STEM理念下的初中生物學(xué)主題式教學(xué)
——以“綠色植物參與生物圈的水循環(huán)”為例

楊守菊 梁海燕

（1.山東省東營(yíng)市教育科學(xué)研究院 山東東營(yíng) 257091）

（2.山東省東營(yíng)市育才學(xué)校 山東東營(yíng) 257091）

對(duì)遺忘的研究表明：骨架支柱的內(nèi)容不容易遺忘，細(xì)微枝節(jié)容易遺忘。這就啟發(fā)教師，教學(xué)要善于從宏觀處著眼，使學(xué)生從整體上把握所學(xué)內(nèi)容的框架和結(jié)構(gòu)。主題式教學(xué)是基于整體論進(jìn)行教學(xué)設(shè)計(jì)，注重教學(xué)內(nèi)容和思維的完整性，關(guān)注的是一個(gè)相對(duì)完整的“話(huà)題”，避免教學(xué)過(guò)度碎片化，促進(jìn)持久性理解。這與當(dāng)下引起人們普遍關(guān)注的STEM理念不謀而合。STEM是科學(xué)、技術(shù)、工程、數(shù)學(xué)四門(mén)學(xué)科英文首字母縮寫(xiě)的合稱(chēng)，其主要特征是整合性，即能將它們整合到學(xué)生在真實(shí)世界獲得的學(xué)習(xí)經(jīng)驗(yàn)中，通過(guò)多元融合的方式，促進(jìn)學(xué)生掌握知識(shí)與技能，在解決實(shí)際問(wèn)題的過(guò)程中培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)、創(chuàng)新思維和實(shí)踐能力。

筆者以“綠色植物參與生物圈的水循環(huán)”為例，先后經(jīng)歷了知識(shí)點(diǎn)零散教學(xué)、內(nèi)容適度整合教學(xué)、STEM理念教學(xué)3個(gè)階段的探索，實(shí)踐證明STEM理念下的初中生物學(xué)主題式教學(xué)，是提升學(xué)生生物學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)，提高生物教學(xué)有效性的有效途徑。

1 初次教學(xué)設(shè)計(jì)

“綠色植物的蒸騰作用”一節(jié)是濟(jì)南版初中《生物學(xué)》七年級(jí)上冊(cè)第二單元內(nèi)容。從教材安排來(lái)看，本節(jié)重點(diǎn)是蒸騰作用的過(guò)程，難點(diǎn)是通過(guò)蒸騰作用的意義，進(jìn)一步說(shuō)明植物的生活需要水。由于學(xué)生在小學(xué)科學(xué)課中已經(jīng)學(xué)過(guò)“蒸騰作用”的概念，因此本節(jié)教材直接給出概念。為了使學(xué)生理解蒸騰作用主要通過(guò)葉片進(jìn)行，教材安排了實(shí)驗(yàn)“觀察葉片的結(jié)構(gòu)”，使學(xué)生發(fā)現(xiàn)和認(rèn)識(shí)葉片中氣孔的組成及作用。最后，教材以一株玉米為例，總結(jié)蒸騰作用的意義。

筆者的大致教學(xué)過(guò)程如下：教師首先從學(xué)生的生活感受出發(fā)，提出烈日下的炙熱、皮膚被灼傷的痛苦、進(jìn)入森林中倍感涼爽，激發(fā)學(xué)生思考：大樹(shù)為人們撐起了遮陽(yáng)的綠傘，大樹(shù)為什么不會(huì)被陽(yáng)光灼傷呢？并根據(jù)學(xué)生回答，引出課題——綠色植物的蒸騰作用。接著，教師追問(wèn)：如何觀察植物的蒸騰現(xiàn)象呢？各小組展示課前準(zhǔn)備的蒸騰作用實(shí)驗(yàn)：在一株生長(zhǎng)健壯的綠色植物上選取3根相似的枝條。一根枝條不做處理，一根去掉部分葉片，一根去掉全部葉片，再用無(wú)色塑料袋包住枝條，陽(yáng)光下照射1～2 h。學(xué)生觀察塑料袋內(nèi)壁出現(xiàn)的現(xiàn)象，感知植物蒸騰現(xiàn)象，并嘗試對(duì)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象做出科學(xué)解釋。由此，學(xué)生可以輕松概括出蒸騰作用是水分以氣體狀態(tài)從植物體內(nèi)散失到體外的過(guò)程。教師繼續(xù)追問(wèn)：蒸騰作用主要是通過(guò)葉片進(jìn)行的。那么，水通過(guò)葉片上的什么結(jié)構(gòu)離開(kāi)植物體的呢？學(xué)生完成“觀察葉片的結(jié)構(gòu)”實(shí)驗(yàn)，并進(jìn)一步觀察葉片表皮的氣孔，認(rèn)識(shí)氣孔是植物蒸騰失水的“門(mén)戶(hù)”，也是氣體交換的“窗口”。最后，教師展示一株玉米從出苗到結(jié)實(shí)的需水量，其中只有1%～5%的水參與組成植物體和用于維持生理過(guò)程。教師再次追問(wèn)：其余絕大部分水都通過(guò)蒸騰作用散失掉了，是不是一種浪費(fèi)呢？這樣從而引導(dǎo)學(xué)生總結(jié)出蒸騰作用的意義，即促進(jìn)植物體從土壤中吸收水分，促進(jìn)水分和無(wú)機(jī)鹽從根部輸送到莖、葉等器官，使植物體有效地散熱。

