STEM教育在初中生物探究活動(dòng)教學(xué)中的滲透

黃東姐

摘 ? 要：本文舉例闡述了在STEM教育理念的引領(lǐng)下，優(yōu)化初中生物學(xué)探究活動(dòng)，有利于學(xué)生科學(xué)思維的培養(yǎng)和STEM素養(yǎng)的形成。

關(guān)鍵詞：STEM;初中生物學(xué)教學(xué);課例分析

STEM是科學(xué)、技術(shù)、工程和數(shù)學(xué)的英文單詞的簡(jiǎn)稱。STEM 教育是科學(xué)、技術(shù)、工程和數(shù)學(xué)的綜合性教育，它不是這四個(gè)學(xué)科教育的簡(jiǎn)單拼湊，而是要求學(xué)生在特定問題上，能運(yùn)用多學(xué)科相互關(guān)聯(lián)的知識(shí)解決問題，以培養(yǎng)學(xué)生對(duì)科學(xué)技術(shù)的興趣，形成綜合的STEM素養(yǎng)。

STEM 教育的興起緣于20世紀(jì)80年代美國(guó)對(duì)科技人才日益短缺的思考。這幾年，STEM教育作為一種新穎的教學(xué)方式在我國(guó)開始流行，主要滲透在基礎(chǔ)教育階段，意在培養(yǎng)中小學(xué)生的STEM素養(yǎng)，為他們成為未來(lái)的科技人才奠定基礎(chǔ)。在此教育理念下，教師引導(dǎo)學(xué)生利用工程設(shè)計(jì)，進(jìn)行科學(xué)探究實(shí)施實(shí)驗(yàn)，形成自己的經(jīng)驗(yàn)，掌握不同的設(shè)計(jì)思路，體會(huì)不同的數(shù)學(xué)處理方法，最終建構(gòu)新的科學(xué)知識(shí)[ ?1 ?]。現(xiàn)以人教版初中生物學(xué)八年級(jí)下冊(cè)“探究酒精或煙草浸出液對(duì)水蚤心率的影響”一節(jié)為例，談?wù)勗赟TEM教育理念的引領(lǐng)下，如何優(yōu)化初中生物學(xué)探究活動(dòng)。

1 ?基于STEM教育理念的探究性實(shí)驗(yàn)的基本環(huán)節(jié)

“探究酒精或煙草浸出液對(duì)水蚤心率的影響”是初中生物學(xué)“健康地生活”這一主題課程的一個(gè)探究性實(shí)驗(yàn)。學(xué)習(xí)者通過觀察酒精（或煙草浸出液）對(duì)水蚤心率的影響，從而討論酗酒（或吸煙）對(duì)人體健康的危害。

1.1 ?明確探究問題

STEM教學(xué)策略的核心是探究性學(xué)習(xí)，而探究必須始于問題，且一般是基于生活情景的真實(shí)問題。這個(gè)問題可以是學(xué)生在生活經(jīng)驗(yàn)中自己發(fā)現(xiàn)的，也可以由教師給定或教材提供的。本節(jié)內(nèi)容教材中提出的問題是：探究酒精（或煙草浸出液）對(duì)水蚤心率有什么影響？教師可以通過創(chuàng)設(shè)真實(shí)情境進(jìn)一步引導(dǎo)學(xué)生，依據(jù)生活中的所見所聞及所學(xué)知識(shí)，提出探究問題。例如：在不同濃度的酒精（或煙草浸出液）中，水蚤心率變化情況如何？酒精（或煙草浸出液）對(duì)水蚤的生命活動(dòng)會(huì)造成什么影響？酒精（或煙草浸出液）會(huì)導(dǎo)致水蚤死亡嗎等問題。

