STEM 教育理念下高中生物實(shí)驗(yàn)的探究式教學(xué)模式初探

江西

生物學(xué)是一門(mén)以實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)的自然科學(xué)，實(shí)驗(yàn)教學(xué)既是高中生物教學(xué)的重要內(nèi)容，也是一種有效的教學(xué)手段，更是培養(yǎng)學(xué)生學(xué)科核心素養(yǎng)的重要環(huán)節(jié)。《普通高中生物學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017 年版2020 年修訂）》指出：培養(yǎng)學(xué)生生物學(xué)科核心素養(yǎng)是本課程的價(jià)值追求，也是課程預(yù)期的教學(xué)目標(biāo)。要達(dá)成這樣的課程目標(biāo)，教師要適當(dāng)?shù)貙⒖鐚W(xué)科知識(shí)和技能融入到實(shí)踐活動(dòng)中，特別是將“科學(xué)、技術(shù)、工程學(xué)和數(shù)學(xué)”（STEM）整合到實(shí)踐活動(dòng)中，以適應(yīng)在教學(xué)中超越對(duì)學(xué)科本身知識(shí)和能力的要求。但是，目前高中生物實(shí)驗(yàn)教學(xué)過(guò)于強(qiáng)調(diào)“整體劃一”模式，忽視學(xué)生個(gè)性的發(fā)展；過(guò)于重視實(shí)驗(yàn)技能的傳授和結(jié)論的獲取，忽視能力培養(yǎng)和科學(xué)方法的教育。學(xué)生多數(shù)情況下處于被動(dòng)學(xué)習(xí)狀態(tài)，對(duì)實(shí)驗(yàn)興趣不高，學(xué)生的基本技能訓(xùn)練都無(wú)法實(shí)現(xiàn)，更談不上分析問(wèn)題、解決問(wèn)題的能力及創(chuàng)新能力的提高了。

我國(guó)高校機(jī)構(gòu)庫(kù)建設(shè)發(fā)展緩慢，與機(jī)構(gòu)庫(kù)建設(shè)者對(duì)機(jī)構(gòu)知識(shí)庫(kù)的宣傳不足不無(wú)關(guān)系。關(guān)于這點(diǎn)，文章《國(guó)內(nèi)科研機(jī)構(gòu)和高校機(jī)構(gòu)知識(shí)庫(kù)規(guī)劃建設(shè)現(xiàn)狀與問(wèn)題研究》[8]中有所研究。在該論文中，作者分別對(duì)中國(guó)科學(xué)院各個(gè)研究所以及國(guó)內(nèi)高校的科研人員、圖書(shū)館信息服務(wù)人員、決策管理人員進(jìn)行了研究，針對(duì)他們對(duì)機(jī)構(gòu)知識(shí)庫(kù)的認(rèn)知和需求差異進(jìn)行調(diào)研，調(diào)研結(jié)果顯示“科研人員和圖書(shū)信息人員對(duì)IR的認(rèn)知程度差不多，各有70%以上人員從未聽(tīng)說(shuō)或使用過(guò)IR”。作為學(xué)術(shù)交流和機(jī)構(gòu)庫(kù)發(fā)展較為集中的我國(guó)高校和科研院所的教師和科研人員尚且對(duì)開(kāi)放獲取和機(jī)構(gòu)庫(kù)知識(shí)的認(rèn)知還不夠理想，也在一定程度上反映了機(jī)構(gòu)庫(kù)建設(shè)者對(duì)機(jī)構(gòu)庫(kù)的宣傳不足。

第四，決心維度。這一維度主要是指中國(guó)實(shí)現(xiàn)承諾的意志。2012年黃巖島事件由菲律賓挑起而最終以中方實(shí)控這一島嶼及附近海域而告終。自2014年以來(lái)，盡管以美國(guó)為首的部分國(guó)家在各類(lèi)場(chǎng)合不斷要求中國(guó)停止對(duì)實(shí)控的7個(gè)島嶼進(jìn)行的大規(guī)模吹填和建設(shè)項(xiàng)目，并且美國(guó)還以航行自由和地區(qū)穩(wěn)定受到影響為由在上述島嶼附近進(jìn)行了海上和空中巡航，并藉此加深與越菲等國(guó)的雙邊關(guān)系，但中國(guó)不為所動(dòng)，堅(jiān)定不移地完成了南海島礁建設(shè)項(xiàng)目。對(duì)此，其他國(guó)家包括美國(guó)在內(nèi)均無(wú)能為力。基于上述事件，國(guó)際社會(huì)已經(jīng)充分意識(shí)到中國(guó)維護(hù)南海主權(quán)和海洋權(quán)益這一自身核心利益的決心。

