基于STEM的初中生物實驗教學實踐探究

晏國洪

（貴陽一中李端棻中學 貴州·貴陽 550002）

1 背景

隨著基礎教育課程改革的全面實施及不斷深化，我國基礎教育有了很大變化，取得了一定成就。但課程改革中仍需解決的問題有“學生的創(chuàng)新精神、動手能力比較薄弱”等。創(chuàng)新精神是指要具有能夠綜合運用已有的知識、信息、技能和方法，提出新方法、新觀點的思維能力，進而發(fā)明創(chuàng)造。創(chuàng)新既要繼承前人的優(yōu)秀傳統(tǒng)，又不能因循守舊，創(chuàng)新精神已經(jīng)成為社會進步的必然要求。然而，在多數(shù)課堂教學中，學生很少有反思、自主、探索、批判、創(chuàng)新的空間。傳統(tǒng)課堂中教師是將知識的結(jié)論直接告知學生，沒有讓學生發(fā)散思維去思考、探究。長久以往學生的創(chuàng)新思維得不到發(fā)展，學生體驗不到創(chuàng)新的價值與成就感，從而抑制學生的創(chuàng)新能力。動手能力是能通過一定的方法自主解決現(xiàn)實生活中問題的一種能力。它一方面可以把理論應用于實踐中，使理論和實踐相結(jié)合；另一方面能夠靈活地、創(chuàng)造性地利用所學理論為社會生產(chǎn)服務。動手能力就是我們常說的實踐能力，這個詞雖然有動手操作的意思，可實際含義卻比動手操作概念大，還含有親身體驗，親自實踐的意思。比如：“光說不練、紙上談兵”就是指有的人雖然有高深的理論知識，不實踐總結(jié)，也沒有實際解決問題的能力。

目前貴州省貴陽市的中學基本都配有專門的生物實驗室,生物實驗課開課率相比前五年提高了很多，2019年貴陽市教育局發(fā)布關于印發(fā)《貴陽市初中學業(yè)水平考試英語聽說能力考試實施方案（試行）》等高中階段學?？荚囌猩贫染C合改革配套文件的通知。該《通知》加入了生物實驗操作技能測試，實驗操作技能測試以合格、不合格兩個等級方式呈現(xiàn)。該文件的出臺說明了我市對學生的實驗動手能力有了更高的要求。但是由于初中生物課課時緊張,實驗設備有限等原因，在實際教學中仍存在一些問題。比如：大多數(shù)教師僅選取簡單省時的觀察實驗和驗證性實驗做,探究性實驗很少。此外，有的教師為了節(jié)約時間只做演示實驗，臨考時才會讓學生進入實驗室進行實操，學生也只能按部就班機械操作，沒有創(chuàng)新和改進實驗的機會。這樣并不利于培養(yǎng)學生的科學素養(yǎng)，也不符合國家對今后創(chuàng)新型人才培養(yǎng)的宗旨。

2 理論基礎

STEM教育將現(xiàn)實生活中的問題分為科學、技術、工程、數(shù)學和藝術五大領域，讓學生通過科學的視角發(fā)現(xiàn)問題并解決問題，讓學生在學習過程中深刻理解知識背后的原理，同時創(chuàng)新學習過程、方法與內(nèi)容，提升學生的綜合能力。

STEM教育就是讓學生面對真實情境的問題，通過將科學探究、數(shù)學應用、工程設計和技術制作有機統(tǒng)一，運用跨學科的知識和方法來解決問題，學生通過在做中學，學會應用跨學科的知識方法解決問題，提升學生的科學精神和創(chuàng)新實踐能力，促進學生的全面發(fā)展的一種教育方式。美國政府很早就提出促進人才創(chuàng)新能力培養(yǎng)的相應教育對策，加大對從小學到大學各個層次的STEM教育的支持力度。比如：1983年《教育美國人為21世紀做好準備》、1989年“Project2061”全美科學素養(yǎng)標準、1996年《塑造未來：透視科學、數(shù)學、工程和技術的本科教育》、2013年5月《STEM教育五年戰(zhàn)略計劃》、2016年9月《STEM2026:STEM教育創(chuàng)新愿景》。從這些策略中我們可以看出美國政府對STEM教育的重視。

2013年始，STEM教育在我國開始萌芽發(fā)展。2016年《教育信息化“十三五”規(guī)劃》中明確指出在有條件的地區(qū)要積極探索STEM教育模式的應用，自此STEM教育在我國遍地開花。這種教育理念的目的就是培養(yǎng)能夠融會貫通地運用跨學科知識，解決實際問題的創(chuàng)新型人才。

