STEM教育理念在中學生物學教學中的應用

尚靜 金濤 張大樂

摘要：教育理念是培養德技并修、全面發展人才的基礎和靈魂，STEM（Science，Technology，Engineering，Mathematics）素養是科學、技術、工程與數學素養的綜合體現。闡述了STEM教育理念在中學生物學科教學過程中的融合創新，以加強中學生對生物學科核心素養的認識，對中學生物教學實踐有一定的促進作用。

關鍵詞：STEM;教育理念;生物學;教學

生物學是研究生命現象和生命活動規律的基礎學科。通過生物學課程的學習，學生可以了解種植業、畜牧業、醫療、衛生等方面的知識及技術，從而強化對生命的感知和認識。生物學的研究經歷了從定性到定量、從宏觀到微觀的發展后，它的應用仍在不斷地擴大，如，生物學在食品、化工、能源和環境保護等領域得到了極大的發展和應用。同時，它和信息、工程等方面的結合也逐漸增加，對人類的社會、經濟和生活有著越來越大的影響。相應地，生物學科的教育也越來越凸顯其重要性，它不僅對學生的能力培養提出了更高的要求，同時對教師來說既是機遇又是挑戰，對教師的教育理念也提出了前瞻性和創新性的要求。

不斷更新的教育理念是生物學科教育永葆青春的靈魂。傳統的教育理念是按照單一學科劃分的，雖有利于知識的系統化、條理化，但是它使學科之間彼此分離，割裂了學科之間的聯系，以知識為中心，把知識的傳授作為教學的最終目標，目標十分明確。這種教育理念對學生創新意識和創新能力的培養有所限制。

2017年修訂的中學生物學課程標準強調：生物學與其他學科之間具有密切的聯系，生物學的教育應力爭讓學生能用科學的觀點、思想和方法解決現實生活中的一些問題，形成相應的生物學學科核心素養。這就需要教師收集與教材內容相關的資料進行教學設計，對生物技術、生物信息和生物工程等相關的研究進展有總的了解和把握，將其巧妙地融合到教學中，提升學生在未來發展中所必備的品格和關鍵能力，培養學生的創新能力和科學素養。

在這種背景下，許多新的教育理念隨著時代進步的需要應用而生。其中，起源于美國的STEM（即Science，Tech-nology，Engineering，Mathematics）教育理念與新課程所提出的要求和標準有許多相近之處，這種教育理念可以更好地促進學生在生物教育綜合素養的培育和發展，STEM教育理念所提出的教學模式和方法可以最大程度地彌補和完善傳統教育理念的不足。

一、STEM教育理念概述

STEM教育理念的英文縮寫是由科學（Science）、技術（Technology）、工程（Engineering）和數學（Mathematics）英文首字母組合而成，在這四門學科中，科學在于探索自然界所蘊含的規律，完善對世界的認知;技術是利用自然界的物質、能量和規律對自然系統進行改造和加工的技能;工程是利用科學技術以及數學方面的知識，將某些實體轉化為具有預期使用價值的人造產品過程;數學則是以培養人的邏輯思維為主，研究事物的數量、空間量化等方面的知識。但該理念不是科學、技術、工程和數學的簡單疊加，而是超越傳統教育的新理念，其特點是將原本分散的4門學科（科學、技術、工程、數學）進行有機的整合，使得學生所學到的零碎知識和機械過程轉變為一個探究各事物之間相互聯系的過程，這4門學科分別代表學生的四大素養，即：科學、技術、工程和數學素養。

科學的發展離不開技術的進步，數學是科學研究的基礎，工程是數學和科學技術理論的應用和實踐，這四門學科之間有著相互補充、共同發展的關系，在利用該理念時一定不能將他們其中的任何一個進行孤立，只有在相互交互中才能夠深層次學習，才能真正做到培養學生各方面的知識和技能。

STEM教育理念，強調跨學科教學，而不是孤立地教學。在課堂上，學生自主探究是主體，教師的教學是補充，在實現教學目標的過程中，拓展了學生的思維和視野，提高了學生解決問題的能力。在中學生物的教育中融入跨學科STEM教育理念，可以更好地讓中學生將所學的各個學科相互聯系融合;有利于幫助學生打下扎實的學科基礎，培養學生創新意識和解決實際問題的能力，對于提高學生的科學素養具有重要意義。

