基于STEM理念的初中生物實驗設計

吳洪

摘要：STEM是基于項目和問題學習的理念，具有探究性，能解決“是什么”、“為什么”、“做什么”、“怎么做”的問題。生物學是以實驗為基礎的學科，實驗設計中引入STEM理念具有重要意義。本文將以蘇科版生物學教材（八年級上冊）中“蒸騰作用”概念教學為例，談談如何設計、實施基于STEM的初中生物實驗活動。

關鍵詞：初中生物；STEM；蒸騰作用；實驗

中圖分類號：G633文獻標識碼：A 文章編號：1992-7711（2018）05-083-2

在傳統教育的評價制度下，初中生物教學與現實生產、生活、科學、技術等脫節。STEM教育理念集科學、技術、工程與數學于一體，能解決“是什么”、“為什么”、“做什么”、“怎么做”的問題。筆者在“綠色植物的蒸騰作用”實驗教學設計中嘗試引入STEM教育理念，設計問題串，讓學生開展基于STEM的生物實驗活動，在系列活動中建構生物重要概念，提升生物學素養，收了良好的效果。

一、問題的提出

“綠色植物的蒸騰作用”是蘇科版八年級上冊《生物學》第十八章“生態系統的穩定”第1節“綠色植物與生物圈的水循環”第一課時的教學內容。隸屬于“人與生物圈”課程主線中“生物圈中的綠色植物”的二級主題“植物的生活需要水和無機鹽”。這是一個植物生理學概念，有其特定的生理過程和特有的生理現象。筆者設計通過測定植物的蒸騰作用和觀察植物葉表皮氣孔的實驗引導學生認識植物進行蒸騰作用的主要場所——葉片，理解葉片上與蒸騰作用直接相關的結構——氣孔的作用，初步形成生物體的結構與功能相適應的基本觀點。整個過程，引導學生從實驗感知入手，歷經思維加工，進而上升到理性高度，從而建構概念。

二、“綠色植物的蒸騰作用”實驗教學設計

1.實驗準備。

①選取兩枝粗細相近的枝條，一枝去掉葉片，一枝保留葉片，分別插入規格為50mL的兩只量筒內（量筒內盛水各40mL，液面上滴加一薄層食用油）。枝條露出量筒外的部分用保鮮袋罩住，袋口用橡皮筋扎緊。將該裝置放到有陽光的地方照射1～2h，以備在課堂中進行觀察。②選取新鮮的芹菜（莖和葉）8～10根，其中4～5根插入裝有紅墨水的燒杯中，靜置，其余備用。

2.問題導入——水分去哪里了？

一株玉米，從出苗到結實，一生所需的水分約200kg，其中作為植物組成成分的水分約09%，維持植物生理過程的水分約01%，兩者的水量加起來僅占玉米吸入體內水分總量的1%，那其余的99%的水分去了哪里了呢？讓學生產生疑惑，形成認知沖突，并萌發濃厚的興趣，引出課題。

3.觀察思考——水分通過植物的哪些器官散失？

組織學生觀察課前準備的實驗裝置（如下圖），找出實驗裝置的異同之處，分析實驗現象原因，提出一系列問題：①為什么要在清水中加少量食用油。②為什么瓶內的水面下降了，水到哪去了？③塑料袋內壁上的水來自哪個器官？④水以什么形態到達塑料袋內壁上？⑤塑料袋內壁上的水是從植物的哪些器官散失到植物體外？設計系列活動，引導學生觀察思考，并逐一解決。

活動一：觀察植物水分運輸的器官

為了讓學生有直觀感性認識，筆者指導學生用解剖刀切開插入裝有紅墨水燒杯中的芹菜莖，與備用芹菜進行比較，觀察現象。學生很容易發現插入紅墨水燒杯中的芹菜莖內部組織變紅色，能分析得出水分可以通過芹菜莖內的輸導組織運輸，到達葉片部位。

活動二：觀察植物葉片的結構

在燒杯中加入溫水，將新鮮青菜葉片放入燒杯中，觀察現象（如圖1）。學生能觀察到放入燒杯中的葉片正反面都有小氣泡，由此判斷葉表面有散失水分的特殊結構，由此過渡到下一個教學環節。