3 生物實驗案例探究

本文以《綠葉在光下制造有機物》實驗為例，該實驗可涉及科學、技術、工程、數(shù)學領域，適合STEM教育的研究探索。

教學過程計劃：

3.1 教師活動

同學們認真閱讀教材《綠葉在光下制造有機物》實驗步驟，按照教材要求動手實驗。請將實驗過程中遇到的問題記錄下來，思考用什么方法可以改進實驗。

3.2 學生活動

（1）按照教材實驗步驟操作發(fā)現(xiàn)問題：光照條件不能控制，浪費較多時間，實驗結(jié)果的好壞憑運氣。

（2）思考：制作一個能控制光照時間和強度的培養(yǎng)箱來探究《綠葉在光下制造有機物》實驗，操作過程會不會相對較易控制，實驗結(jié)果會不會比較明顯。

（3）動手制作智能培養(yǎng)箱：

主要材料：主控器、LED傳感器、光照傳感器、亞克力板（見圖1）。

圖1：智能培養(yǎng)箱

（4）主要實驗步驟改進：

①暗處理：

教材提供方案：“把盆栽的實驗材料進行黑暗處一晝夜。

教材不足：城市環(huán)境中夜晚有燈光影響，不能保證完全黑暗條件。

改進措施：盆栽材料裝入用黑布遮蓋后的自制智能培養(yǎng)箱中黑暗處理一晝夜。

②暗處理后光照一段時間：

教材提供方案：“用黑紙片把葉片的一部分從上下兩面遮蓋起來，用回形針固定，然后移到陽光下照射?！?/p>

教材不足：該實驗在天氣變化、光照強度變化可能因光照量不均勻或不足導致實驗結(jié)果不明顯。

改進措施：利用計算機編程設置不同光照強度、不同光照時間照射盆栽，探究哪種光照條件實驗結(jié)果最明顯。

根據(jù)光照傳感器能檢測到環(huán)境的亮度值，LED燈條可以設置不同的亮度和照射時間，實現(xiàn)智能光控。

探究表格設計：

表1：《綠葉在光下制造有機物》探究實驗不同光照實驗結(jié)果

③記錄實驗結(jié)果，根據(jù)實驗結(jié)果得出最佳光照條件。在以后的課堂中可以直接利用該裝置設置最佳光照條件讓學生快速高效完成《綠葉在光下制造有機物》實驗。

3.3 STEM素養(yǎng)

動手拼搭智能培養(yǎng)箱體現(xiàn)了工程技術的運用，光照條件的程序編碼設置體現(xiàn)了信息技術和數(shù)學科學的應用，探究實驗運用了生物學學科原理。學生運用多種學科知識設計實驗方案，不拘于傳統(tǒng)模式，機械的按照教材規(guī)定的實驗方案操作。這有利于提高學生的自主性，學習過程中不僅發(fā)散了思維，也拓展學習知識的思路。創(chuàng)新的學習方式，增強了學生邏輯思維能力的同時，又提升了學生的創(chuàng)新動手能力。

3.4 生物學核心素養(yǎng)

生物學學科核心素養(yǎng)包括生命觀念、科學思維、科學探究與社會責任。綠色植物能通過光合作用制造有機物這一現(xiàn)象讓學生更加尊重生命和敬畏生命。整個實驗過程，學生先合理質(zhì)疑書中實驗步驟的不足，辯證思考怎樣解決問題，提出新的探究問題，并進一步制定和實施計劃，最后改進創(chuàng)新教材實驗，簡化了實驗的操作過程，讓實驗結(jié)果更精確。這一過程，讓學生像科學家一樣思考，了解和運用了科學的研究過程和方法，學生的科學思維、科學探究能力得到明顯提高。學生通過本次探究活動，了解了光合作用發(fā)展歷史，明白了科學可以改變?nèi)祟惿鐣?，將科學運用到實際生活中，進一步解決現(xiàn)實存在的問題，增強了學生的社會責任感。

3.5 生物學學科能力

通過STEM教育方案，讓學生深刻理解生物學基本原理——結(jié)構(gòu)與功能相適應，理解植物光合作用需要利用二氧化碳和水作為原料，在線粒體中合成有機物并釋放氧氣的過程，光合作用對實現(xiàn)自然界的能量轉(zhuǎn)換、維持大氣的碳—氧平衡具有重要意義。學生通過觀察課本實驗過程及結(jié)果，歸納總結(jié)課本實驗方案的優(yōu)劣，應用多門科學知識設計改進方案的過程，提高了學生對知識的理解能力、應用實踐能力和遷移創(chuàng)新能力。學科融合不僅讓學生感受到學習生物科學的樂趣，還能讓學生激發(fā)出更多的創(chuàng)新靈感，學生對生物學有了更深刻的理解和認識，為深入學習生物學打下了良好的基礎。

4 小結(jié)

生物學是一門以實驗為基礎的自然學科，初中生只有掌握好實驗技能，進行科學實踐，建立不同知識、相關表征之間的聯(lián)系，通過系統(tǒng)性思維進行推理、判斷，利用知識模型、原理和已有生活經(jīng)驗提出新的想法，找到解決問題的方法，讓學生能在日常生活及以后工作中應用生物學知識。STEM教育并不是額外的教育或附加的課程，是教師角色的轉(zhuǎn)變，教育思想的變革，教師在教學過程中需形成多學科融合的教學模式，以嚴謹?shù)目茖W態(tài)度踐行STEM教育理念，引導學生自主思考，提出問題、作出假設、制定計劃、實施計劃、分析結(jié)果，激發(fā)學生對生物的學習興趣，感受生物知識對生活發(fā)揮的積極意義。同時也讓學生在實際生活中利用所學知識創(chuàng)新性解決問題的過程中實現(xiàn)個人價值，增強個人認同感。創(chuàng)新性解決問題的能力是促進社會發(fā)展的動力。因此，生物教師必須轉(zhuǎn)變思維，利用好STEM教育理念提高學生的綜合素養(yǎng)，讓學生成為終身學習者，適應社會的快速發(fā)展，培養(yǎng)社會真正需要的高科技創(chuàng)新型、復合型人才。