基于STEM教育理念的高中生物教學(xué)實(shí)踐

董秋月

STEM教育是當(dāng)前國際科學(xué)教育領(lǐng)域關(guān)注和研究的熱點(diǎn)之一，其目的是培養(yǎng)適應(yīng)社會(huì)發(fā)展的集科學(xué)素養(yǎng)、技術(shù)素養(yǎng)、工程素養(yǎng)和數(shù)學(xué)素養(yǎng)于一身的創(chuàng)新型復(fù)合人才，其培養(yǎng)目的適應(yīng)新一輪的課程改革需求。此外，《普通高中生物學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版）》在教學(xué)與評(píng)價(jià)建議中強(qiáng)調(diào)：注重生物學(xué)與數(shù)學(xué)、技術(shù)、工程學(xué)和信息科學(xué)等學(xué)科的相互滲透和共同發(fā)展，加強(qiáng)學(xué)科間的橫向聯(lián)系。因此，注重STEM教育理念在高中生物教學(xué)中的滲透，是一種優(yōu)化高中生物教學(xué)方法的良策，對提升學(xué)生生物學(xué)核心素養(yǎng)具有重大推動(dòng)作用。

STEM教育簡介

STEM教育是指科學(xué)（Science）、技術(shù)（Technology）、工程（Engineering）和數(shù)學(xué)（Mathematics）多學(xué)科相互融合的教育，這一概念是由美國國家科學(xué)委員會(huì)提出。它強(qiáng)調(diào)多學(xué)科的交叉融合形成有機(jī)整體，其特色是有計(jì)劃科學(xué)地整合各學(xué)科知識(shí)與技能，應(yīng)用于真實(shí)且復(fù)雜的情境中去解決實(shí)際問題，從而完善跨學(xué)科知識(shí)體系的建構(gòu)。本文將STEM教育理解為一種教學(xué)策略和學(xué)習(xí)方法應(yīng)用于生物教學(xué)中，以生物學(xué)核心概念為主線，整合物理、化學(xué)、技術(shù)和數(shù)學(xué)等多門學(xué)科知識(shí)與技能，解決現(xiàn)實(shí)生活情境中的問題，在問題解決過程中提升科學(xué)思維能力、實(shí)踐探究能力，最終達(dá)成生物學(xué)核心素養(yǎng)的提升。

融入STEM教育理念的教學(xué)，要求學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中，能夠提升科學(xué)、技術(shù)、工程和數(shù)學(xué)素養(yǎng)，即STEM素養(yǎng)。具體內(nèi)容為學(xué)生能夠運(yùn)用科學(xué)知識(shí)和方法解決實(shí)際問題；基于理解，能夠習(xí)得并靈活運(yùn)用技術(shù)；運(yùn)用科學(xué)與數(shù)學(xué)知識(shí)應(yīng)用于現(xiàn)實(shí)生活中的工程設(shè)計(jì)與開發(fā)；能夠運(yùn)用數(shù)學(xué)思維表達(dá)問題及解決問題。

