融合STEM理念的初中生物學實驗教學實踐與思考

張 鋒

(福建省普通教育教學研究室 福州 350003)

越來越多的國家將教育視角投向了STEM教育，學科交叉和知識融合已經成為教育教學改革的關鍵詞。但是，課程如何設置、教學如何開展也是擺在學者和教師面前亟待厘清和解決的兩大問題，這也是STEM教育的落腳點和突破口。

1 STEM理念融入初中生物學實驗教學中的價值思考

長久以來的分科教育造成了學科人才培養的分離局面，教師的教育專業化和從教專門化的結果就是： 讓他們喪失學科的整合能力或者從心理上抗拒學科的整合。但教育的發展趨勢昭示著這樣的抗拒是不利于人才的培養的。在美國《下一代科學課程標準》中，跨學科概念、學科概念以及科學與工程實踐一起被作為課程的三大維度。其中，跨學科概念是搭建各個學科之間的橋梁，它主要包括系統和系統模型、物質與能量、結構與功能、穩定性與變化、模式、規模、比例和數量等。作為科學課程的組成部分，生物學越來越從定性、觀察性的學科發展為定量、預測性的學科，新生物學的學科范疇已經覆蓋了物質科學、計算機科學和工程學等內容。因此，生物學教師應該要做適當前瞻。

將STEM的理念適當地融入學科教學，特別是融入初中生物學實驗的教學具有其必要性和可操作性。其一，就初中生的心理特征而言，他們的學科分離意識較高中生弱，其學習習慣的可塑性更好，盡管知識網絡的完整性弱一些，但是學科兼容性會更好，教學中可根據初中生的認知層次設計問題和研究項目，對初中生的學習評價也應該基于他們的能力基礎。其二，就課程標準和教學設計而言，《普通高中生物學課程標準(2017年版)》可以作為初中生物學教學的風向標，其在“基本理念”中明確提出“教學過程重實踐”，要求學生通過探究性學習活動或完成工程學任務，加深對生物學概念的理解，提升應用知識的能力等[1]。因此，在初中生物學實驗中融入STEM理念，有助于學生從學習生物學之初就帶著大科學視角審視學科本質。

2 基于STEM理念的初中生物學實驗教學一般流程

流程建立在學生任務驅動式合作學習的基礎上，主要為發展學生解決實際問題能力而設計。生物學實驗教學中，可以適當滲透STEM的理念，拓展和改進實驗的研究目的、材料、步驟等，將數學、技術和工程整合進科學教育中。STEM研究大致分為： 生成研究主題，制定研究計劃，了解研究主題，撰寫研究方案，準備并開展實驗，統計分析，解釋數據，報告結果8個階段[2]。結合初中生物學實驗教學的現狀，我們將具體流程做了適當簡化(圖1)，可在教學中進行簡單操作。

圖1 基于STEM理念的初中生物學實驗教學流程圖

在STEM研究中被廣泛關注的三個核心要素： 情境學習、工程設計和科學探究[3]，可在上述流程中逐步體現，其中師生共同尋找研究對象對應“情境學習”，主張通過教師或學生的情境設置、問題凸顯來引發學生的深度思考。以真實世界的問題情境為線索，建立教學與真實世界的鏈接，調動學生的探究興趣，并使之有效維持。需要學生的個體反思和團隊的互助，以便整合更多的智慧參與；從科學、技術、工程和數學四個維度進行研究方案設計指向“工程設計”，在傳統的生物學實驗教學中，“工程設計”往往是被隱藏的，師生按照教材既有的方案實施實驗，進行驗證或者探究，尋求原理的理解和認同。而基于核心素養的發展的教學，應該更強調學生在新情境中利用對原理、規律的認知來解決生物學問題。因此，凸顯“工程設計”環節，讓學生在教師的引導下嘗試自主設計實驗、設計方案和科學建模等，有利于其高階思維的發展。解釋實驗所涉及的科學與技術原理并適當改進與從實驗中獲得數據、證據和反思主要指向“科學探究”，其過程包含著實驗的實施、科學論證和反思的過程，涉及收集、分析和解釋數據，提出基于證據的預測和解釋、分享實驗成果等內容。

3 案例分析

3.1 案例1： 探究綠色植物呼吸作用的過程 本實驗包括探究綠色植物六大器官的呼吸作用以及探究溫度對果實呼吸作用的影響。首先，學生分小組利用生活廢棄物品自制一套實驗裝置，分別探究植物根、莖、葉、花、果實的呼吸作用；其次，利用DIS實驗技術探究溫度對果實呼吸作用的影響： 利用二氧化碳傳感器和平板電腦，觀察對比單位時間內常溫組和低溫組二氧化碳的釋放量。

環節1： 學生通過微課自學萌發的種子進行呼吸作用釋放出熱量、產生二氧化碳、消耗氧氣這三個實驗，初步建構呼吸作用的概念。部分學生質疑： 綠色植物的其他器官能不能進行呼吸作用？針對學生的疑問，教師布置探究任務，要求各小組利用生活中的廢棄物品制作一套實驗裝置，整合教材中的三個實驗，五個小組自選一種實驗材料分別探究植物其他五種器官的呼吸作用。