二、STEM教育在生物教學中的應用

（一）教學模式上，探索新的教學模式，加強學生創新意識培養

隨著新課改的不斷深入，新的教育理念對慣用的教學模式造成了很大的影響，在以往的教學中，教師總是教學的主導者，占據課堂的主要地位，課堂的主要內容往往是知識的傳授，不能充分體現學生的主體性，需要去改進教學模式，以實現學生的自主發展。教師在探索新的教學模式時，必須滿足建構性學習所強調的探究、發現和協助等基本要求。其實，不難發現探究式教學與STEM教育理念所要求的相吻合，所以將探究式教學運用于中學生物的教學中，把課堂的主人還給學生，教師提供要解決的問題，創造合適的情境，緊緊抓住學生的注意力，然后清楚地陳述每節課的目標和任務，教師作為促進者去協助學生解決問題。

探究學習之后，教師需對所要掌握的中心知識進行總結，這樣不僅提高了學生的學習效率，還能夠提高學生對學習的興趣。在這種教學模式下，教師以科學探究的方式進行教學，學生分組進行學習，積極探索實踐，使他們在自主探究的過程中真正理解知識，并掌握學習的方法。如，在學習《細胞的吸水和失水》時，首先給學生列舉出生活中常見的現象，如，在盛有蘿卜條的盤里撒適量的鹽，盤里的水會逐漸增加，一段時間后蘿卜條變軟了;集市上賣菜的菜農會通過灑水來保持蔬菜的新鮮;農民施肥過多，會造成燒苗的現象。通過以上現象提出問題：植物細胞在什么條件下吸水？在什么條件下失水？植物細胞是怎樣吸水和失水的？再利用動畫視頻來展示水分從哺乳動物紅細胞進出的實驗，學生觀察和思考，當外界溶液濃度較低時，紅細胞一定能夠吸收水分漲破？紅細胞失水和吸水是什么決定的？比較植物細胞的吸水、失水和動物細胞的吸水、失水有何不同？讓學生以問題作為線索，明確目標，合作探究，主動思考，使問題得以解決，最后教師總結知識點，這種教學模式促進了學生創新能力和相應核心素養的提升。

（二）課程內容上，促進學科間的聯系，讓學生建立完整的知識體系

中學生物科學的主題有四個核心：從分子到有機體、生態系統、遺傳、生物進化，教師在選擇設計課程的問題或項目時需要重點關注各個學科的融合，注重知識的內在邏輯，以促進學生的深度學習，生物學科中重要的知識點離不開科學、數學等學科的主流思想，它需要以系統的、整體的觀念來看待，這是STEM教育理念提出的基礎。在課程內容上不在局限于將生物課程進行孤立教學，充分體現了該教育理念的綜合性、跨學科性的特點。

通過引導學生利用整體的思維去面對不同的情境，以科學的方式探索問題的答案，建立完整的知識體系，并認識到生物學課程與科學、技術、工程等方面聯系起來解決現實的問題，使學生的創新能力和科學素養都能夠有所提升。如，在《觀察雞卵的結構》這一實驗中，與雞蛋結構有關的內容屬于生物學范疇，但是雞蛋不容易被捏碎，并且在醋酸溶液中容易沉降，又屬于物理學的范疇，而有關雞蛋殼的成分碳酸鈣的內容又屬于化學學科。再如，在《種群數量的變化》這一節內容的學習中，讓學生觀察“細菌繁殖產生的后代數量”，探究n代細菌數量的計算公式，描述、解釋和預測種群的數量變化情況，建立以時間和細菌數為橫、縱坐標的數學模型，畫出相應的種群增長曲線，更加直觀地觀察種群數量的增長趨勢，體現了數學在生物教學中發揮的重要作用。在進行上述內容的教學中，所授內容能夠與其他學科進行密切聯系，幫助學生建立完整的知識體系，將所學的知識進行整合貫通。