基于STEM教育理念的生物課堂教學(xué)實(shí)踐

設(shè)計(jì)基于STEM教育理念的教學(xué)模式 隨著國內(nèi)外關(guān)于STEM教育理論和教學(xué)實(shí)踐研究的不斷豐富和完善，不同專家學(xué)者在STEM教育理念的基礎(chǔ)上也提出了適用于不同學(xué)習(xí)階段或不同學(xué)科內(nèi)容的STEM教學(xué)設(shè)計(jì)模式。本文基于對相關(guān)STEM教育案例和北京師范大學(xué)余勝泉教授提出的基于建構(gòu)主義STEM教育教學(xué)模式的研究學(xué)習(xí)，結(jié)合高中生物課程標(biāo)準(zhǔn)和高中生物學(xué)科特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了基于STEM教育理念的高中生物教學(xué)設(shè)計(jì)模式：在教學(xué)任務(wù)的引領(lǐng)下，基于教材、普通高中生物學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)、教學(xué)目標(biāo)、跨學(xué)科知識(shí)和技能整合（STEM素養(yǎng)）和學(xué)習(xí)者特征五個(gè)方面進(jìn)行分析，設(shè)計(jì)教學(xué)實(shí)施流程，主要包括“情境創(chuàng)設(shè)”“方案設(shè)計(jì)”“科學(xué)實(shí)踐”“交流評(píng)價(jià)”四個(gè)方面。其中，情境創(chuàng)設(shè)要求基于真實(shí)的生活情境，激發(fā)學(xué)生探究積極性；方案設(shè)計(jì)要求學(xué)生基于真實(shí)情境提出可探究的問題或項(xiàng)目，確定研究主題，合作探究并設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案；科學(xué)實(shí)踐過程旨在學(xué)生在進(jìn)行實(shí)驗(yàn)操作過程中靈活運(yùn)用相關(guān)技術(shù)和數(shù)學(xué)思維解決問題；最終的交流評(píng)價(jià)可形式多樣，目的在于反思學(xué)習(xí)過程，感悟科學(xué)、技術(shù)、工程和數(shù)學(xué)知識(shí)的相互交融，達(dá)成STEM素養(yǎng)的提升。此外，在教學(xué)前，教師應(yīng)基于可研究的問題或項(xiàng)目進(jìn)行工具與資源設(shè)計(jì)、學(xué)習(xí)支架設(shè)計(jì)和活動(dòng)過程設(shè)計(jì)，保證教學(xué)的科學(xué)性和高效性。

課堂教學(xué)案例分析 依據(jù)教學(xué)任務(wù)安排，重點(diǎn)分析教材內(nèi)容、高中生物課程標(biāo)準(zhǔn)和相關(guān)跨學(xué)科知識(shí)，選取浙科版選修一中微生物的分離與計(jì)數(shù)教學(xué)內(nèi)容為載體，包括“大腸桿菌的培養(yǎng)與分離”和“分離以尿素為唯一氮源的微生物”兩部分內(nèi)容，其中包含的方法與技術(shù)有培養(yǎng)基配置、滅菌技術(shù)、無菌操作技術(shù)、微生物分離與純化方法（劃線分離法和涂布分離法）、微生物數(shù)量計(jì)數(shù)法（稀釋涂布分離法和顯微鏡計(jì)數(shù)法）等。此外，基于對教學(xué)時(shí)間與學(xué)習(xí)者特點(diǎn)的分析，且為了進(jìn)一步提升學(xué)生綜合運(yùn)用多學(xué)科知識(shí)與技能解決生活實(shí)際問題的能力，從而完成生物學(xué)核心素養(yǎng)的提升，故將本節(jié)教學(xué)案例安排在高中生物一輪復(fù)習(xí)課中實(shí)施。其中，情境創(chuàng)設(shè)和方案設(shè)計(jì)安排在1課時(shí)中完成，科學(xué)實(shí)踐和交流討論安排在2～3課時(shí)中完成。

一是實(shí)際情境創(chuàng)設(shè)，激發(fā)探究熱情。食品安全是如今社會(huì)特別關(guān)注的話題，微生物學(xué)檢測在食品安全檢測中發(fā)揮重要作用，其中菌落總數(shù)和大腸菌群數(shù)是評(píng)價(jià)食品衛(wèi)生質(zhì)量的重要指標(biāo)之一。教師可播放不法商家生產(chǎn)食物的過程視頻或某品牌食品衛(wèi)生不合格事件新聞等，如近年在食品安全專項(xiàng)監(jiān)督抽檢中發(fā)現(xiàn)某品牌網(wǎng)紅雙黃蛋雪糕中的菌落總數(shù)和大腸菌群超標(biāo)事件。其中大腸桿菌群是食品衛(wèi)生的指示性指標(biāo)，食品中檢測出大腸菌群并不一定致病，但如果是致病性大腸桿菌，就可能會(huì)引起腹痛、腹瀉、血便和出血性大腸炎等食源性疾病。因此，若食品加工生產(chǎn)衛(wèi)生條件不合格，就極易導(dǎo)致食品中菌落總數(shù)和大腸菌群數(shù)超標(biāo)。以貼近學(xué)生生活實(shí)際的社會(huì)熱點(diǎn)話題創(chuàng)設(shè)情境，能夠有效地激發(fā)學(xué)生探究學(xué)習(xí)熱情，并且認(rèn)識(shí)到生物學(xué)對提高人類生活質(zhì)量等方面具有重要貢獻(xiàn)。

