STEM 教育理念下高中生物實驗的探究式教學(xué)模式初探

江西

生物學(xué)是一門以實驗為基礎(chǔ)的自然科學(xué)，實驗教學(xué)既是高中生物教學(xué)的重要內(nèi)容，也是一種有效的教學(xué)手段，更是培養(yǎng)學(xué)生學(xué)科核心素養(yǎng)的重要環(huán)節(jié)?！镀胀ǜ咧猩飳W(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017 年版2020 年修訂）》指出：培養(yǎng)學(xué)生生物學(xué)科核心素養(yǎng)是本課程的價值追求，也是課程預(yù)期的教學(xué)目標(biāo)。要達(dá)成這樣的課程目標(biāo)，教師要適當(dāng)?shù)貙⒖鐚W(xué)科知識和技能融入到實踐活動中，特別是將“科學(xué)、技術(shù)、工程學(xué)和數(shù)學(xué)”（STEM）整合到實踐活動中，以適應(yīng)在教學(xué)中超越對學(xué)科本身知識和能力的要求。但是，目前高中生物實驗教學(xué)過于強調(diào)“整體劃一”模式，忽視學(xué)生個性的發(fā)展；過于重視實驗技能的傳授和結(jié)論的獲取，忽視能力培養(yǎng)和科學(xué)方法的教育。學(xué)生多數(shù)情況下處于被動學(xué)習(xí)狀態(tài)，對實驗興趣不高，學(xué)生的基本技能訓(xùn)練都無法實現(xiàn)，更談不上分析問題、解決問題的能力及創(chuàng)新能力的提高了。

我國高校機構(gòu)庫建設(shè)發(fā)展緩慢，與機構(gòu)庫建設(shè)者對機構(gòu)知識庫的宣傳不足不無關(guān)系。關(guān)于這點，文章《國內(nèi)科研機構(gòu)和高校機構(gòu)知識庫規(guī)劃建設(shè)現(xiàn)狀與問題研究》[8]中有所研究。在該論文中，作者分別對中國科學(xué)院各個研究所以及國內(nèi)高校的科研人員、圖書館信息服務(wù)人員、決策管理人員進(jìn)行了研究，針對他們對機構(gòu)知識庫的認(rèn)知和需求差異進(jìn)行調(diào)研，調(diào)研結(jié)果顯示“科研人員和圖書信息人員對IR的認(rèn)知程度差不多，各有70%以上人員從未聽說或使用過IR”。作為學(xué)術(shù)交流和機構(gòu)庫發(fā)展較為集中的我國高校和科研院所的教師和科研人員尚且對開放獲取和機構(gòu)庫知識的認(rèn)知還不夠理想，也在一定程度上反映了機構(gòu)庫建設(shè)者對機構(gòu)庫的宣傳不足。

第四，決心維度。這一維度主要是指中國實現(xiàn)承諾的意志。2012年黃巖島事件由菲律賓挑起而最終以中方實控這一島嶼及附近海域而告終。自2014年以來，盡管以美國為首的部分國家在各類場合不斷要求中國停止對實控的7個島嶼進(jìn)行的大規(guī)模吹填和建設(shè)項目，并且美國還以航行自由和地區(qū)穩(wěn)定受到影響為由在上述島嶼附近進(jìn)行了海上和空中巡航，并藉此加深與越菲等國的雙邊關(guān)系，但中國不為所動，堅定不移地完成了南海島礁建設(shè)項目。對此，其他國家包括美國在內(nèi)均無能為力。基于上述事件，國際社會已經(jīng)充分意識到中國維護(hù)南海主權(quán)和海洋權(quán)益這一自身核心利益的決心。

基于此，筆者認(rèn)為在日常的實驗教學(xué)中應(yīng)注重探究性實驗的開展，有意識地引導(dǎo)學(xué)生設(shè)計和分析實驗，培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)探究能力。本文分析了STEM 教育的特點以及將STEM 教育融入高中生物實驗的探究式教學(xué)的可行性；明確了教材中適合探究式教學(xué)的實驗內(nèi)容，設(shè)置相應(yīng)的STEM 教學(xué)目標(biāo)，通過教學(xué)實踐，初步構(gòu)建了STEM 理念下高中生物實驗的探究式教學(xué)模式。

1.STEM探究式教學(xué)模式特點分析

相對于以教師為中心的“傳遞—接受”式的教學(xué)模式，STEM 探究式教學(xué)模式是一種新型教學(xué)模式，它強調(diào)跨學(xué)科的融合，增進(jìn)學(xué)科知識和方法上的聯(lián)系，注重學(xué)生的個性化發(fā)展，培養(yǎng)學(xué)生多學(xué)科的STEM 綜合素質(zhì)；它主要強調(diào)以學(xué)生為中心，強調(diào)學(xué)生根據(jù)問題情境，通過科學(xué)設(shè)計和探究的方式來掌握知識和解決問題，打破以往用教材中已有的實驗設(shè)計的教學(xué)模式，能極大地調(diào)動學(xué)生的積極性和激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)造性。但是，該教學(xué)模式也對教師提出了更高的要求，如果教師準(zhǔn)備不充分，就難以把控課堂的節(jié)奏和秩序。STEM 探究式實驗教學(xué)模式與傳統(tǒng)實驗教學(xué)模式的比較如表1。