（三）課堂實踐上，開展科學探究，加強學生社會責任的培養

生物學同我們的生活和生產實踐密切相關，生物學科中許多的專業知識都可以用來解釋現實生活中的一些現象。STEM教育理念強調學生的發展是動態的、開放的，書本不再是教師傳授知識的唯一途徑，教室也不再是唯一的教學場所，開放式的學習有助于學生理解或解釋生命過程和生命現象。

在教學過程中充分發揮STEM教育理念的實踐性特點，讓實踐性課程以活動為基礎，基于解決問題的學習，同時獲得實踐的課堂體驗。STEM教育理念強調學生對學習過程的參與，使學生不僅能獲得以結果為基礎的知識，還能學習到在問題解決過程中所蘊含的過程性知識。教師在教學過程中增加學生進行科學實踐的機會，鼓勵學生利用科學的思維進行探究，親自動手實驗，在探究解決問題的同時學習科學知識，把問題解決作為課堂的主線來進行課程教學。

在課程實踐上，教師提供給學生精良的硬件設施和系統的科學知識，實現從知識到實踐的轉變，并結合知識提供相應的情境，讓學生通過分析實驗現象和結果，發現其中的問題，并嘗試運用生物知識解決問題，促進科學探究、實踐和創新能力的提高。如，在由人民教育出版社出版的高中生物必修三《穩態與環境》第四章“種群和群落”一節學習后，教師可以指導學生開展“探究土壤中的小動物類群豐富度”的探究性學習。

課堂上理論學習結束后，引導學生走出教室，走進大自然，將校園、校外場地等作為研究學習的場所，靈活運用科學知識，去探究不同理化性質對土壤動物群落的影響。再如，在專題《傳統發酵技術的應用》中，它涉及到多種與生活密切相關的食物的制作，如果醋、果酒以及泡菜等。果酒制作的學習中，可以先帶領學生走進相關加工廠，去了解該工程的具體操作步驟，然后回到實驗室向學生講解果酒以及果醋的制作原理，并引導學生設計出可行的果酒制作裝置，利用學生的生活經驗，親自體驗葡萄酒的加工過程，獲得醇香的葡萄酒?？偨Y實驗中所涉及到的知識，讓學生的實驗設計和動手能力得到提高，通過一系列的工程實踐后，學生能夠利用所學知識去解釋和認識自然及社會中的一些現象，將所學知識能夠靈活運用并掌握，和生活緊密聯系去解決現實的問題，培養生命觀念和社會責任等核心素養。

在STEM教育理念的指導下，教師對生物學課程內容進行傳授時，不再局限于單科教學，而是能夠加強各學科之間的聯系，利用整體化、系統化的觀點來進行教學，學生學到的知識也不再是孤立的，能夠建立一個完整的知識體系。一堂好的STEM課堂不僅要有足夠的深度，還要對學生有吸引力，將學生作為課堂的主體。

教師采取以學生為主體、教師講授為輔、探究為主的教學模式，讓學生從發現問題、提出問題到制定計劃、實施計劃，并對所得出的結果進行交流和討論，最終得出相應的結論。這樣能夠更好地培養學生的合作意識和解決問題的能力，而且在制定計劃的過程中創新意識得到了很大的提升，促進他們的生物學科核心素養的培養。在這種教學模式的課堂實施過程中，重心放在了學生的探究過程，讓學生的參與度達到了一個較為理想的巔峰值，讓學生自己去安排實施實驗計劃，增加了實踐的機會，利用科學思維去探究解決問題，豐富學生的課堂活動，體驗問題解決所帶來的成就感;同時，能夠走進生活，聯系實際，對知識的理解也會達到一個深度，有效提升學生的自信心，提高科學實踐的能力。

在知識經濟迅速發展的二十一世紀，科學技術已經成為社會發展的重要部分，在中學生物學教學中融入STEM教育理念，開發學生的科學思維與科學探究能力，使學生具備良好的科學、技術、工程以及數學素養，有利于學生在社會的發展中積極應對所面臨的各種挑戰，在競爭激烈的社會中占據一席之地。