通過(guò)本節(jié)課的學(xué)習(xí)，學(xué)生對(duì)蒸騰作用的概念、蒸騰作用的門(mén)戶(hù)、蒸騰作用的意義等知識(shí)了然于心。然而，蒸騰作用散失的水分從哪里來(lái)？水分如何進(jìn)入植物體內(nèi)？水分在植物體內(nèi)如何運(yùn)輸？水分怎樣到達(dá)葉肉細(xì)胞？這些有關(guān)水分散失的重要前提性知識(shí)，學(xué)生也許不能自己關(guān)聯(lián)起來(lái)，不會(huì)整體認(rèn)知，不利于系統(tǒng)把握。另外，難道僅僅完成教材內(nèi)容就落實(shí)了本節(jié)課的目標(biāo)了嗎？教材內(nèi)容和課程目標(biāo)之間的關(guān)系是什么？課堂教學(xué)要給予學(xué)生零散的小概念，還是整體的大觀念？思考之后，筆者發(fā)現(xiàn)，本節(jié)課若從生物圈水循環(huán)的視角，將植物根對(duì)水分的吸收、水分在植物體內(nèi)的運(yùn)輸、水分的散失等統(tǒng)整起來(lái)，進(jìn)行整合設(shè)計(jì)，更利于學(xué)生從整體上理解植物在水循環(huán)中的意義。

2 教學(xué)設(shè)計(jì)的改進(jìn)

主題式教學(xué)具有整合性，可將學(xué)科內(nèi)紛繁復(fù)雜的片段化的零散知識(shí)組織起來(lái)，形成知識(shí)結(jié)構(gòu)化。STEM理念強(qiáng)調(diào)為學(xué)生提供逼近真實(shí)且富有現(xiàn)實(shí)意義的問(wèn)題情境，并以真實(shí)問(wèn)題解決為任務(wù)驅(qū)動(dòng)來(lái)獲得知識(shí)，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新思維和問(wèn)題解決能力。在本課例教學(xué)中，教師先采用了內(nèi)容適度整合的主題式教學(xué)，后又融入STEM理念，使學(xué)習(xí)成為整體的、真實(shí)的意義構(gòu)建。

2.1 探索主題式教學(xué)

主題式教學(xué)以學(xué)生知識(shí)背景為基礎(chǔ)，著眼于學(xué)生已有認(rèn)知結(jié)構(gòu)，用系統(tǒng)論的方法對(duì)教材中“具有某種內(nèi)在關(guān)聯(lián)性”的內(nèi)容進(jìn)行分析、重組、整合，從而形成相對(duì)完整的教學(xué)主題。教師要將教學(xué)諸要素有序規(guī)劃，使學(xué)習(xí)者獲得綜合系統(tǒng)的知識(shí)和能力，以?xún)?yōu)化教學(xué)效果。

2.1.1 知識(shí)的整合

首先，教師以“綠色植物參與生物圈的水循環(huán)”為主題，將根對(duì)水分的吸收、水分在植物體內(nèi)的運(yùn)輸、水分的散失等統(tǒng)整起來(lái)，使學(xué)生從整體上把握和理解知識(shí)。教師播放塞罕壩林場(chǎng)的視頻，創(chuàng)設(shè)適切情境：植樹(shù)造林為什么能夠改變生態(tài)環(huán)境？綠色植物如何增加降水？水分如何參加生物圈的水循環(huán)？并結(jié)合水循環(huán)圖示，引導(dǎo)學(xué)生理解綠色植物在水循環(huán)中的作用，并促進(jìn)學(xué)生構(gòu)建“綠色植物參與生物圈的水循環(huán)”的路徑。學(xué)生討論后，得出結(jié)論：成熟區(qū)的根毛吸收水，莖中有導(dǎo)管運(yùn)輸水，綠色植物經(jīng)由根、莖、葉的路徑參與生物圈的水循環(huán)。教師追問(wèn)：導(dǎo)管的結(jié)構(gòu)及其分布是怎樣的？植物體內(nèi)的水分是如何散失的？水分為什么能夠自下往上運(yùn)輸？最后，要求學(xué)生以擬人化形式思考：如果你是一滴水，請(qǐng)你為大家介紹你進(jìn)出植物體的具體路徑是怎樣的？想象你在生物圈中是如何循環(huán)流轉(zhuǎn)的。

