STEM教育理念在高中生物實驗教學中的應用策略探討

摘 要：STEM教育理念強調科學、技術、工程和數(shù)學的深度融合，以培養(yǎng)學生的問題解決能力、創(chuàng)新精神和實踐操作能力。雖然該理念在促進學生發(fā)展方面優(yōu)勢顯著，但在高中生物實驗教學中的應用并不理想。鑒于此，文章重點探討了STEM教育理念在高中生物實驗教學中的應用策略，旨在通過跨學科的學習方式，激發(fā)學生的學習興趣，提升他們的實驗技能和科學素養(yǎng)，培養(yǎng)出具備STEM素養(yǎng)的人才。

關鍵詞：實驗教學；高中生物；STEM教育理念；項目式學習

生物實驗教學是高中階段培養(yǎng)學生科學素養(yǎng)和實踐能力的重要路徑。近年來，不同階段、學科的一些教師開始嘗試將STEM教育理念融入日常教學中，以期提升教學效果，培養(yǎng)學生的學科素養(yǎng)。為了深入了解STEM教育理念在高中生物實驗教學中的應用情況，筆者對本校及周邊學校的一些教師進行訪談。訪談結果顯示，教師普遍認為STEM教育相較于傳統(tǒng)教育具有顯著優(yōu)勢，其跨學科、趣味性、體驗性的特點能夠更好地激發(fā)學生的學習興趣和探究欲望。同時，教師也認識到，在當前教育環(huán)境下，家長和學生對STEM課程的熱情主要集中在小學階段，隨著學生升入初中、高中，學業(yè)壓力逐漸增大，導致許多學生放棄STEM課程，轉而投身于應試教育。鑒于此，將STEM教育理念融入高中生物實驗教學顯得尤為重要，為了實現(xiàn)這一目標，需要探索更多實用、新穎的應用策略。

一、STEM教育理念的內涵和特點

（一）內涵

STEM教育理念強調科學（Science）、技術（Technology）、工程（Engineering）和數(shù)學（Mathematics）四個領域的深度融合。這一理念的核心在于，通過整合這些傳統(tǒng)上被視為獨立學科的知識和技能，使學生具備在復雜多變的世界中解決問題、創(chuàng)新思考以及終身學習的能力[1]。STEM教育理念的內涵遠超出了簡單的學科疊加，它鼓勵學生以跨學科的方式探索現(xiàn)實世界，理解不同領域之間的內在聯(lián)系，并應用這些知識解決實際問題。在這個過程中，學生不僅獲得了扎實的學科基礎，更重要的是學會了如何將這些知識融會貫通，形成了一種全面的、以解決問題為中心的學習方式。同時這種教育理念認為，學生只有在真實的環(huán)境中親身體驗，才能真正理解知識的本質，并將其轉化為實際應用的技能。

（二）特點

一是跨學科性。STEM教育理念強調科學、技術、工程和數(shù)學等學科的有機融合，讓學生在解決問題的過程中，能夠綜合運用各種知識和技能。這種跨學科的學習方式，不僅能夠拓寬學生的知識視野，還能夠培養(yǎng)他們的綜合素養(yǎng)和創(chuàng)新能力。二是趣味性。STEM教育理念注重激發(fā)學生的學習興趣和好奇心，通過設計富有挑戰(zhàn)性和趣味性的學習任務，讓學生在輕松愉快的氛圍中探索未知、發(fā)現(xiàn)新知[2]。這種趣味性的學習方式，不僅能夠調動學生的學習積極性，還能夠培養(yǎng)他們的自主學習能力和終身學習的意識。三是體驗性。STEM教育理念關注學生的親身體驗和實踐操作，通過讓學生親身參與到科學實驗、工程設計等活動中，讓他們在實踐中感受知識的魅力、體驗成功的喜悅。這種體驗性的學習方式，不僅能夠增強學生的實踐能力和動手能力，還能夠培養(yǎng)他們的團隊合作精神和創(chuàng)新意識。

二、高中生物實驗教學中STEM教育理念的應用價值

（一）促進知識融合，深化實驗理解

在高中生物實驗教學中，STEM教育理念的引入為傳統(tǒng)實驗教學注入了新的活力。STEM教育理念的核心在于跨學科融合，它鼓勵學生通過整合科學、技術、工程和數(shù)學等多個學科的知識來解決問題[3]。在這種教學理念的指導下，生物實驗教學不再局限于單一的生物學知識傳授，而是成了一個促進多學科知識融合的實踐平臺。在實際教學中教師引導學生運用生物學知識的同時，可以結合其他學科，如物理、化學、數(shù)學等的相關知識，共同探索實驗現(xiàn)象背后的科學原理。

（二）激發(fā)實驗興趣，培養(yǎng)探究精神

興趣是最好的教師，對于高中生而言，對生物實驗產生濃厚的興趣是他們主動參與實驗、積極探究科學原理的重要動力。STEM教育理念注重實驗的趣味性和探索性，通過設計富有趣味性和挑戰(zhàn)性的實驗任務，能夠吸引學生的注意力，引發(fā)他們的好奇心。在實驗過程中，教師鼓勵學生提出問題、猜想假設，并自主設計實驗方案進行驗證。這種以問題為導向的實驗教學方式，能夠激發(fā)學生的探究欲望，讓他們在實驗中找到樂趣，培養(yǎng)起對生物實驗的興趣。

