STEM理念在初中生物實踐活動中應用的探索

朱虹

摘要：為了探求STEM理念在初中實踐活動中的應用，以廚余垃圾的變廢為寶為例，闡述了從確定活動主題、活動項目設計與實施、活動評價的探索過程，并且提出關于有效開展STEM實踐活動的幾點啟示，為學校生物教學和STEM教育的融合提供有意義的借鑒。

關鍵詞：STEM理念 實踐活動 廚余垃圾處理

中圖分類號：G633.91 文獻標志碼：B

STEM是集合了科學、技術、工程、數學教育的跨學科教育，其打破了學科之間的壁壘，提升學生的創新精神和實踐能力，目前已經成為國際廣泛研究并推行的科學教育模式。其倡導學生在真實情境中學習，運用所學知識解決實際問題，對于培養學生的核心素養，尤其是自主發展和社會參與方面有著重要的作用。雖然，STEM教育自引入我國以來受到了廣泛的關注和研究。然而，受限于傳統課程教學中學科、教室、課時的限制，在日常教學中很難完整開展STEM課程。因此，下面嘗試以STEM理念為引導，指導學生在假期開展廚余垃圾的變廢為寶的課外實踐活動，以初步探求STEM課程在初中由理念付諸實踐的路徑。

1確定活動主題

垃圾分類回收是當今的一個熱點話題，而廚余垃圾又是居民每天都會產生的主要垃圾，對于生態環境的保護、資源再生都有著重要的意義。《義務教育生物學課程標準（2011年版）》關于“生物圈中的人”提出：人類的活動對生物圈有重要的影響，教師應當引導學生通過探究活動，意識到生物圈中的人對生物圈應盡的責任。蘇教版初中生物學教材雖然沒有直接提出廚余垃圾的回收利用，但是很多知識和原理分散在教材的不同板塊中，如在垃圾分類中設置了廢棄物自然降解的試驗，生態系統及微生物內容中都提到了蚯蚓和腐生微生物的作用。因此在學生開展活動前，教師對書本中相關知識內容進行梳理和聯系，為學生進一步解決實際問題搭建“腳手架”。學生基于已有的認知，開展頭腦風暴，提出關于廚余垃圾變廢為寶的相關命題。例如，將廚余垃圾變廢為寶有什么意義？目前我們生活中廚余垃圾是如何處理的？有沒有環保有效的方法采處理廚余垃圾？學生在問題的驅動下，通過資料搜集、討論、分組合作等，在已有知識儲備上進一步拓展，完善自己的思路，并在教師的指導下，進一步構建模型，最終確立研究方案。

2活動項目設計與實施

2.1調查和分析——廚余垃圾回收利用現狀

教師利用STEM理念，聯系學生的真實生活，創設情境，引導學生利用科學、技術、數學的知識和概念來系統地解決實際復雜問題。2019年，南京市提出的垃圾具體分類方式，將生活垃圾分為可回收物、有害垃圾、廚余垃圾和其他垃圾四類。小組成員通過社區調查、生活體驗、調查走訪等，了解人們生活中廚余垃圾分類處理的現狀。

（1）廚余垃圾數量調查。學生小組分類收集了家庭中每天產生的生活垃圾，稱量并且計算得出，家里每天每個人平均產生700 g生活垃圾，而其中廚余垃圾就有410g，占到了60%左右。小組成員走訪了南京衛生部門的工作人員，從中了解到南京市每天產生近3200t的廚余垃圾。廚余垃圾雖然是“天然”的有機垃圾，但是如果不有效處理，對環境、健康有著極大的危害。目前，南京主要以焚燒發電的環保方式處理生活垃圾，但是大量的廚余在源頭和過程中沒有實現垃圾的減量化，而且與有害垃圾、干垃圾等混合收集、轉運，為末端焚燒帶來很大的處理壓力，也造成了資源浪費及環境污染風險。因此，除了做好垃圾分類投放外，在家庭中安裝廚余垃圾處理器，對部分廚余垃圾堆肥處理等都是從源頭減少廚余垃圾的重要方式。