在初中生物探究教學(xué)活動(dòng)中，教師不急于給定學(xué)生問題，可以通過創(chuàng)設(shè)真實(shí)情境引導(dǎo)學(xué)生發(fā)現(xiàn)問題。例如，展示圖片“不吸煙者的肺和吸煙者的肺”、視頻“酗酒引發(fā)心血管疾病等健康問題”，或提供“酗酒引起交通事故”等生活案例。這樣既能充分運(yùn)用初中學(xué)生的知識(shí)與能力儲(chǔ)備，又能與STEM教學(xué)的創(chuàng)新性和開放性相契合。

1.2 ?作出合理假設(shè)

作出假設(shè)是指學(xué)生應(yīng)用自身已有的知識(shí)，對(duì)問題的結(jié)論提出可能的設(shè)想和解答。它可以使科學(xué)研究更有針對(duì)性，而不是盲目的嘗試。本節(jié)內(nèi)容，學(xué)生根據(jù)自己提出的探究問題，作出相應(yīng)的假設(shè)：一定濃度的酒精（或煙草浸出液）可能會(huì)使水蚤心率加大，濃度太高會(huì)導(dǎo)致水蚤死亡。

在教學(xué)中，教師鼓勵(lì)學(xué)生基于科學(xué)原理和事實(shí)，對(duì)探究的問題大膽地提出假設(shè)。在這過程中 ，學(xué)生充分發(fā)揮想象力和創(chuàng)造力，批判性思維得到了鍛煉。

1.3 ?設(shè)計(jì)并實(shí)施方案

STEM是一種基于證據(jù)的學(xué)習(xí)。假說(shuō)是否正確，需要通過設(shè)計(jì)、實(shí)施實(shí)驗(yàn)方案得到證據(jù)來(lái)加以驗(yàn)證。設(shè)計(jì)方案主要包括列出實(shí)驗(yàn)所需的材料和用具，選出實(shí)驗(yàn)控制變量，設(shè)計(jì)對(duì)照實(shí)驗(yàn)，擬定實(shí)驗(yàn)的具體步驟，確定小組成員的分工合作事項(xiàng)等。學(xué)生通過小組討論自主制訂實(shí)驗(yàn)方案，與教師共同評(píng)估方案的可行性，然后按照設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)步驟開始操作。即進(jìn)行觀察、實(shí)驗(yàn)，收集證據(jù)、數(shù)據(jù)，嘗試評(píng)價(jià)證據(jù)、數(shù)據(jù)的可靠性等。

本實(shí)驗(yàn)選擇的材料用具主要有：活水蚤、體積分?jǐn)?shù)為95%的酒精（或煙草浸出液）、蒸餾水、顯微鏡、載玻片、吸管、計(jì)時(shí)器等。在制訂方案時(shí)，還需要討論以下問題：①實(shí)驗(yàn)過程，需要用到多少只水蚤？水蚤應(yīng)該分成幾組？每組多少只？為什么？②該實(shí)驗(yàn)的變量是什么？③怎么樣配制不同濃度的酒精（或煙草浸出液）？④怎樣設(shè)計(jì)對(duì)照實(shí)驗(yàn)？實(shí)驗(yàn)的具體步驟是什么？⑤每次數(shù)水蚤心率的時(shí)長(zhǎng)是應(yīng)該是多少？怎么數(shù)水蚤的心率？怎么樣才能減少實(shí)驗(yàn)誤差？⑥怎么設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄表？等。

雖然在制訂方案過程作了充分的準(zhǔn)備，但在實(shí)施方案的過程中，學(xué)生還是會(huì)遇到很多問題。如載玻片上的水太多導(dǎo)致水蚤無(wú)法固定在一個(gè)位置;水蚤心跳太快導(dǎo)致學(xué)生數(shù)數(shù)出現(xiàn)問題;實(shí)驗(yàn)結(jié)果與實(shí)驗(yàn)預(yù)期不相符等。這時(shí)，教師可以指導(dǎo)學(xué)生查閱資料或提供解決辦法的方案，并鼓勵(lì)學(xué)生進(jìn)一步優(yōu)化實(shí)驗(yàn)方案，重復(fù)實(shí)驗(yàn)。在設(shè)計(jì)和實(shí)施實(shí)驗(yàn)方案的過程中，學(xué)生能夠把工程、技術(shù)與科學(xué)原理系統(tǒng)地、創(chuàng)造性地運(yùn)用于科學(xué)實(shí)踐中，面對(duì)挑戰(zhàn)，靈活地分析問題，大大提升了技術(shù)素養(yǎng)與工程素養(yǎng)。