（三）強化實踐操作，提升實驗技能

實踐操作是提升學生實驗技能的重要途徑。在STEM教育理念的指導下，生物實驗教學更加注重學生的親身體驗和動手操作。教師需要提供給學生更多的實踐機會和時間，讓他們親手進行實驗操作，感受實驗過程中的每一個細節(jié)和變化。這種實踐導向的教學方式能夠幫助學生更加直觀地理解實驗原理和方法，加深他們對實驗操作技能的掌握[4]。例如，在實驗教學過程中，教師可以通過模擬真實的實驗環(huán)境和場景，讓學生置身于實際的研究環(huán)境中進行實驗操作。同時組織學生開展小組討論和交流活動，分享彼此的實踐經驗和成果。這種合作式的學習方式能夠幫助學生相互借鑒、取長補短，共同提升實驗操作水平和技能掌握程度。

三、STEM教育理念在高中生物實驗教學中的應用策略

（一）融合數(shù)學應用，精確實驗數(shù)據(jù)分析

在STEM教育理念下，數(shù)學作為一門基礎學科，其在生物實驗教學中的作用不容忽視。數(shù)學在生物實驗中的應用是廣泛的。從實驗設計到數(shù)據(jù)收集，再到結果分析，每一步都離不開數(shù)學的支持[5]。例如，在實驗設計階段，學生需要運用數(shù)學中的統(tǒng)計學原理來確定實驗樣本的大小，以確保實驗結果的可靠性。在數(shù)據(jù)收集階段，學生需要運用測量和計數(shù)等數(shù)學技能來獲取準確的實驗數(shù)據(jù)。而在結果分析階段，數(shù)學的應用則更為關鍵。

以《探究光照強度對光合作用的影響》為例，在實驗設計階段，學生需要運用數(shù)學中的統(tǒng)計學原理來確定合理的實驗樣本量。通過計算樣本量，可以確保實驗結果的可靠性和代表性，為后續(xù)的數(shù)據(jù)分析提供堅實基礎。在數(shù)據(jù)收集過程中，學生將利用測量技術來準確記錄不同光照強度下植物的光合作用數(shù)據(jù)。這要求學生熟練掌握測量工具，確保數(shù)據(jù)的準確性和可重復性。進入數(shù)據(jù)分析階段，學生需要運用統(tǒng)計方法來處理和分析實驗數(shù)據(jù)。通過計算平均值和標準差，可以了解在不同光照強度下光合作用的平均表現(xiàn)和數(shù)據(jù)的離散程度。這將幫助學生揭示光照強度與光合作用之間的關系。并且，學生還可以利用軟件繪制圖表，如折線圖或散點圖，以直觀展示數(shù)據(jù)的變化趨勢。這些圖表將幫助學生更好地理解實驗結果，并從中發(fā)現(xiàn)潛在的規(guī)律和關系。最后學生可以運用數(shù)學中的歸納和推理方法，基于實驗數(shù)據(jù)進行科學推斷。他們可以根據(jù)數(shù)據(jù)的變化趨勢預測在更高或更低光照強度下光合作用的可能情況，進一步拓展實驗結論的適用范圍。

（二）引入工程設計，優(yōu)化實驗方案設計

工程設計作為STEM教育中的核心元素，強調以問題為導向，通過創(chuàng)新和優(yōu)化設計來解決實際問題。建構主義學習理論認為，學習是學習者在原有知識經驗的基礎上，通過新舊知識經驗間的相互作用來建構新的知識的過程[6]。工程設計要求學生像工程師一樣思考，將已有的科學知識、技術技能和數(shù)學方法綜合運用，設計出能夠解決實際問題的方案。這種學習方式恰好符合建構主義的學習觀，能夠幫助學生在真實的問題情境中主動探索，積極建構，實現(xiàn)知識的內化和遷移。

以《還原糖的鑒定》實驗為例，傳統(tǒng)的實驗多是使用特定的化學試劑來檢測還原糖的存在。但在STEM教育理念的引導下，教師可以讓學生從工程師的角度來重新設計這個實驗。一是引導學生深入思考實驗的目的和原理，明確實驗的關鍵是準確、高效地鑒定還原糖。接著，鼓勵學生發(fā)揮創(chuàng)造力和想象力，探索不同的鑒定方法。有的學生可能會提出利用光譜分析技術來鑒定還原糖，而有的學生則可能想到使用生物傳感器等先進技術。二是在設計實驗方案的過程中，學生需要綜合考慮實驗材料的選擇、實驗條件的控制、實驗操作的簡便性和安全性等多個方面。這種工程設計的思維方式，不僅有助于學生更深入地理解還原糖鑒定的原理和方法，還能培養(yǎng)他們的創(chuàng)新思維和解決問題的能力。三是組織學生展開互相交流、合作。比如在小組內討論各自的設計方案，相互評價并提出改進意見。