2.1.2 實(shí)驗(yàn)的整合

各學(xué)習(xí)小組合作完成3個(gè)實(shí)驗(yàn)。①觀察植物蒸騰作用。取兩根形態(tài)相同的枝條，其中一根保留葉片，一根去掉葉片，分別插入盛有相同刻度紅墨水的量筒中（用植物油密封水面），用無(wú)色塑料袋包住枝條，陽(yáng)光下照射1～2 h，觀察塑料袋內(nèi)壁的現(xiàn)象，計(jì)算紅墨水散失量，感知植物蒸騰現(xiàn)象。②探究植物體內(nèi)水分運(yùn)輸通道。取幾株新鮮芹菜插入盛有紅墨水的燒杯中，陽(yáng)光下照射一段時(shí)間后，觀察芹菜植株的變化。并通過(guò)橫切和縱切，直觀感知根、莖、葉中變紅的導(dǎo)管；繼續(xù)探究芹菜的其他器官中是否也有運(yùn)輸水分的通道；觀察葉脈標(biāo)本、西紅柿果實(shí)、染紅的花瓣等，理解導(dǎo)管貫穿于植物的各個(gè)器官，構(gòu)成了水分在植物體內(nèi)的運(yùn)輸管網(wǎng)。③觀察葉片表面的氣孔。將新鮮葉片放入盛有70℃熱水的燒杯中，觀察葉片表面的氣泡，比較葉片上表皮和下表皮的氣泡數(shù)。制作葉片下表皮臨時(shí)裝片，在顯微鏡下觀察氣孔及其組成，質(zhì)壁分離及復(fù)原的實(shí)驗(yàn)。用長(zhǎng)氣球、Y型玻璃管、打氣筒或者注射器，制作氣孔模型。

在本次教學(xué)中，相比于之前的“知識(shí)點(diǎn)零散教學(xué)”，教師以“綠色植物參與生物圈的水循環(huán)”為主題，對(duì)相關(guān)教材內(nèi)容就行了適度整合，使零散的知識(shí)結(jié)構(gòu)化，完善了學(xué)生的知識(shí)結(jié)構(gòu)體系。但這種整合教學(xué)仍然是就知識(shí)而學(xué)習(xí)，強(qiáng)化了學(xué)生對(duì)知識(shí)的理解，鍛煉了學(xué)生分析問(wèn)題的能力，無(wú)非是使學(xué)生學(xué)習(xí)的書(shū)本知識(shí)更扎實(shí)。然而，當(dāng)學(xué)生面對(duì)不確定的未來(lái)生活時(shí)，教師需要交給學(xué)生的難道僅僅是一張張“知識(shí)地圖”，還是解決真實(shí)問(wèn)題的關(guān)鍵能力，讓他們學(xué)會(huì)遷移和創(chuàng)造？思考之后，發(fā)現(xiàn)STEM理念可以解決教學(xué)中的這些問(wèn)題。

2.2 STEM理念下的主題式教學(xué)

核心素養(yǎng)被喻為基礎(chǔ)教育的DNA，是基礎(chǔ)教育改革的靈魂?！镀胀ǜ咧猩飳W(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版）》明確指出“生物學(xué)核心素養(yǎng)是學(xué)生后天習(xí)得的終身受益成果，是公民基本素養(yǎng)的重要組成之一，是學(xué)生在解決真實(shí)情境中的生物學(xué)問(wèn)題時(shí)所表現(xiàn)出來(lái)的必備品格和關(guān)鍵能力”。STEM教育正是以發(fā)展學(xué)生的問(wèn)題解決能力和創(chuàng)新能力等高階思維能力為目標(biāo)，在對(duì)真實(shí)問(wèn)題的解決中，實(shí)現(xiàn)知識(shí)的意義建構(gòu)和遷移應(yīng)用，從而促進(jìn)學(xué)生學(xué)習(xí)的有效進(jìn)行。