1.4 ?處理結(jié)果得出結(jié)論

對(duì)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象進(jìn)行描述、分析與判斷實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)等都需要運(yùn)用到學(xué)生的數(shù)學(xué)素養(yǎng)。數(shù)學(xué)是STEM教育的輔助性工具，運(yùn)用于科學(xué)、技術(shù)和工程之中，能幫助學(xué)生更好地分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果，更科學(xué)地推導(dǎo)相應(yīng)的結(jié)論。在實(shí)驗(yàn)過程中，學(xué)生設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果記錄表，教師引導(dǎo)學(xué)生根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果填寫真實(shí)數(shù)據(jù)，計(jì)算平均值，并畫出相應(yīng)的變化曲線。學(xué)生運(yùn)用數(shù)學(xué)知識(shí)對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行不同方式的處理，深刻地體會(huì)到表格有利于實(shí)驗(yàn)結(jié)果的記錄，而曲線更能直觀反映變化趨勢(shì)。

例如，學(xué)生設(shè)計(jì)了“水蚤在清水和不同體積分?jǐn)?shù)酒精中的心率記錄表”（表1）和“水蚤在不同體積分?jǐn)?shù)酒精中活動(dòng)狀態(tài)記錄表”（表2），并將表格轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的曲線圖（略）。學(xué)生從圖表信息推導(dǎo)得出以下結(jié)論：短時(shí)間內(nèi)，一定濃度的酒精（或煙草浸出液）會(huì)使水蚤心率加大，在一定濃度范圍內(nèi)隨濃度增加水蚤心率越大;30 min后，在一定濃度的酒精（或煙草浸出液）水蚤的生命活動(dòng)受到影響甚至死亡。表明酒精（或煙草浸出液）對(duì)水蚤有一定的毒害作用。

表1 ?水蚤在清水和不同體積分?jǐn)?shù)酒精中的心率記錄表

表2 ?水蚤在清水和不同體積分?jǐn)?shù)酒精中的活動(dòng)狀態(tài)記錄表

備注：搖晃后平放試管觀察水蚤，以15秒內(nèi)不動(dòng)判定為死亡。

學(xué)生在實(shí)驗(yàn)過程中設(shè)計(jì)表格及繪制曲線圖，并與其他實(shí)驗(yàn)小組比較，從而進(jìn)行適當(dāng)?shù)男拚Ｔ谏飳W(xué)科中進(jìn)行構(gòu)建數(shù)學(xué)模型思維的滲透，巧妙地把生物科學(xué)與數(shù)學(xué)有機(jī)地融合，使學(xué)生認(rèn)識(shí)到數(shù)學(xué)方法是STEM教育中不可或缺的工具，能較好地解決一些生物學(xué)科問題。

1.5 ?分享反思

STEM教育理念指導(dǎo)下的探究性學(xué)習(xí)不只是一個(gè)科學(xué)研究過程，還應(yīng)該有一個(gè)反思分享環(huán)節(jié)。實(shí)驗(yàn)小組呈現(xiàn)探究問題，探究方案，測(cè)量的結(jié)果，得出的結(jié)論等，并對(duì)科學(xué)研究的過程，各個(gè)步驟的成功與不足進(jìn)行分析，說(shuō)出實(shí)驗(yàn)方案中哪些地方可行，哪些地方不可行，如何改進(jìn)。教師進(jìn)行指導(dǎo)與點(diǎn)評(píng)，鼓勵(lì)學(xué)生適當(dāng)修正甚至重新設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案與重新進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，給足時(shí)間讓學(xué)生充分探究。在這個(gè)環(huán)節(jié)中，學(xué)習(xí)者與同學(xué)們分享成功的經(jīng)驗(yàn)，進(jìn)一步優(yōu)化方案，體會(huì)到STEM教育中反思的重要性，能促進(jìn)問題解決方法的遷移并發(fā)現(xiàn)新的問題。