二是研究方案設(shè)計(jì)，發(fā)展科學(xué)思維。方案設(shè)計(jì)過程包括提出可研究的問題或項(xiàng)目、確定研究主題和合作探究設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案三部分。第一，提出研究問題。通過對真實(shí)情境的分析討論，引導(dǎo)學(xué)生提出可探究的問題或項(xiàng)目并進(jìn)行師生或生生討論。如“夏季吃的多種品牌冰淇凌真的符合國家食品安全標(biāo)準(zhǔn)嗎”“我們吃的垃圾食品如辣條真的安全衛(wèi)生嗎”“路邊攤的食物中大腸菌群數(shù)是否嚴(yán)重超標(biāo)”等問題。第二，確定研究主題。在學(xué)生提出多種值得探究的問題之后，教師為學(xué)生提供了相關(guān)課外閱讀資料，如《食品安全國家標(biāo)準(zhǔn)—食品微生物學(xué)檢驗(yàn)（包含微生物限量說明表）》以及相關(guān)的培養(yǎng)基配置方法和操作流程圖。學(xué)生在研究學(xué)習(xí)提供的課外資料同時(shí)，結(jié)合自身在浙科版選修一新課中所學(xué)知識(shí)與技能，最終確定本次課程的研究主題為：檢測某品牌冰淇凌中的菌落總數(shù)和大腸菌群數(shù)是否符合食品安全標(biāo)準(zhǔn)中的微生物限量值，并為學(xué)校食堂食物保存及采購提出建設(shè)性意見。該課題的研究既包含了學(xué)生已學(xué)過的微生物培養(yǎng)與分離知識(shí)，還涉及滅菌技術(shù)、無菌操作技術(shù)、數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析及工程實(shí)踐等，能夠體現(xiàn)科學(xué)、技術(shù)、工程和數(shù)學(xué)等方面的知識(shí)在生物學(xué)課堂的滲透。此外，基于食品衛(wèi)生質(zhì)量檢測活動(dòng)，引導(dǎo)學(xué)生關(guān)注食品安全知識(shí)，樹立健康衛(wèi)生的飲食習(xí)慣。第三，合作探究，設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案。引導(dǎo)學(xué)生圍繞研究課題結(jié)合教師提供的課外閱讀資料，探討本次探究過程中所需要的生物學(xué)知識(shí)及相關(guān)的技術(shù)、工程、數(shù)學(xué)等其他學(xué)科知識(shí)，確定項(xiàng)目研究的思路，分配小組成員的任務(wù)?？紤]到教學(xué)時(shí)間安排和實(shí)驗(yàn)操作的安全性，所有的操作過程均需教師在場指導(dǎo)監(jiān)督。確定項(xiàng)目探究過程主要包括以下幾個(gè)階段：首先，相關(guān)培養(yǎng)基配置（教師事先準(zhǔn)備好），培養(yǎng)基滅菌和相關(guān)操作器具的滅菌由學(xué)生在老師的指導(dǎo)下進(jìn)行。其次，實(shí)驗(yàn)樣品的采集，即某品牌冰淇凌購買后立即保存于無菌玻璃盒中，放于實(shí)驗(yàn)室冰箱備用，避免拿回實(shí)驗(yàn)室途中被雜菌污染。再次，實(shí)驗(yàn)操作主要包括三部分，第一是食品中菌落總數(shù)的測定（較簡單）；第二是食品中大腸菌群測定（MPN法），即統(tǒng)計(jì)學(xué)和微生物學(xué)結(jié)合的一種定量檢測法，將待測樣品按照一定的梯度進(jìn)行稀釋并涂布于平板培養(yǎng)基，適宜溫度培養(yǎng)箱中倒置培養(yǎng)后，根據(jù)其未生長的最低稀釋度和生長的最高稀釋度，運(yùn)用統(tǒng)計(jì)學(xué)概率論推算出待測樣品中大腸菌群的最大可能數(shù)；第三是食品中大腸菌群測定（平板計(jì)數(shù)），即大腸菌群在固體培養(yǎng)基中發(fā)酵乳糖產(chǎn)酸，在指示劑的作用下形成可計(jì)數(shù)的紅色或紫色，帶有或不帶有沉淀環(huán)的菌落。其中，大腸菌群測定（MPN法）和大腸桿菌的分離與計(jì)數(shù)內(nèi)容是基于高中生物教材內(nèi)容的提升與應(yīng)用，需要在教師的協(xié)助下幫助學(xué)生在理解基礎(chǔ)上應(yīng)用相關(guān)原理知識(shí)解決問題。針對這三部分實(shí)驗(yàn)操作方案設(shè)計(jì)，教師要協(xié)助學(xué)生明確操作原理，操作具體流程及注意事項(xiàng)，從而使學(xué)生小組合作設(shè)出計(jì)科學(xué)嚴(yán)謹(jǐn)?shù)膶?shí)驗(yàn)方案。最終教師和學(xué)生針對各小組實(shí)驗(yàn)方案進(jìn)行分析討論。

