?STEM教育在高中生物實驗教學中的融合應用

王惠英

摘? 要 STEM教育強調以科學為手段認識自然規律，然后利用技術和工程在已知的自然規律的基礎上控制和改造世界，同時要重視數學對技術和工程活動的指導作用。為了研究STEM教育在高中生物課程教學中的應用效果，開展以“調配出適宜植物插條生根的生長素濃度”為課題的實驗活動。

關鍵詞 STEM教育;高中生物;實驗教學;數學模型

中圖分類號：G633.91? ? 文獻標識碼：B

文章編號：1671-489X（2019）19-0122-03

1 探究科學方法：STEM教育模式的前沿性與科學性

科學探究是人們對各種自然現象進行探討和研究活動的總稱。一般步驟包括：提出要研究的問題;根據已有的經驗提出關于問題答案的初步猜測;用實驗來驗證猜測;根據實驗結果總結出確切的結論。高中生物課程標準對科學探究進行了總結，它是指學生先提出生物學問題，然后對提出的問題進行討論，記錄下對于問題的初步猜想，再對驗證猜想的實驗進行設計、實施，最后對實驗結果進行相應的討論和總結。高考對于學習實驗中科學方法的要求是，學生能對生物實驗進行初步思考，善于發現生活中的生物學問題，并且具備相應的動手實踐能力，能夠設計合適的實驗方案，并且具備一定的分析和總結能力。

“調配出適宜植物插條生根的生長素濃度”是高中生物教材中關于生長素作用這節內容中的實踐課題，也是人教版生物教材中涉及具體實驗的重要課程部分，教材相關的實驗指導中要求學生采用三種實驗方法進行生長素濃度對植物插條影響的探究，分別是對比分析法、數據分析法以及測試實驗法。這個探究實驗對于學生理解課程內容是十分有幫助的。

此次實驗流程構想：將對植物不同部位施以不同濃度的生長素產生的作用效果繪制成一張變化圖表。根據植物的生長情況變化圖表，先對植物插條需要的合適生長素濃度進行猜測→設置本實驗變量→準備實驗材料→實驗參與者提出假設→設計實驗流程→方案共享與討論，教師指導改進實驗方案→進行測試實驗→正式實施實驗，鼓勵學生交流實驗中出現的問題，記錄實驗結果，將實驗數據進行匯總分類→要求學生利用所學數學知識對數據進行統計和研究→學生間交流實驗心得，發現實驗過程中的疏漏，采取措施加以彌補。

1）思考并提出生物學問題。教師先帶領學生對本節課程內容進行學習，使學生對理論知識有初步的掌握，然后啟發學生對植物插條所需生長素濃度這一課題進一步思考，促使學生提出問題：環境條件的差異，比如氣溫等，是否會影響植物插條生根？植物插條本身的生長條件（砂土栽培、水中栽培）是否會影響植物插條生根？插條本身的生長周期是否會影響植物插條生根？

2）初步假設。學生初步假設：在植物插條根部的土壤或水分中滴入一定濃度配比的生長素溶液，可以使插條下端的營養物質更快滲透吸收，使根部分化速度大大加快。

3）實驗的初步討論。教師鼓勵學生列舉出實驗中值得思考的問題并進行討論。若是先采取對比分析實驗，如何確定本實驗的變量？可否先對生長素濃度實驗范圍以及不同濃度下插條的生根情況進行預測？應該選取生長周期一年還是兩年的插條？插條生長周期對實驗效果有影響嗎？如果有，是什么樣的影響？要給插條下端創造什么樣的創面，才更有利于營養吸收？每組實驗應該選取的插條數目是多少？如何選定實驗中的兩種變量？設置清水對照組的目的是什么？怎樣具體對插條的生根情況進行觀察記錄？采用何種變化表？圖表內容包括什么？該進行幾次實驗后分析實驗結果？實驗中可能出現哪些疏漏？是否對實驗結論有較大影響？先啟發學生進行思考，有助于學生對實驗流程有更完整的把握。

4）設計實驗計劃。實驗預計耗時17 d左右，學生需要提前確定組員，準備好實驗材料，確定實驗時間，并且明確分工。

5）實施實驗計劃。按照之前確定的實驗時間，實驗人員分工協作，按照設計好的實驗流程著手開始實驗，并將過程詳細記錄下來。

6）整理實驗結果。不僅要每天觀察插條生根情況并進行記錄，還要根據變化圖表分階段進行總結和分析，然后與實驗前猜想的結果進行對比，每組實驗結果之間也要進行對比。

7）小組討論。實驗完成后，給予學生一定的時間，讓他們對本小組的實驗數據與實驗結果進行匯總整理。各小組對以下幾點實驗內容進行記錄和總結。

①實驗中變化圖表與教材中的變化圖表有何不同？產生這種不同的原因是什么？

②實驗結果與之前預計的實驗結果有哪些不同？造成這種不同可能的原因有哪些？

③生長素濃度對植物插條生根數和生根速度有何影響？

教師可以利用教室內的多媒體設備讓學生以小組為單位展示實驗圖表，并對本組的實驗過程進行講解，其他小組可以提出一些疑問，然后相互討論。小組討論可以活躍課堂氛圍，激發學生的學習熱情，提高他們的協作能力。

2 實驗技術性：實驗中STEM教育模式的應用

STEM教育主張在科學理論指導下采取技術和工程手段進行科學驗證。學生開展此次實驗也要求預先掌握或者在實驗過程中學習實驗技能，比如認識和學會使用一些科學實驗工具，用量杯、滴管調配生長素溶液，確定溶液的濃度配比，設計實驗變化表并繪制，給植物插條制造大小相似的創面等。學生在本次實驗中不僅鍛煉了實驗能力，而且對科學實驗的完成過程有了進一步的認識，增強了課堂的趣味性。