以人教版高中生物必修1 中“檢測生物組織中的糖類、脂肪和蛋白質(zhì)”實驗為例，將驗證性實驗改為探究性實驗，開展探究式實驗教學(xué)實踐。

培養(yǎng)學(xué)生用科學(xué)知識和科學(xué)技能解釋現(xiàn)實生活現(xiàn)象和問題（科學(xué)素養(yǎng)）；

表1

2.STEM教育理念下高中生物實驗的探究式教學(xué)模式的初步構(gòu)建

筆者將探究式實驗教學(xué)內(nèi)容歸納為以下四個方面：教材探究實驗、科學(xué)史探究實驗、教材“問題探討”的再探究以及在驗證性實驗的應(yīng)用?；赟TEM 教育和探究式實驗教學(xué)的理論研究，結(jié)合教學(xué)實踐，設(shè)計了圖1 所示的教學(xué)模式。

圖1

3.STEM教育理念下高中生物實驗的探究式教學(xué)實踐探索

在將自主開發(fā)的針對《C語言程序設(shè)計》的游戲助學(xué)軟件提供給本院的17級新生使用后，學(xué)生的對C語言的學(xué)習(xí)興趣得到了很大的提高，課程的學(xué)習(xí)效果也增強了不少。如果通過對課程最終的試卷考核結(jié)果進(jìn)行分析的話，這屆新生班級的C語言卷面平均成績普遍要高于前幾屆，尤其卷面上的客觀題(選擇題、填空題、程序閱讀題)的平均得分均超過了往屆平均分6分以上。這也表明了在這個學(xué)期引入游戲助學(xué)軟件，取得了比較好的教學(xué)效果。

3.1 STEM 教學(xué)目標(biāo)

其次，在“綠色原則”作為物權(quán)人需承擔(dān)環(huán)保義務(wù)的一般性條款在“物權(quán)編”總則中確立的情況下，“物權(quán)編”分則的制度構(gòu)建及規(guī)范解釋在強調(diào)物權(quán)之經(jīng)濟(jì)價值的同時，必須對物權(quán)之生態(tài)環(huán)境功能進(jìn)行重新考量和定位，并在具體制度構(gòu)建中盡力給出二者沖突時的解決規(guī)則和取舍標(biāo)準(zhǔn)。一方面，這需要將《物權(quán)法》中已蘊含“綠色原則”理念的私法規(guī)范進(jìn)行規(guī)則整合，實現(xiàn)“‘綠色原則’規(guī)則化”，避免在個案中缺少基本規(guī)范而“向基本原則逃避”；另一方面，在承繼《物權(quán)法》已蘊含“綠色原則”既有規(guī)范前提下，將更多蘊含此種理念的制度規(guī)范納入《民法典》“物權(quán)編”中，使“綠色原則”轉(zhuǎn)變?yōu)榭刹僮鞯木唧w物權(quán)規(guī)范。

嘗試使用各種技術(shù)方法檢測有機物（技術(shù)素養(yǎng)）；

嘗試提出問題，作出假設(shè)，設(shè)計和分析實驗（科學(xué)素養(yǎng)）。

3.2 教學(xué)思路

請寫出實驗思路。

圖2

3.3 探究方案

探究活動1

疑問：磚紅色沉淀的產(chǎn)生是斐林試劑與還原糖反應(yīng)的結(jié)果還是斐林試劑受熱后的結(jié)果？

表2

探究活動2

根據(jù)實驗的操作和現(xiàn)象你存在的疑問有：________________________________________________________。

通過問題啟發(fā)、任務(wù)驅(qū)動的方式引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行自主設(shè)計實驗，探究給定或者自帶食物中的有機物成分及含量比較，按照圖2 思路開展教學(xué)。

研究對象來自我院2013年9月—2016年12月內(nèi)收治的400例老年住院病人，按時間順序分為觀察組與對照組，各200例。對照組為2013年9月—2014年12月的老年住院病人，其中男124例，女76例；年齡60歲～78歲(69.2歲±4.1歲)。觀察組為2015年9月—2016年12月的老年住院病人，其中男118例，女82例；年齡60歲～81歲(69.8歲±3.7歲)；兩組病人在年齡、性別等基本情況上差異無統(tǒng)計學(xué)意義(P>0.05)，有可比性。

探究活動3

根據(jù)給定材料，設(shè)計或自選研究課題，寫出實驗思路開展探究。

（1）比較不同食物中蛋白質(zhì)含量的差異；

（2）比較不同水果中還原糖含量的差異。

3.4 學(xué)生案例

探究活動1

預(yù)測給定材料或自帶材料的主要有機物成分并檢測，填寫表3：

由表6的試驗結(jié)果可以確定Q500qE鋼板焊接預(yù)熱溫度（當(dāng)環(huán)境溫度不低于5℃，環(huán)境濕度不大于80%時）：板厚≤32mm的Q500qE鋼板不需要預(yù)熱；板厚＞32～50mm的Q500qE鋼板預(yù)熱80℃，可以防止焊接裂紋的產(chǎn)生。