三是科學(xué)實(shí)踐探究，提升STEM素養(yǎng)。科學(xué)實(shí)踐過程包括“實(shí)驗(yàn)實(shí)施”“融合數(shù)學(xué)思維，統(tǒng)計(jì)分析數(shù)據(jù)”和“解決問題或完成項(xiàng)目研究”。由于實(shí)驗(yàn)實(shí)施過程中涉及微生物培養(yǎng)時(shí)間約為48小時(shí)，所以中間的部分實(shí)操作環(huán)節(jié)由實(shí)驗(yàn)員代為操作。該實(shí)踐過程為學(xué)生提供了運(yùn)用所學(xué)微生物學(xué)相關(guān)知識(shí)與技術(shù)應(yīng)用于生活實(shí)際解決問題的機(jī)會(huì)，既有利于幫助學(xué)生對微生物實(shí)驗(yàn)操作中的實(shí)驗(yàn)器具如接種環(huán)、三角刮刀、培養(yǎng)皿、高壓滅菌鍋和超凈臺(tái)等增加感性認(rèn)識(shí)；也能使學(xué)生進(jìn)一步加深對選修一微生物部分相關(guān)知識(shí)點(diǎn)的理解；同時(shí)，樣液的梯度稀釋、菌落的統(tǒng)計(jì)及推算及結(jié)合統(tǒng)計(jì)學(xué)知識(shí)的菌落數(shù)估算這些過程均有利于學(xué)生數(shù)學(xué)思維能力的提升。由于該項(xiàng)目研究是在無菌環(huán)境中進(jìn)行，所以無菌操作技術(shù)必須嚴(yán)謹(jǐn)規(guī)范，避免實(shí)驗(yàn)操作不當(dāng)造成樣品污染，影響檢測結(jié)果。在實(shí)驗(yàn)過程中，需要任課教師和實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)教師及時(shí)通過問題引導(dǎo)學(xué)生發(fā)現(xiàn)并及時(shí)糾正錯(cuò)誤。最后，組織學(xué)生以小組合作的形式整理數(shù)據(jù)，引導(dǎo)學(xué)生采取合理的數(shù)學(xué)思維分析實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)并分組匯報(bào)實(shí)驗(yàn)結(jié)果。結(jié)果顯示：六組中有四組同學(xué)所檢測的該份品牌冰淇凌菌落總數(shù)菌均小于2.5×104CFU/mL，符合國家食品菌落總數(shù)限量標(biāo)準(zhǔn)；六組中有三組同學(xué)通過兩種大腸菌群計(jì)數(shù)方法統(tǒng)計(jì)所得的大腸菌群數(shù)也均小于100 CFU/mL，符合國家食品大腸菌群數(shù)限量標(biāo)準(zhǔn)，綜合評(píng)定本次購買的某品牌冰淇凌基本符合質(zhì)量衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)。此外，由于大腸菌群計(jì)數(shù)實(shí)驗(yàn)操作較復(fù)雜，操作不當(dāng)極易引起雜菌污染，所以有兩組同學(xué)統(tǒng)計(jì)所得大腸菌群數(shù)嚴(yán)重超標(biāo)，且空白培養(yǎng)基也有雜菌污染，教師可基于此情況，引導(dǎo)學(xué)生分析造成菌落計(jì)數(shù)準(zhǔn)確性的影響因素有哪些？幫助學(xué)生破解實(shí)驗(yàn)難點(diǎn)，規(guī)范實(shí)驗(yàn)操作。

