節(jié)中設(shè)計(jì)解決該問題的方案，并通過小游戲建立捕食者模型，理解維持生態(tài)平衡的動態(tài)過程，有效地幫助了學(xué)生理解這一重要概念。下面內(nèi)容為具體的教學(xué)設(shè)計(jì)。

一、課程目標(biāo)

科學(xué)與工程實(shí)踐：培養(yǎng)學(xué)生形成通過構(gòu)建模型的方法解決問題、合理預(yù)測的能力。

學(xué)科核心概念：通過鯉魚入侵的實(shí)例幫助學(xué)生理解維持生態(tài)平衡的重要性。

跨學(xué)科概念：鼓勵(lì)學(xué)生跨越學(xué)科界限思考問題，提高收集數(shù)據(jù)、整理數(shù)據(jù)、分析數(shù)據(jù)的能力，培養(yǎng)數(shù)形轉(zhuǎn)換的科學(xué)思維。

二、學(xué)情分析

初中七年級學(xué)生在生物課堂上已經(jīng)學(xué)習(xí)了生態(tài)系統(tǒng)中生物與環(huán)境的關(guān)系、食物鏈等內(nèi)容，對于生物入侵現(xiàn)象具有濃厚的興趣，這些為本節(jié)STEAM課程的開展打下基礎(chǔ)。但是，七年級學(xué)生在數(shù)學(xué)課堂中沒有學(xué)習(xí)直角坐標(biāo)系的知識，只有少數(shù)學(xué)生簡單了解圖表的繪制，不具備相應(yīng)的數(shù)學(xué)知識作為背景，這是本節(jié)課的難點(diǎn)，需要教師適當(dāng)?shù)囊龑?dǎo)才能突破。同時(shí)，七年級學(xué)生在課堂中積極思考，主動發(fā)言，思維發(fā)散性和創(chuàng)新能力較強(qiáng)，而在團(tuán)隊(duì)合作上，則需要教師給予明確的分工，進(jìn)一步引導(dǎo)，逐步培養(yǎng)其分工合作能力。

三、教學(xué)環(huán)節(jié)

1.情境導(dǎo)入

上世紀(jì)70年代，美國為了控制魚塘里藻類和水草的生長，從亞洲進(jìn)口了亞洲鯉魚，所謂的亞洲鯉魚其實(shí)是青魚、草魚、鰱魚、鳙魚、鯉魚等8種淡水魚的統(tǒng)稱。很快，治理結(jié)果就顯現(xiàn)出來了，魚塘中不僅水草和藻類沒有了，就連美國本土魚也所剩無幾了。引入的亞洲鯉魚在美國沒有天敵，簡直就是到了天堂，它們繁殖力極強(qiáng)，一下子就到了不可控制的地步，成為了臭名昭著的入侵生物。

身在異鄉(xiāng)的亞洲鯉魚恰好趕上上世紀(jì)90年代美國的一場洪水，亞洲鯉魚成功越獄，進(jìn)入密西西比河，并且一路向北，很快分散到了各大支流中。如今，正在向最重要的淡水湖群五大湖逼近。在行進(jìn)途中，亞洲鯉魚所向披靡，把途中所有食物吃了個(gè)精光，還仗著自己體型龐大，欺負(fù)本土魚類。據(jù)統(tǒng)計(jì)，如今很多水域中90%的魚都是亞洲鯉魚，這給美國的自然生態(tài)環(huán)境和漁業(yè)市場帶來了毀滅性的打擊。從2010年至今，為了對付亞洲鯉魚已經(jīng)花費(fèi)了3.88億美元。

今年，美國密歇根州發(fā)出邀請，邀請全世界具有“有創(chuàng)新頭腦”的人來解決亞洲鯉魚入侵的問題。

2.頭腦風(fēng)暴

開展頭腦風(fēng)暴，請同學(xué)們想辦法阻止亞洲鯉魚入侵五大湖，提出方案，闡述該方案的優(yōu)點(diǎn)。

學(xué)生討論美國人已經(jīng)采取的辦法：（1）投放毒藥，投了整整2噸的劇毒毒素，結(jié)果亞洲鯉魚幾乎毫發(fā)無損，反而中毒身亡的魚類都是美國本土公民。（2）安裝電網(wǎng)，美國政府花了幾百萬建造電網(wǎng)，想把這些魚給電死。但耗費(fèi)了整個(gè)密歇根州1個(gè)月的電量，殺了不到1%的亞洲鯉魚。（3）架網(wǎng)攔截，架設(shè)防護(hù)網(wǎng)，在水壩上安裝閘門，想要阻擋亞洲鯉魚滲透到其他水域，但沒有效果。（4）有獎(jiǎng)殺魚，美國政府鼓勵(lì)民眾組織弓箭射魚競賽。（5）鼓勵(lì)美國民眾食用，美國人不擅長烹飪淡水魚，也不喜食用淡水魚。

美國人嘗試過很多方法，但是都收效甚微。最終，美國只得使用生物方法，即引入捕食者。鱷雀鱔，被稱為世界十大兇猛淡水魚之一，平均體長兩米，身呈長筒形，上下顎密布利齒，形似鱷口。但是，雄性鱷雀鱔要到6歲才成年，雌性鱷雀鱔要到11歲才成年，因此美國近幾年投入的都是鱷雀鱔魚苗，因此鱷雀鱔作為捕食者是否能遏制亞洲鯉魚的入侵還不為人知。