基于此，筆者認(rèn)為在日常的實(shí)驗(yàn)教學(xué)中應(yīng)注重探究性實(shí)驗(yàn)的開(kāi)展，有意識(shí)地引導(dǎo)學(xué)生設(shè)計(jì)和分析實(shí)驗(yàn)，培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)探究能力。本文分析了STEM 教育的特點(diǎn)以及將STEM 教育融入高中生物實(shí)驗(yàn)的探究式教學(xué)的可行性；明確了教材中適合探究式教學(xué)的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，設(shè)置相應(yīng)的STEM 教學(xué)目標(biāo)，通過(guò)教學(xué)實(shí)踐，初步構(gòu)建了STEM 理念下高中生物實(shí)驗(yàn)的探究式教學(xué)模式。

1.STEM探究式教學(xué)模式特點(diǎn)分析

相對(duì)于以教師為中心的“傳遞—接受”式的教學(xué)模式，STEM 探究式教學(xué)模式是一種新型教學(xué)模式，它強(qiáng)調(diào)跨學(xué)科的融合，增進(jìn)學(xué)科知識(shí)和方法上的聯(lián)系，注重學(xué)生的個(gè)性化發(fā)展，培養(yǎng)學(xué)生多學(xué)科的STEM 綜合素質(zhì)；它主要強(qiáng)調(diào)以學(xué)生為中心，強(qiáng)調(diào)學(xué)生根據(jù)問(wèn)題情境，通過(guò)科學(xué)設(shè)計(jì)和探究的方式來(lái)掌握知識(shí)和解決問(wèn)題，打破以往用教材中已有的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的教學(xué)模式，能極大地調(diào)動(dòng)學(xué)生的積極性和激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)造性。但是，該教學(xué)模式也對(duì)教師提出了更高的要求，如果教師準(zhǔn)備不充分，就難以把控課堂的節(jié)奏和秩序。STEM 探究式實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式與傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式的比較如表1。

以人教版高中生物必修1 中“檢測(cè)生物組織中的糖類(lèi)、脂肪和蛋白質(zhì)”實(shí)驗(yàn)為例，將驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)改為探究性實(shí)驗(yàn)，開(kāi)展探究式實(shí)驗(yàn)教學(xué)實(shí)踐。

培養(yǎng)學(xué)生用科學(xué)知識(shí)和科學(xué)技能解釋現(xiàn)實(shí)生活現(xiàn)象和問(wèn)題（科學(xué)素養(yǎng)）；

表1

2.STEM教育理念下高中生物實(shí)驗(yàn)的探究式教學(xué)模式的初步構(gòu)建

筆者將探究式實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容歸納為以下四個(gè)方面：教材探究實(shí)驗(yàn)、科學(xué)史探究實(shí)驗(yàn)、教材“問(wèn)題探討”的再探究以及在驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)的應(yīng)用。基于STEM 教育和探究式實(shí)驗(yàn)教學(xué)的理論研究，結(jié)合教學(xué)實(shí)踐，設(shè)計(jì)了圖1 所示的教學(xué)模式。

圖1

3.STEM教育理念下高中生物實(shí)驗(yàn)的探究式教學(xué)實(shí)踐探索

在將自主開(kāi)發(fā)的針對(duì)《C語(yǔ)言程序設(shè)計(jì)》的游戲助學(xué)軟件提供給本院的17級(jí)新生使用后，學(xué)生的對(duì)C語(yǔ)言的學(xué)習(xí)興趣得到了很大的提高，課程的學(xué)習(xí)效果也增強(qiáng)了不少。如果通過(guò)對(duì)課程最終的試卷考核結(jié)果進(jìn)行分析的話(huà)，這屆新生班級(jí)的C語(yǔ)言卷面平均成績(jī)普遍要高于前幾屆，尤其卷面上的客觀題(選擇題、填空題、程序閱讀題)的平均得分均超過(guò)了往屆平均分6分以上。這也表明了在這個(gè)學(xué)期引入游戲助學(xué)軟件，取得了比較好的教學(xué)效果。