2 ?基于STEM教育理念的探究性實(shí)驗(yàn)的幾點(diǎn)啟示

2.1 ?注重跨學(xué)科的整合

STEM課程的核心是跨學(xué)科的整合性，在于綜合運(yùn)用各門學(xué)科的知識(shí)解決現(xiàn)實(shí)問題[ 2 ]。在現(xiàn)實(shí)生活中沒有一個(gè)問題，用一個(gè)學(xué)科知識(shí)就能解決的。科學(xué)探究緣于生活問題，科學(xué)探究的過程需要學(xué)生綜合運(yùn)用各科知識(shí)，有效地進(jìn)行創(chuàng)新與解決實(shí)踐問題。因此，進(jìn)行初中生物探究實(shí)驗(yàn)教學(xué)時(shí)，教師不能只局限于本學(xué)科的知識(shí)，應(yīng)從發(fā)展學(xué)生的角度出發(fā)，引導(dǎo)學(xué)生整合學(xué)科知識(shí)，促進(jìn)學(xué)生綜合素養(yǎng)的形成。

2.2 ?強(qiáng)調(diào)“以學(xué)生為中心”的理念

STEM理念下的科學(xué)探究，強(qiáng)調(diào)的是學(xué)生的自主學(xué)習(xí)。發(fā)現(xiàn)問題，作出假設(shè)，制訂方案，處理數(shù)據(jù)、表達(dá)分析成果等各個(gè)環(huán)節(jié)都是以學(xué)生為主體。但是由于知識(shí)、能力的局限，初中學(xué)生對(duì)于科學(xué)探究會(huì)產(chǎn)生畏難情緒，這就要求教師在進(jìn)行每一個(gè)教學(xué)環(huán)節(jié)時(shí)，應(yīng)以學(xué)生為中心選擇適當(dāng)?shù)慕虒W(xué)策略。例如，課題探究應(yīng)貼近生活，適度講解背景知識(shí)與核心概念，實(shí)驗(yàn)條件的提供應(yīng)較為充足，實(shí)驗(yàn)任務(wù)應(yīng)當(dāng)明確，能正面激勵(lì)、評(píng)價(jià)學(xué)生等。

2.3 ?強(qiáng)調(diào)迭代、開放性的探索

STEM是以工程設(shè)計(jì)為主線，強(qiáng)調(diào)在設(shè)計(jì)與實(shí)施中探究，不在乎探索的結(jié)果，而是注重探索方式的多樣化。因此，STEM理念下的科學(xué)探究是開放性的。在教學(xué)過程中，教師應(yīng)鼓勵(lì)學(xué)生自主探究，開放思維，大膽想象，創(chuàng)新地設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，并提供給學(xué)生完善方案和重復(fù)實(shí)驗(yàn)的機(jī)會(huì)。迭代的科學(xué)探究，能實(shí)現(xiàn)學(xué)生對(duì)問題的充分探索，以達(dá)到找到解決問題的方式，有利于學(xué)生科學(xué)思維的培養(yǎng)和STEM素養(yǎng)的形成。

綜上所述，將STEM教育滲透到初中生物探究活動(dòng)教學(xué)中，學(xué)生才真正經(jīng)歷一個(gè)充分的探索過程，主動(dòng)習(xí)得科學(xué)概念，能力、素養(yǎng)得到全面的鍛煉與提升。

參考文獻(xiàn)：

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[2]呂延會(huì). STEM教育的核心精神[J].當(dāng)代教育科學(xué)， 2017（5）：16-19.