（三）強化技術操作，提升實驗操作能力

在STEM教育理念指導下，如何在高中生物實驗教學中體現(xiàn)“技術”這一元素十分關鍵，建議從強化技術操作著手。技術操作的核心在于“做中學”，即讓學生在親手制作的過程中發(fā)現(xiàn)問題、解決問題，深化對知識的理解。在生物實驗教學中，教師可以結合實驗內容，設計具有挑戰(zhàn)性的任務。

以《嘗試制作真核細胞的三維結構模型》的實驗為例，這個實驗不僅是對學生生物學知識掌握情況的一次檢驗，更是對他們技術應用能力的一次挑戰(zhàn)。在實驗開始前，教師可以通過詳細的講解和圖示，幫助學生回顧真核細胞的基本結構，如細胞核、線粒體、高爾基體、內質網等。這樣學生在制作模型時就能更加準確地還原這些細胞的形態(tài)。在實驗過程中，教師應鼓勵學生使用各種材料來模擬細胞器，如使用泡沫球代表細胞核，用彩色黏土塑造線粒體等。這一過程不僅要求學生具備細致的觀察力和豐富的想象力，還需要他們掌握一定的手工制作技能。學生在制作過程中，可能會遇到如何選擇合適的材料、如何精確塑造細胞器形態(tài)等問題，這些都是對他們技術應用能力的考驗。同時，教師還可以設計一些具有挑戰(zhàn)性的任務，如要求學生在模型中展示細胞分裂的過程，或者模擬細胞內物質轉運的機制。通過這樣的實驗教學，學生不僅能夠更加直觀地了解真核細胞的結構和功能，還能在親手制作的過程中發(fā)現(xiàn)問題、解決問題，深化對生物學知識的理解。更重要的是，他們在這一過程中能夠真切地體會到技術操作的樂趣和挑戰(zhàn)，激發(fā)學生對生物學的興趣。

（四）開展項目學習，促進知識綜合應用

項目式學習符合建構主義學習理論，該理論認為學習是學生主動建構知識的過程，而非被動接受。在項目式學習中，學生面對真實的問題情境，需要主動探索、收集信息、設計方案并進行實踐驗證，這一過程正是知識建構的過程。并且這些教學方法還強調社會互動性，即學生在學習過程中與同伴、教師等進行交流、合作，共同完成學習任務，這種互動不僅有助于知識的共享和傳遞，還能培養(yǎng)學生的團隊協(xié)作能力和溝通技巧。

以《探究培養(yǎng)液中酵母菌種群的數(shù)量變化》實驗為例，教師可以將其設計為一個綜合性的項目學習任務，促進學生綜合運用生物學、數(shù)學、統(tǒng)計學甚至工程學等多個學科的知識。一是學生需要深入了解酵母菌的生物特性和培養(yǎng)條件，這涉及生物學中關于微生物培養(yǎng)的基本知識。學生可以通過查閱相關資料、小組討論等方式，共同構建對酵母菌生長特性和影響因素的全面理解。二是在設計實驗方案時，學生需要運用數(shù)學和統(tǒng)計學知識來確定取樣的時間間隔、樣本數(shù)量以及數(shù)據(jù)收集和分析的方法。例如，學生可以使用統(tǒng)計學方法來預測酵母菌數(shù)量的變化趨勢，或者建立數(shù)學模型來模擬酵母菌的生長曲線。這不僅要求學生掌握一定的數(shù)學和統(tǒng)計學知識，還需要他們能夠將這些知識應用到實際問題中。三是在實驗過程中，學生需要親手配置培養(yǎng)液、接種酵母菌、定期取樣和計數(shù)等，這要求他們具備一定的實驗技能和操作能力。同時，學生還可以借鑒工程學的方法來優(yōu)化實驗或提高實驗效率，如使用自動化設備來精確控制培養(yǎng)條件，或者運用傳感器技術來實時監(jiān)測培養(yǎng)液中的溶氧量、pH值等關鍵參數(shù)。四是實驗結束后，學生需要對收集到的數(shù)據(jù)進行深入分析和綜合討論。他們需要運用統(tǒng)計學方法來處理數(shù)據(jù)，揭示酵母菌數(shù)量變化的規(guī)律，并結合生物學知識來解釋實驗結果背后的科學原理。通過這一環(huán)節(jié)，學生可以進一步加深對多學科知識內在聯(lián)系的理解，提升他們的綜合應用

能力。

結束語

綜上所述，STEM教育理念在高中生物實驗教學中的應用具有顯著的優(yōu)勢和廣闊的前景。通過融合數(shù)學、工程、技術等多個學科的知識和技能，生物實驗教學變得更加生動、有趣和富有挑戰(zhàn)性，不僅能夠提升學生的實驗技能和科學素養(yǎng)，還能夠培養(yǎng)他們的創(chuàng)新思維和問題解決能力。因此，為了培養(yǎng)出更多適應當前時代發(fā)展所需的人才，生物教師應積極探索和實踐STEM教育理念在生物實驗教學中的應用策略，以促進學生的全面發(fā)展。

參考文獻

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