3.1 STEM 教學(xué)目標(biāo)

其次，在“綠色原則”作為物權(quán)人需承擔(dān)環(huán)保義務(wù)的一般性條款在“物權(quán)編”總則中確立的情況下，“物權(quán)編”分則的制度構(gòu)建及規(guī)范解釋在強(qiáng)調(diào)物權(quán)之經(jīng)濟(jì)價(jià)值的同時(shí)，必須對(duì)物權(quán)之生態(tài)環(huán)境功能進(jìn)行重新考量和定位，并在具體制度構(gòu)建中盡力給出二者沖突時(shí)的解決規(guī)則和取舍標(biāo)準(zhǔn)。一方面，這需要將《物權(quán)法》中已蘊(yùn)含“綠色原則”理念的私法規(guī)范進(jìn)行規(guī)則整合，實(shí)現(xiàn)“‘綠色原則’規(guī)則化”，避免在個(gè)案中缺少基本規(guī)范而“向基本原則逃避”；另一方面，在承繼《物權(quán)法》已蘊(yùn)含“綠色原則”既有規(guī)范前提下，將更多蘊(yùn)含此種理念的制度規(guī)范納入《民法典》“物權(quán)編”中，使“綠色原則”轉(zhuǎn)變?yōu)榭刹僮鞯木唧w物權(quán)規(guī)范。

嘗試使用各種技術(shù)方法檢測(cè)有機(jī)物（技術(shù)素養(yǎng)）；

嘗試提出問(wèn)題，作出假設(shè)，設(shè)計(jì)和分析實(shí)驗(yàn)（科學(xué)素養(yǎng)）。

3.2 教學(xué)思路

請(qǐng)寫(xiě)出實(shí)驗(yàn)思路。

圖2

3.3 探究方案

探究活動(dòng)1

疑問(wèn)：磚紅色沉淀的產(chǎn)生是斐林試劑與還原糖反應(yīng)的結(jié)果還是斐林試劑受熱后的結(jié)果？

表2

探究活動(dòng)2

根據(jù)實(shí)驗(yàn)的操作和現(xiàn)象你存在的疑問(wèn)有：________________________________________________________。

通過(guò)問(wèn)題啟發(fā)、任務(wù)驅(qū)動(dòng)的方式引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行自主設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，探究給定或者自帶食物中的有機(jī)物成分及含量比較，按照?qǐng)D2 思路開(kāi)展教學(xué)。

研究對(duì)象來(lái)自我院2013年9月—2016年12月內(nèi)收治的400例老年住院病人，按時(shí)間順序分為觀察組與對(duì)照組，各200例。對(duì)照組為2013年9月—2014年12月的老年住院病人，其中男124例，女76例；年齡60歲～78歲(69.2歲±4.1歲)。觀察組為2015年9月—2016年12月的老年住院病人，其中男118例，女82例；年齡60歲～81歲(69.8歲±3.7歲)；兩組病人在年齡、性別等基本情況上差異無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P>0.05)，有可比性。

探究活動(dòng)3

根據(jù)給定材料，設(shè)計(jì)或自選研究課題，寫(xiě)出實(shí)驗(yàn)思路開(kāi)展探究。

（1）比較不同食物中蛋白質(zhì)含量的差異；

（2）比較不同水果中還原糖含量的差異。

3.4 學(xué)生案例

探究活動(dòng)1

預(yù)測(cè)給定材料或自帶材料的主要有機(jī)物成分并檢測(cè)，填寫(xiě)表3：

由表6的試驗(yàn)結(jié)果可以確定Q500qE鋼板焊接預(yù)熱溫度（當(dāng)環(huán)境溫度不低于5℃，環(huán)境濕度不大于80%時(shí)）：板厚≤32mm的Q500qE鋼板不需要預(yù)熱；板厚＞32～50mm的Q500qE鋼板預(yù)熱80℃，可以防止焊接裂紋的產(chǎn)生。

表3

探究活動(dòng)2

根據(jù)演示實(shí)驗(yàn)的操作和現(xiàn)象你存在的疑問(wèn)以及探究方案：___________________________________________________________________________________。

案例①

當(dāng)他們剛走到長(zhǎng)江邊的時(shí)候，突然，一個(gè)女孩跳到了江里，接著，一個(gè)男孩也跟著跳了進(jìn)去。轉(zhuǎn)眼間，他們都被江水吞沒(méi)了。