表3

探究活動2

根據(jù)演示實驗的操作和現(xiàn)象你存在的疑問以及探究方案：___________________________________________________________________________________。

案例①

當(dāng)他們剛走到長江邊的時候，突然，一個女孩跳到了江里，接著，一個男孩也跟著跳了進(jìn)去。轉(zhuǎn)眼間，他們都被江水吞沒了。

預(yù)測給定材料或自帶材料的主要有機物成分并檢測，填寫表2：

探究方案：增設(shè)蒸餾水+斐林試劑（水浴加熱），與1 號試管進(jìn)行對比。

探究結(jié)果：磚紅色沉淀的產(chǎn)生是斐林試劑與還原糖反應(yīng)產(chǎn)生Cu2O 的結(jié)果，斐林試劑受熱后產(chǎn)生CuO 的黑色沉淀，如圖3 所示。

圖3 左：還原糖+斐林試劑（水浴加熱）右：蒸餾水+斐林試劑（水浴加熱）

案例②

疑問：煮熟的雞蛋清還能與雙縮脲試劑產(chǎn)生紫色反應(yīng)嗎？

選擇料液比1:6、1:8、1:10、1:12,白砂糖添加量8%、檸檬酸添加量0.2%,進(jìn)行單因素考察,結(jié)果見表2。結(jié)果表明,當(dāng)料液比為1:8時,飲料感官評價較高。當(dāng)刺玫果添加量減少時,氣味、色澤和口感得分均有所減少。隨著刺玫果添加量的增加,飲料的氣味和色澤加重,但口感評價有所降低。

探究方案：增設(shè)熟雞蛋清+雙縮脲試劑，與2 號試管對比。

學(xué)生在實驗課上探究以上內(nèi)容。

探究結(jié)果：煮熟的雞蛋清能與雙縮脲試劑產(chǎn)生紫色反應(yīng)，如圖4 所示。

圖4 左：熟雞蛋清+雙縮脲試劑右：生雞蛋清+雙縮脲試劑

探究活動3

根據(jù)給定材料，設(shè)計或自選研究課題，寫出實驗思路開展探究。

探究問題：比較不同種類牛奶中蛋白質(zhì)含量。

探究方案：取等體積的兩種牛奶（純牛奶和優(yōu)酸奶），分別加入等體積的雙縮脲試劑，對比觀察反應(yīng)后出現(xiàn)的紫色深淺。

發(fā)現(xiàn)問題：兩試管中紫色深淺接近（如圖5），無法據(jù)此判斷蛋白質(zhì)含量的多少。

圖5

改進(jìn)方案及結(jié)果：利用尿蛋白檢測試紙進(jìn)行檢測對比，發(fā)現(xiàn)純牛奶中蛋白質(zhì)含量高于優(yōu)酸奶，結(jié)果如圖6。

雖然無法確認(rèn)本例中譯員提供的建議究竟是客觀存在的文化差異還是譯員個人的看法，但是這種調(diào)解策略實際上違法了中立的原則，是譯員應(yīng)該避免的。

圖6

3.5 教學(xué)評價與反思

本次實驗課中學(xué)生積極性高，自帶實驗材料，自主提出問題，通過設(shè)計實驗自主探究，打破了以往教師講實驗，學(xué)生跟著做實驗的傳統(tǒng)模式。實驗教學(xué)中教師應(yīng)該把課堂“還給”學(xué)生，關(guān)注學(xué)生提出的問題，多給學(xué)生展示的平臺，哪怕是“敗筆”，通過教師正確引導(dǎo)也能“生花”。實驗教學(xué)要注重學(xué)生理性思維的培養(yǎng)，注重科學(xué)探究能力的培養(yǎng)，注重理論知識與生活實踐的聯(lián)系，注重多學(xué)科的交融，將學(xué)科核心素養(yǎng)落實到實驗教學(xué)中。

STEM 教育理念下高中生物實驗的探究式教學(xué)模式已初步構(gòu)建，并已面向筆者所在學(xué)校2019 級學(xué)生開展教學(xué)實踐。教學(xué)過程中，學(xué)生能自主或者合作進(jìn)行探究式實驗的設(shè)計，充分調(diào)動了學(xué)生的積極性和參與度，很好地掌握實驗原理并能做到遷移應(yīng)用，學(xué)生的理性思維和科學(xué)探究能力得到了充分的發(fā)展。由此可見，從學(xué)生發(fā)展方面來看，該模式的教學(xué)已初步獲得成效，大大增加了教學(xué)的可行性。在下一階段，筆者將結(jié)合STEM 教育元素豐富探究式教學(xué)模式，開展更多的教學(xué)實踐，來修正和完善STEM 教育理念下高中生物實驗的探究式教學(xué)模式。