據(jù)此，筆者嘗試在課例“綠色植物參與生物圈的水循環(huán)”的主題式教學(xué)中融入STEM理念，其中涉及的學(xué)習(xí)內(nèi)容主要有：①S（science）——生物學(xué)知識(shí)主要有蒸騰作用的概念、蒸騰作用的意義、根的結(jié)構(gòu)和功能、莖的結(jié)構(gòu)和功能和葉片的基本結(jié)構(gòu)；②T（technology）——蒸騰作用的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，用顯微鏡觀察氣孔的開(kāi)閉，制作氣孔模型；③E（engineering）——設(shè)計(jì)“植物空調(diào)”；④M（mathematics）——計(jì)算一株玉米一生中，自身生命活動(dòng)水分利用率。

本次教學(xué)設(shè)計(jì)在前面的“探索主題式教學(xué)”的基礎(chǔ)上，主要進(jìn)行了如下改進(jìn)：

①課始直面真實(shí)問(wèn)題。教師聯(lián)系學(xué)生生活，簡(jiǎn)要介紹“空調(diào)病”，創(chuàng)設(shè)問(wèn)題情境：采取什么措施既能讓房間自然降溫加濕，又能保護(hù)、美化環(huán)境呢？

②聚焦思考方向。根據(jù)“大樹(shù)底下好乘涼”以及樹(shù)林中倍感涼爽的生活經(jīng)驗(yàn)，學(xué)生很容易想到綠色植物的蒸騰作用可以降溫加濕，能夠很好解決“空調(diào)病”的困擾，同時(shí)還能保護(hù)美化環(huán)境，于是制作“植物空調(diào)”的想法浮于腦中。而在設(shè)計(jì)“植物空調(diào)”的過(guò)程中，“水”的循環(huán)供應(yīng)是植物體降溫增濕的關(guān)鍵性問(wèn)題，至此，自然引出課題“綠色植物參與生物圈的水循環(huán)”。

③成果激活思維。學(xué)生在設(shè)計(jì)“植物空調(diào)”時(shí)，頭腦風(fēng)暴，各抒己見(jiàn)。學(xué)生認(rèn)為“植物空調(diào)”的“安裝”位置分為室外（種植爬墻植物，如爬山虎）和室內(nèi)（種葉片相對(duì)較大的且比較耐陰的植物，如綠蘿、大青葉）兩類(lèi)。室內(nèi)“植物空調(diào)”的制作方式可以擺放種植；也可是集中種植，即以“植物綠墻”的形式呈現(xiàn)。其中，對(duì)于“植物綠墻”，學(xué)生可謂創(chuàng)意頗多，如在植物綠墻上提前搭好各種自己喜愛(ài)的形態(tài)“骨架”（心形、山水圖畫(huà)形、古典圖案形等），由此為“植物空調(diào)”又增添了些許藝術(shù)氣息，學(xué)生的審美與創(chuàng)造性也躍然于設(shè)計(jì)之中。升級(jí)版“植物空調(diào)”很快問(wèn)世，如面對(duì)居室裝修的甲醛污染等問(wèn)題，學(xué)生建議可適當(dāng)種植蘆薈、吊蘭、常春藤等可以吸附有害氣體的植物。

本次教學(xué)相比于之前內(nèi)容適度整合的主題式教學(xué)，從真實(shí)生活中的問(wèn)題出發(fā)，更加注重使學(xué)生聯(lián)系實(shí)際生活，培養(yǎng)學(xué)生的發(fā)散思維和創(chuàng)新思維，達(dá)到對(duì)知識(shí)的意義建構(gòu)和深度理解。

3 教學(xué)反思

STEM理念強(qiáng)調(diào)整合，注重從整體思維的角度去探究問(wèn)題，解決問(wèn)題。在生物學(xué)教學(xué)中，教師可以通過(guò)以下幾種策略來(lái)梳理知識(shí)內(nèi)部的邏輯關(guān)系，幫助學(xué)生把零散的知識(shí)以整合態(tài)、情景化的方式納入原有的知識(shí)系統(tǒng)中，實(shí)現(xiàn)整合教學(xué)。