環節2： 小組合作，并分別從科學、技術、工程和數學四個維度進行研究方案設計(表1)，進而確定實驗操作步驟、科學獲取實驗證據和數據的方法以及小組成員的具體分工等。

表1 探究綠色植物呼吸作用的過程涉及的STEM資源

注： 案例提供者——廈門大學附屬實驗中學吳呈香

環節3： 小組成員在教師的指導下，利用生活廢棄物品分別設計實驗裝置，將教材探究呼吸作用的三個演示實驗裝置整合成一個實驗裝置，分三個步驟探究綠色植物五種器官的呼吸作用，學生利用溫度計檢測呼吸作用的熱量變化，利用溴麝香草酚藍檢測釋放出的氣體是二氧化碳，利用燃燒的蠟燭來檢測裝置中的氧氣含量變化。最后利用DIS實驗技術中的二氧化碳傳感器和平板電腦檢測常溫組與低溫組單位時間內釋放出的二氧化碳含量。

環節4： 小組成員分別觀察到實驗組溫度計溫度升高、溴麝香草酚藍溶液由藍色變成黃色、燃燒的蠟燭熄滅，而對照組不變，進而得出呼吸作用釋放熱量、呼出二氧化碳、消耗氧氣，建構呼吸作用的概念；觀察到小番茄在單位時間內低溫組呼出的二氧化碳氣體遠低于常溫組，進而得出果實低溫下呼吸作用較弱。在實驗過程中，各小組利用科學、技術、工程、數學等知識解決問題，學生的核心素養培養得以有效地落實。

3.2 案例2： 水污染對生物的影響以及生物的凈化作用 本實驗共包括兩部分，首先探究水污染對生物的影響： 家庭洗滌類污水是學生最常見的污水，在學生討論的基礎上，選取洗滌劑溶液(洗衣粉、洗手液、洗潔精)模擬洗滌污水，同時選取水蚤作為水污染指示生物，觀察水蚤在家庭洗滌類污水中的心率變化；隨后探究生物對污染水質的凈化作用： 學生結合家庭養魚的經驗，選取沉水植物、硝化細菌制劑對模擬污水進行凈化，觀察水蚤的心率變化[4]。

環節1： 受人教版七年級《生物學》下冊第4單元第7章第2節“酸雨對生物的影響”探究實驗的啟發，不少學生要求再試一試水污染對生物的影響。為了滿足學生的探究熱情，教師組織學生小組合作設計并實施實驗“探究水污染對生物的影響”。有一組學生在實驗方案中提出“水草能不能凈化污水？”的問題，受到該組學生的啟發，教師將實驗拓展到“生物對污染水質的凈化作用”，這有利于幫助學生深刻理解生物與環境的關系。在實驗生物的選取過程中，師生共同查閱資料發現，沉水植物能夠有效降低污水中的氮、磷等營養物質含量水平，對污水凈化效果顯著；另外，硝化細菌是一類自養好氧型細菌，其中亞硝化細菌能將水體中的氨氮轉化成亞硝酸氮，硝化細菌則能將亞硝酸氮最終轉化為硝酸氮，從而凈化水體水質。

環節2： 小組成員根據興趣選擇模擬洗滌污水的種類及凈化生物，并分別從科學、技術、工程和數學四個維度進行研究方案設計(表2)，進而確定實驗操作步驟、科學獲取實驗數據的方法以及小組成員的具體分工等。

表2 水污染對生物的影響以及生物的凈化作用涉及的STEM資源

注： 案例提供者——廈門第一中學黃春曉

環節3： 為突破水蚤心率計數難點，師生運用數碼顯微鏡的實時拍攝技術完成實驗觀察，并借助計數器進行單位時間內的準確計數，分別收集水蚤在培養液、模擬污水及凈化水中的心率變化，進一步在Excel中完成作圖分析。

環節4： 實驗數據顯示，隨著洗衣粉溶液濃度的增加，水蚤心率受抑制的程度逐漸加深，而經過凈化的洗衣粉溶液對水蚤心率的抑制作用明顯減弱。其他模擬洗滌污水(如洗潔精、洗手液等)對水蚤心率的影響與洗衣粉溶液相似，生物凈化效果也相似。學生受“酸雨對生物的影響”探究實驗的啟發，提出“探究水污染對生物的影響”的探究設想，在教師的指導下，合作設計解決方法，進而利用科學、技術、工程、數學等知識解決問題，并運用理性方法驗證解決效果。從實驗設計到實施，班級成員匯聚集體的理解、努力和分工來尋求問題的解決。

4 實施意義

STEM本身存在跨學科知識糅合的復雜性、學科跨界的不確定性，并對學校課程設置、教師課程開發和設計能力是巨大挑戰，因此在現階段進行課程的改革不切實際。但是通過融合STEM理念的實驗創新則可以加深學生對概念的理解，有助于學生思維的成長，問題解決意識和能力的提升，也有助于教師對學生多維度、多元的評價。

從教育教學改革發展的層面上講，今后高中不再分文理科，開放學生學科的自主選擇，學科之間必然走向融合，培養全面發展的人才成為可能。