3.游戲建模

運(yùn)用小游戲來模擬鱷雀鱔的捕食過程。游戲規(guī)則：用一張藍(lán)色的A4紙來代表密西西比河河流中一片二十平米的水域，用大魚代表鱷雀鱔，用小魚代表亞洲鯉魚，每組還將得到一張數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)表。已知，亞洲鯉魚大量繁殖，二十平米的區(qū)域中隨機(jī)分布著二十條亞洲鯉魚。現(xiàn)往該區(qū)域中投放兩條鱷雀鱔，鱷雀鱔進(jìn)行首輪捕食，如果一條鱷雀鱔能夠觸碰到三條或者三條以上的亞洲鯉魚，那么它就能存活下來。亞洲鯉魚被吃掉，從該生態(tài)系統(tǒng)中消失，如果鱷雀鱔沒有觸碰到三條亞洲鯉魚，那么它攝入的能量不足以維持生命，它就會被餓死，此時(shí)，該鱷雀鱔和它所捕食的亞洲鯉魚都從該生態(tài)系統(tǒng)中消失。記錄第一輪游戲數(shù)據(jù)，捕食的起始數(shù)量：鯉魚20，鱷雀鱔2，幸存者數(shù)量：鯉魚14，鱷雀鱔4。第二輪捕食，考慮到鱷雀鱔和鯉魚進(jìn)行繁殖，規(guī)定幸存的鱷雀鱔和鯉魚的數(shù)目翻一倍，作為下一輪的起始數(shù)量。即第二輪捕食鱷雀鱔起始數(shù)目是4，鯉魚是28。

學(xué)生嘗試進(jìn)行游戲，4～5輪后會遇到問題，游戲暫停，學(xué)生交流與分享。

當(dāng)捕食進(jìn)行到某一輪時(shí)，可能會出現(xiàn)這種情況：鱷雀鱔和鯉魚數(shù)目出現(xiàn)0，游戲無法繼續(xù)進(jìn)行。引導(dǎo)學(xué)生結(jié)合真實(shí)的河流生態(tài)系統(tǒng)的情況提出解決辦法。補(bǔ)充游戲規(guī)則：（3）當(dāng)鱷雀鱔和鯉魚數(shù)目出現(xiàn)0時(shí)，會有鱷雀鱔和鯉魚遷入該水域，規(guī)定鱷雀鱔遷入1條，鯉魚遷入10條。（4）至少完成15輪捕食，盡可能多的記錄數(shù)據(jù)。

游戲繼續(xù)，每組學(xué)生完成至少15輪捕食，并記錄數(shù)據(jù)。

4.拓展——數(shù)型轉(zhuǎn)換

進(jìn)行多輪捕食后，得到數(shù)據(jù)，教師引導(dǎo)學(xué)生明確問題，提取并分析有意義的數(shù)據(jù)（起始數(shù)量和幸存者數(shù)量都有意義，幸存者數(shù)量更直接體現(xiàn)規(guī)律）。思考有沒有什么方法能夠使規(guī)律更為直觀的體現(xiàn)出來。教師提供方格紙和彩筆，學(xué)生用圖形表示數(shù)據(jù)。

5.交流與分享

Ipad同屏，展示學(xué)生繪制的圖表。各組之間分享與交流，尋找規(guī)律，預(yù)測結(jié)果。教師評價(jià)各組完成情況，評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)：（1）圖表中隨著鱷雀鱔的引入，亞洲鯉魚的數(shù)量顯著下降。（2）圖表中鱷雀鱔和亞洲鯉魚的數(shù)量呈現(xiàn)此消彼長的趨勢。（3）捕食環(huán)節(jié)不少于15輪，數(shù)據(jù)充分，有可靠性。（4）圖表清晰，代表捕食者和被捕食者的圖例清晰，結(jié)果直觀，具有美觀性。（5）分享者語言表達(dá)流暢，條理清晰。

6.總結(jié)提升

引導(dǎo)學(xué)生思考我們建立的捕食者模型與真實(shí)的生態(tài)系統(tǒng)相比，是否有哪些因素是沒有考慮充分。該模型還存在哪些問題？培養(yǎng)學(xué)生的辯證思維，滲透科學(xué)研究的嚴(yán)謹(jǐn)性。

最后，倡導(dǎo)學(xué)生在利用科學(xué)技術(shù)改造自然，造福人類的同時(shí)，尊重科學(xué)，尊重自然規(guī)律。

四、結(jié)果和反思

縱觀整體教學(xué)設(shè)計(jì)我們不難發(fā)現(xiàn)，利用steam課程理念，學(xué)生不但能夠理解生態(tài)平衡的動態(tài)性，同時(shí)也在數(shù)學(xué)統(tǒng)計(jì)與分析預(yù)測方面得到了寶貴的實(shí)踐機(jī)會。學(xué)生對課堂的參與性強(qiáng)，學(xué)習(xí)效果明顯。

參考文獻(xiàn)：

[1]嚴(yán)文蕃.美國STEAM課程的實(shí)踐和啟示.教育家，2017，（48）.