（2）居民廚余垃圾分類處理現狀。小組成員制作調查問卷，并發放給我校周邊四個小區的居民，回收后進行數學統計，對數據進行分析。學生從而了解到：①約40%的家庭對生活垃圾不進行分類，而垃圾分類的家庭中，絕大多數家庭只對可回收垃圾分類，對廚余垃圾分類處理的僅僅只有10%。極少數居民使用垃圾處理器或者利用廚余垃圾進行堆肥處理。②居民對垃圾分類知識比較了解的僅僅占40%，很多居民認為廚余垃圾就是廚房中產生的垃圾，因此將扇貝、紙巾、一次性筷子等難以分解的物質也歸類于廚余垃圾。③70%居民對廚余垃圾分類處理呈不反對或支持態度，也愿意嘗試用廚余垃圾堆肥獲得肥料。通過調查，學生感受到生活中廚余垃圾的分類及處理并不了樂觀，這是因為很多居民并不具備垃圾完全分類的知識，也不了解垃圾無害化處理的方式。

通過信息搜索和調查研究，學生對廚余垃圾的分類處理有了更深刻的認識，在經歷了對調查結果“思考一分享一討論“的過程后，也更加明確了探究將廚余垃圾變廢為寶的方法，身體力行踐行垃圾回收處理的目標。

2.2建立模型——探究家庭中將廚余垃圾變廢為寶的方法

在STEM研究過程中，學生圍繞本組課題設計方案，并且在討論過程中發現問題、解決問題，改進實驗方案。由于初中學生的實驗探究能力和動手實踐能力不足，教師需要在必要階段進行引導和搭建支架，讓學生在溝通交流中不斷明確探究思路，提高協作能力。

2.2.1探究1：微生物對廚余垃圾的降解作用

在學習微生物的過程中，學生知道腐生微生物可以分解動植物的遺體來獲得營養。通過搜集資料，學生進一步了解到廚余垃圾富含有機質，易于降解，無論是填埋處理、還是堆肥處理，微生物都起到了至關重要的作用。家庭也可以通過生態方式，如微生物發酵將廚余垃圾資源化、無害化。在學生提出利用微生物對廚余垃圾的降解作用后，教師提出問題：自然條件下，微生物可以降解廚余垃圾嗎？是否微生物菌劑可以分解所有垃圾？小組成員根據課堂中所學的實驗設計的原理，探討實驗思路并繪制出實驗方案，利用發酵EM菌劑（由光合細菌、酵母菌、乳酸菌等組成的混合菌群）、果蔬殘體（如生菜葉、果皮）、剩飯菜（如熟的米飯、蔬菜）和餐巾紙等進行了三組試驗探究。

（1）材料與方法：將收集的果蔬殘體和剩飯菜分別切成小塊并混合均勻，放于錐形瓶中。根據所學習的實驗設計的原則，實驗分為6組，對照組為A1（100 g果蔬殘體）、A2（100 g剩飯菜）、A3（100 g紙巾及一次性筷子），實驗組為B1（100 g果蔬殘體+5 gEM菌劑）、B2（100 g剩飯菜+5 g EM菌劑）、B3（100 g紙巾及一次性筷子+5 gEM菌劑）。室內溫度為25°C左右，3 d攪拌一次。在實驗過程中，學生定期觀察每組實驗中廚余垃圾顏色、形態、氣味的變化。

（2）結果與分析：通過一個月的實驗與觀察，學生將主要的實驗現象記錄在表格中（表1）。

（3）討論與交流。學生小組討論實驗結果，分析得出：①通過A1、A2與B1、B2的對照，可見廚余垃圾在自然條件也會降解，但是速度慢，并且會導致一些有害微生物大量生長，產生異味，而EM微生物菌劑的作用是促進廚余垃圾的降解，抑制其他微生物生長，減少降解過程中產生的異味。②通過B1與B2對照，可見微生物對絕大多數廚余垃圾有分解作用，但是剩飯菜中菌絲更多，適合真菌生長，而果蔬殘余中可見菌絲較少，推測可能更適合細菌生長，因此家庭堆肥過程中可以將果蔬殘余和剩飯菜混合，用于發酵。③餐巾紙和一次性筷子雖然是廚房產生的，但是并不容易被微生物降解，因此不屬于廚余垃圾。