實驗具體操作? 學生先熟悉量杯和膠頭滴管這些實驗工具的使用方法，然后對小刀消毒，每個實驗小組選取數目相同的植物插條，幾人協作用小刀將每根插條下端削出長度2.5 cm的創面，斜度約為24°;制作不同濃度的生長素溶液，按順序排列好。

1）用膠頭滴管吸取生長素溶液，先用兩根手指捏住膠頭滴管的膠帽，保持膠管豎直，滴管末端部分浸入溶液，快速放松捏著膠帽的手指，完成吸取溶液。

2）將滴管末端對準量杯，再次捏住膠帽，液體滴入量杯內。

3）把量杯內的液體緩慢地倒入實驗用的試劑瓶內，若是試劑瓶內液體量與預計有偏差，則用膠頭滴管進行調整。

以上過程需要教師先對學生進行演示，再讓學生練習，確定學生掌握這些基本操作之后，方可允許學生進行實驗。演示過程中可以讓學生思考一些操作細節的作用，學生只有了解基本的實驗操作手法和工具使用方法，才能對科學實驗產生更多好奇。

創新部分? 引發學生對實驗進行思考，看看實驗中有哪些部分可以進行創新。比如：

1）不用植物插條而選用一些芽苗菜作為實驗對象，會有怎樣的效果？

2）植物插條不選用單一品種，使用其他品種，比如楊柳插條、葡萄科的方莖青紫葛等，又會有什么樣的實驗效果呢？

3）可不可以改變植物插條的生長環境，改水中培育為砂土培育呢？

4）要是用不同種類的生長素溶液進行培植，效果又會有什么不同？

學生總結出以上可創新點，反復進行實驗，最終在本市的少年科學成果研究賽上斬獲優秀獎，在取得榮譽的同時，也養成了提出創新型疑問的思維習慣。

3 實驗數學性：STEM教育的數學應用

生物實驗的數據必須運用數學知識進行統計匯總，還需要借助數學運算方法和圖表進行表達。STEM教育中的數學知識應用就旨在為前期的科學理論和實際操作過程服務。在生物教學中要牢牢把握這一點，鼓勵學生使用和學習數學模型進行實驗。

數學知識? 學生在這次實驗中要學會在實驗過程中靈活運用數學知識，比如在做出有關植物插條生根最適宜生長液濃度的猜想之后進行實驗，然后用數學圖表按照時間記錄實驗對象的變化。可以使用曲線圖，一方面，數據的對比直觀;另一方面能看出實驗體的整體變化趨勢。

數學假設? 數學假設的內容需要根據選擇探究的實驗部分來決定，探究的實驗內容不同，所做的數學假設也就不同。本次實驗的數學假設為：生長素濃度對植物插條生根的影響。

具體應用? 學生先將之前每天記錄的結果匯總在一起，然后使用合適的數學圖表。為表現每個實驗體在相同時期內的生根情況，可以繪制有關多個同時期不同實驗體的曲線圖，教師先讓學生在小組內部進行討論，然后讓學生以小組為單位匯報實驗數據，對于小組內產生的數學應用方面的疑問，應及時給予解答。

檢驗和修正? 在實驗中應用數學知識和數學圖表來記錄實驗數據和表現實驗成果，在此過程中可能會出現一些失誤現象，這就需要在實驗過后再次檢驗實驗中應用的數學模型，以及檢查之前每個時間段內實驗數據記錄有無錯漏。實驗小組之間可以進行實驗圖表的對比，對于一些差異較大的實驗數據進行分析，是否本小組的實驗過程或者數據收集某個環節出了問題。教師還可以鼓勵學生思考不同生長周期、不同溫度環境運用的數學模型是否應該一樣，不一樣的話，各自該采取何種數學模型？數學圖表的選擇應遵循什么原則？

生物學習過程中要使學生意識到跨學科的結合和知識的融合，將為學習過程帶來更多的便捷;而且數據的記錄和表現不止可以使用一種數學模型，要根據探究內容進行選擇。

4 生物學規律現象：STEM教育的工程部分

針對高中生物學習，STEM教育的工程部分具體就是讓學生運用生物學理論以及既有規律進行操作實踐，學習基本的生物實驗工具使用方法以及實驗方法。

1）運用生物學知識探求答案。學生根據習得的生物學知識對教師列舉的一些生物學現象進行解釋并給出答案。

2）與日常生活相聯系。在本次學習后，學生在教師的引導下對日常生活中類似的生物學現象進行思考，如：盆栽的培植;不同植物插穗的選取和處理;一些不易產生果實的植物，該用何種濃度的生長素促進果實發育;林木的前期栽培。

5 結語

在教學生物學過程中應用STEM教育模式，在既有的生物學理論和規律指導下進行生物學實驗，并且在過程中運用數學知識記錄和表達實驗數據，有利于激發學生的探索熱情，使他們意識到跨學科學習的益處，并且有助于培養學生的創新型思維習慣，為以后的學習提供更多進步的空間。

參考文獻

[1]劉東杰.高中生物學探究技能中核心素養的培養[J].生物學教學，2016（7）：49-50.

[2]祁鳳珍，王建，翟林，等.基于生物學核心素養的評價與思考：以2016年高考（天津卷）理科綜合（生物部分）為例[J].考試研究，2016（6）：24-34.

[3]俞紅成.高中生物學科核心素養的教學培養策略[J].中學生物教學，2016（8）：18-19.