4.觀察植物葉表皮氣孔。

活動一：觀察植物葉下表皮氣孔

指導學生分組展開實驗：①明確目的要求；②閱讀方法步驟；③講解操作要領；④合作展開實驗。教師通過數碼顯微鏡展示植物葉下表皮氣孔的圖像。讓學生通過實驗明確氣孔確實存在，進而通過植物葉片上下表皮氣孔的數目對比，總結氣孔主要分布在下表皮。通過圖片分析，使學生明確氣孔是由一對半月形的保衛細胞圍成的空腔。保衛細胞控制氣孔的張開和閉合。

活動二：比較不同狀態植物葉片的氣孔

選取新鮮、萎蔫兩種狀態的植物葉片，繼續觀察、比較表皮氣孔。指出不同狀態的植物葉片表皮的氣孔，有的張開，有的閉合，繼而引導學生思考氣孔的張開和閉合的原理。

活動三：模擬氣孔開閉

①取兩個長條形的氣球，一側粘貼透明膠帶，分別用塑料管插人將兩氣球用透明膠帶粘緊；②向塑料管內吹氣，兩氣球空隙增大停止吹氣，空氣從氣球內跑出，氣球癟了，兩氣球間的空隙減小甚至合攏③討論：氣球相當于什么？兩氣球間的空隙相當于什么？吹氣相當于什么狀態？放氣相當于什么狀態？④結論：當細胞吸水膨脹時氣孔張開；反之，氣孔閉合。

5.建構蒸騰作用概念，闡述蒸騰作用意義

讓學生以概念圖（如圖2）的形式進行梳理歸納，引導學生闡述氣孔與蒸騰作用的關系，初步樹立生物體結構與功能相適應的生物學觀點，并歸納總結出氣孔的作用“蒸騰失水的門戶，也是氣體交換的窗口”。在闡述蒸騰作用的意義時，前后首尾呼應，回歸到開始導入的問題，植物體內99%的水分用于蒸騰作用是不是一種極大的浪費呢？在學生不置可否的情況下，組織學生閱讀教材。

三、基于STEM的初中生物實驗教學的反思

本節課從創設問題情景入手，以問題串引導的方式激發學生探究欲望，設計基于STEM的實驗活動，淡化了學科之間的界限，以生物為基礎學科，學習生物知識的過程要求學生聯系科學、技術、工程、數學學科的知識與技能解決問題。教師就“綠色植物的蒸騰作用”這一重要概念設計了系列實驗活動，引導學生主動參與、積極動手動腦、創新設計，通過探究從而達到概念的建構，提高了學生的核心素養。

本節課引入STEM教育理念，更強調同伴、師生之間的合作學習。合作學習時學生之間有明確的責任與分工，且進行互助學習，這也是思想碰撞的學習。當然，這里的合作性不也僅僅是師生、學生之間的，也有學校與社會、學校與企業等的合作，使得學生將知識轉化為實際生活?；赟TEM的初中生物實驗教學使得教師在課程內容的選擇、實施、評價過程中表現出多樣性，同時學生在參與學習的過程中解決問題的方式多樣，在解決問題的過程中大膽創新。

在國際科學教育改革的背景下，基于STEM的初中生物實驗教學或將成為研究熱點，筆者希望通過此研究促進生物教學與科學、技術、工程、數學的深層次融合，摸索初基于STEM的初中生物實驗設計的策略，豐富初中生物實驗探究活動，為課程改革實現學科的綜合化提供一些思路，增添一些實證材料，真正提高學生的核心素養。

[參考文獻]

[1]葉兆寧，楊元魁.集成式STEM教育：破解綜合能力培養難題[J].人民教育，2015.

[2]張樹嶺，王菲菲.“綠色植物的蒸騰作用”的教學設計[J].生物學教學，2014，39（01）.

[3]萬小榮.“綠色植物的蒸騰作用”的教學設計[J].生物學教學，2013，38（11）.

[4]葉兆寧，楊元魁.集成式STEM教育：破解綜合能力培養難題[J].人民教育，2015.

（該文系江蘇省“十二五”規劃初中專項重點資助課題“優化初中生物實驗教學策略的實踐研究”的階段成果，課題編號：Ea/2015/03）