2.2.2探究2：設計制作蚯蚓堆肥箱

（1）設計并制作蚯蚓堆肥箱。學生已經學習過蚯蚓以畜禽糞便和有機廢物垃圾為食，可以疏松土壤、提高肥力。教師提出問題：家中是否也可以利用蚯蚓來制作堆肥呢？要求學生根據蚯蚓的習性，設計并且制作蚯蚓堆肥箱。學生小組討論，得出堆肥箱的條件為：黑暗、潮濕、有足夠的空氣。在討論基礎上，學生初步制作了堆肥箱，并在對蚯蚓的適應培養中發現問題，優化設計。例如，如何提高培養箱的透氣性？如何維持濕度，同時排出多余水分？如何便于廚余垃圾的定期堆放和肥料的獲取？……最后，確定設計方案。根據方案，各小組利用不透明收納箱、陶土粒、土壤及木屑制作了蚯蚓堆肥箱：①將箱子四周穿洞保證蚯蚓有足夠氧氣呼吸;②在箱底鋪了一層陶土粒和濕木屑，保證適合蚯蚓生活的濕度和透氣性，并且打出小孔排出水分;③木屑上鋪幾層紙板，方便收集肥料;④最后，覆蓋一層土壤，并放入蚯蚓。

（2）利用蚯蚓堆肥箱處理廚余垃圾。學生對堆肥箱中區域進行劃分，用來交替放置廚余和收獲肥料。為了探究哪一類廚余垃圾更加適合用于蚯蚓堆肥，學生分別用果蔬殘體和剩飯菜培養蚯蚓，其中A組為200g果蔬殘體和20 g蚯蚓，B組為200 g剩飯菜和20 g蚯蚓。蚯蚓品種為赤子愛勝蚓，室內溫度為26%左右。學生每天觀察兩個堆肥箱中廚余垃圾的變化以及蚯蚓的生存，發現：A組堆肥箱中的果蔬殘體消失地非常快，一周后所有廚余垃圾基本被蚯蚓吃完，并且蚯蚓生存良好，并且基本沒有異味;B組剩飯菜也有所減少，但是一些油脂鹽分較多的剩菜沒有被完全吃掉，生長了霉菌，并且有大多數蚯蚓鉆入到地下。

（3）總結與討論。學生觀察實驗，分析得出：①蚯蚓堆肥適合果皮蔬菜類廚余垃圾的降解，并且處理的速度很快，很適合在社區中用來處理大量的果皮蔬菜類垃圾;②剩飯菜不適宜與蚯蚓堆肥，可能是因為其中的油脂和鹽分較多，放置于堆肥箱中會影響土壤環境，不利于蚯蚓的生存。

3溝通交流與活動評價

3.1實踐成果分享與交流

學生通過制作活動海報、PPT展示等形式，向其他小組分享實踐活動過程和成果。學生對個人和小組學習過程中的表現進行評價。教師通過合理評價，激勵學生在分享的過程中，相互學習，同時也讓學生對于廚余垃圾變廢為寶的環保意義有了更深刻的認識。很多學生在實踐活動后將堆肥箱運用于家庭廚余垃圾的處理中。

3.2實踐活動評價

參考美國康涅狄格學科中心STEM課程的評測量表，依據本次社會實踐內容設置了對應的量表（表2）。在活動中，教師要注意觀察學生在小組中的行為與反應、交流以及評論，給出過程性評價，并結合學生實踐報告所給出總結性評價，綜合評價學生在課外實踐活動中的表現。

4啟示與展望

本次STEM理念引領下的實踐活動不僅關注學生的實踐與參與，更注重引導學生綜合運用課堂所學的知識和技術解決現實情景中的問題，讓學生在自主學習和主動探究中，真正成為學習的主體，并在活動過程中提高了環保意識。

通過本次廚余垃圾的變廢為寶的實踐活動，對STEM在實踐活動中的應用有以下啟示：①教師要從學生生活中發現STEM實踐內容。實踐的內容應該源自于學生真實的生活，這些問題可以來源于學生的經歷，也可以是國家和全球性的問題。青少年是環保事業發展的生力軍，環境污染調查、新能源的開發利用、生物多樣性保護等都是教師可以讓學生參與的領域。②教師要基于學校課程內容，解決學生生活中的實際問題。中學科學課程和工程和技術之間本就有天然聯系的話題，并且中學生科學知識的儲備和工程技術的掌握都比較有限。因此，教師整合學校的課程內容，為學生實踐活動搭建腳手架，引導學生基于已有認知解決問題，是相對現實合理的選擇。③教師要打破學科之間壁壘。STEM強調學科之間的關聯性，因此教師應該提高自己的綜合素養，注重各學科之間的聯系，才能更好地將STEM理念投入到實踐活動的開發中去。