3.1 重構(gòu)教學(xué)新主題

“重構(gòu)教學(xué)新主題”是指將教材及其以外的相關(guān)內(nèi)容有機(jī)取舍重組，或?qū)⒘闼榈闹R(shí)點(diǎn)“穿針引線”整合成一個(gè)整體，即對(duì)教學(xué)內(nèi)容尋找知識(shí)脈絡(luò)、凸顯教學(xué)邏輯，進(jìn)行析出、添加、整合，形成相對(duì)完整的教學(xué)主題。教師利用“綠色植物參與生物圈的水循環(huán)”這一主題，將水與植物關(guān)聯(lián)起來(lái)；以“降水——根——莖——葉——水蒸氣——降水”為線索，添加“根的結(jié)構(gòu)和功能”“莖的結(jié)構(gòu)和功能”和“生物圈中的水循環(huán)”等相關(guān)教學(xué)內(nèi)容；并從生物圈水循環(huán)的視角，將植物根對(duì)水分的吸收、水分在植物體內(nèi)的運(yùn)輸、水分的散失等統(tǒng)整起來(lái)，進(jìn)行整合教學(xué)。這樣將原來(lái)孤立、零散的教學(xué)內(nèi)容“聚零為整”，連接構(gòu)成一個(gè)有意義的整體。

3.2 建立“學(xué)習(xí)任務(wù)群”

“學(xué)習(xí)任務(wù)群”是指在真實(shí)情境下，教師組織教學(xué)內(nèi)容，設(shè)計(jì)多樣的學(xué)習(xí)任務(wù)，讓學(xué)生通過(guò)自主體驗(yàn)、小組討論、成果展示等活動(dòng)進(jìn)行自主思考、自主體驗(yàn)、合作與交流、評(píng)價(jià)與反思。在本課例中，圍繞“綠色植物參與生物圈的水循環(huán)”這一主題，教師設(shè)計(jì)了學(xué)習(xí)任務(wù)群，實(shí)現(xiàn)零散知識(shí)點(diǎn)的相互整合與統(tǒng)一，幫助學(xué)生構(gòu)建知識(shí)體系。①教師設(shè)計(jì)了關(guān)于水分進(jìn)入植物體內(nèi)的途徑的一系列問(wèn)題串。②教師設(shè)計(jì)了關(guān)于綠色植物參與生物圈的水循環(huán)的一系列問(wèn)題串。③教師安排了設(shè)計(jì)“植物空調(diào)”的活動(dòng)，促進(jìn)學(xué)生遷移運(yùn)用所學(xué)。教師依據(jù)漸進(jìn)性原則，將整體內(nèi)容以任務(wù)群的形式，逐步呈現(xiàn)給學(xué)生，讓學(xué)生從整體上理解學(xué)習(xí)內(nèi)容，并促進(jìn)學(xué)生通過(guò)充分、完整的自主學(xué)習(xí)，找出疑點(diǎn)，小組內(nèi)討論，互相解決，鍛煉學(xué)生的科學(xué)思維。

3.3 創(chuàng)設(shè)“一例多情境”

“一例多情境”是指教師在組織課堂教學(xué)時(shí)，利用“一例”設(shè)置多個(gè)教學(xué)情境，設(shè)計(jì)多個(gè)具有一定聯(lián)系的任務(wù)，將所學(xué)內(nèi)容聯(lián)系成一個(gè)統(tǒng)一整體。相比于同一個(gè)主題設(shè)計(jì)多種情境，這種方式過(guò)渡自然，教學(xué)結(jié)構(gòu)緊湊，不會(huì)給人“東一榔頭西一棒槌”的感覺(jué)。例如，從制作“植物空調(diào)”這一真實(shí)需求，教師以“綠色植物參與生物圈的水循環(huán)”這一線索將相關(guān)的核心內(nèi)容呈現(xiàn)出來(lái)，并依次設(shè)計(jì)了3個(gè)情境：觀察植物蒸騰現(xiàn)象；探究植物體內(nèi)水分運(yùn)輸通道；設(shè)計(jì)“植物空調(diào)”。教師創(chuàng)設(shè)真實(shí)的任務(wù)情境，促使學(xué)生在盡力解決真實(shí)情境問(wèn)題的過(guò)程中逐漸養(yǎng)成生物學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)。這里的任務(wù)情境不是教學(xué)中的一個(gè)導(dǎo)入環(huán)節(jié)，而是結(jié)合學(xué)習(xí)的主題，將整個(gè)教學(xué)內(nèi)容、學(xué)習(xí)進(jìn)程置于情境之中，使之具有一定的綜合性、開(kāi)放性和挑戰(zhàn)性。

STEM理念下主題式教學(xué)的價(jià)值在于將學(xué)科內(nèi)紛繁復(fù)雜的片段化的零散知識(shí)組織起來(lái)，使學(xué)習(xí)者大腦中的“知識(shí)地圖”更趨豐富和牢固，賦予知識(shí)以現(xiàn)實(shí)的意義和社會(huì)的價(jià)值，從而促進(jìn)“生命觀念、科學(xué)探究、科學(xué)思維和社會(huì)責(zé)任”等核心素養(yǎng)的達(dá)成，助力學(xué)生實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展。