四是積極交流評(píng)價(jià)，深化知識(shí)理解與應(yīng)用。有效的交流評(píng)價(jià)能夠增強(qiáng)學(xué)生自我反思意識(shí)，深化知識(shí)的理解與應(yīng)用，主要包括教師對學(xué)生實(shí)踐過程評(píng)價(jià)、學(xué)生自我評(píng)價(jià)和學(xué)生互評(píng)三個(gè)方面。教師對學(xué)生實(shí)踐過程評(píng)價(jià)主要是基于問題引導(dǎo)學(xué)生思考并糾正實(shí)踐中出現(xiàn)的錯(cuò)誤，加深理解該實(shí)踐過程中所融入的科學(xué)、技術(shù)、工程和數(shù)學(xué)知識(shí)，提升學(xué)生對STEM的認(rèn)知?；谠撝黝}研究感悟，引導(dǎo)小組同學(xué)從食品安全角度就學(xué)校食堂食物保存及食材采購提出建設(shè)性意見，如從烹調(diào)到食用的間隔時(shí)間不宜太長，避免細(xì)菌有足夠的繁殖時(shí)間；避免煮熟的食品長時(shí)間存放于室溫下冷卻；食材采購過程中，要關(guān)注食品包裝生產(chǎn)日期、保質(zhì)期和QS標(biāo)識(shí)等是否標(biāo)明。此外，針對兩組學(xué)生在實(shí)驗(yàn)操作過程中由于操作不當(dāng)引入雜菌的情況，引導(dǎo)學(xué)生關(guān)注日常飲食過程中的衛(wèi)生習(xí)慣，樹立健康衛(wèi)生的飲食習(xí)慣。

從STEM教育角度分析，該實(shí)驗(yàn)探究以現(xiàn)實(shí)生活實(shí)際為基礎(chǔ)，提出相關(guān)探究問題，并綜合運(yùn)用科學(xué)、技術(shù)、工程和數(shù)學(xué)學(xué)科的知識(shí)靈活解決問題，得出結(jié)論，在學(xué)以致用的過程中，逐步促進(jìn)學(xué)科核心素養(yǎng)的提升。實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與操作既有利于發(fā)展學(xué)生的科學(xué)思維，也有利于提升學(xué)生的動(dòng)手實(shí)踐能力。但是，生物教學(xué)中融入STEM教育理念并非易事，最重要的是需要生物教師團(tuán)結(jié)合作，共同提升教師自身STEM素養(yǎng) ，這樣才能保障STEM教育理念在高中生物教學(xué)中有目的、有計(jì)劃地滲透，從而建立科學(xué)合理系統(tǒng)性融入STEM教育理念的高中生物教學(xué)體系。

（作者單位： 浙江省杭州市長征中學(xué)）