預(yù)測(cè)給定材料或自帶材料的主要有機(jī)物成分并檢測(cè)，填寫(xiě)表2：

探究方案：增設(shè)蒸餾水+斐林試劑（水浴加熱），與1 號(hào)試管進(jìn)行對(duì)比。

探究結(jié)果：磚紅色沉淀的產(chǎn)生是斐林試劑與還原糖反應(yīng)產(chǎn)生Cu2O 的結(jié)果，斐林試劑受熱后產(chǎn)生CuO 的黑色沉淀，如圖3 所示。

圖3 左：還原糖+斐林試劑（水浴加熱）右：蒸餾水+斐林試劑（水浴加熱）

案例②

疑問(wèn)：煮熟的雞蛋清還能與雙縮脲試劑產(chǎn)生紫色反應(yīng)嗎？

選擇料液比1:6、1:8、1:10、1:12,白砂糖添加量8%、檸檬酸添加量0.2%,進(jìn)行單因素考察,結(jié)果見(jiàn)表2。結(jié)果表明,當(dāng)料液比為1:8時(shí),飲料感官評(píng)價(jià)較高。當(dāng)刺玫果添加量減少時(shí),氣味、色澤和口感得分均有所減少。隨著刺玫果添加量的增加,飲料的氣味和色澤加重,但口感評(píng)價(jià)有所降低。

探究方案：增設(shè)熟雞蛋清+雙縮脲試劑，與2 號(hào)試管對(duì)比。

學(xué)生在實(shí)驗(yàn)課上探究以上內(nèi)容。

探究結(jié)果：煮熟的雞蛋清能與雙縮脲試劑產(chǎn)生紫色反應(yīng)，如圖4 所示。

圖4 左：熟雞蛋清+雙縮脲試劑右：生雞蛋清+雙縮脲試劑

探究活動(dòng)3

根據(jù)給定材料，設(shè)計(jì)或自選研究課題，寫(xiě)出實(shí)驗(yàn)思路開(kāi)展探究。

探究問(wèn)題：比較不同種類(lèi)牛奶中蛋白質(zhì)含量。

探究方案：取等體積的兩種牛奶（純牛奶和優(yōu)酸奶），分別加入等體積的雙縮脲試劑，對(duì)比觀察反應(yīng)后出現(xiàn)的紫色深淺。

發(fā)現(xiàn)問(wèn)題：兩試管中紫色深淺接近（如圖5），無(wú)法據(jù)此判斷蛋白質(zhì)含量的多少。

圖5

改進(jìn)方案及結(jié)果：利用尿蛋白檢測(cè)試紙進(jìn)行檢測(cè)對(duì)比，發(fā)現(xiàn)純牛奶中蛋白質(zhì)含量高于優(yōu)酸奶，結(jié)果如圖6。

雖然無(wú)法確認(rèn)本例中譯員提供的建議究竟是客觀存在的文化差異還是譯員個(gè)人的看法，但是這種調(diào)解策略實(shí)際上違法了中立的原則，是譯員應(yīng)該避免的。

圖6

3.5 教學(xué)評(píng)價(jià)與反思

本次實(shí)驗(yàn)課中學(xué)生積極性高，自帶實(shí)驗(yàn)材料，自主提出問(wèn)題，通過(guò)設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)自主探究，打破了以往教師講實(shí)驗(yàn)，學(xué)生跟著做實(shí)驗(yàn)的傳統(tǒng)模式。實(shí)驗(yàn)教學(xué)中教師應(yīng)該把課堂“還給”學(xué)生，關(guān)注學(xué)生提出的問(wèn)題，多給學(xué)生展示的平臺(tái)，哪怕是“敗筆”，通過(guò)教師正確引導(dǎo)也能“生花”。實(shí)驗(yàn)教學(xué)要注重學(xué)生理性思維的培養(yǎng)，注重科學(xué)探究能力的培養(yǎng)，注重理論知識(shí)與生活實(shí)踐的聯(lián)系，注重多學(xué)科的交融，將學(xué)科核心素養(yǎng)落實(shí)到實(shí)驗(yàn)教學(xué)中。

STEM 教育理念下高中生物實(shí)驗(yàn)的探究式教學(xué)模式已初步構(gòu)建，并已面向筆者所在學(xué)校2019 級(jí)學(xué)生開(kāi)展教學(xué)實(shí)踐。教學(xué)過(guò)程中，學(xué)生能自主或者合作進(jìn)行探究式實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)，充分調(diào)動(dòng)了學(xué)生的積極性和參與度，很好地掌握實(shí)驗(yàn)原理并能做到遷移應(yīng)用，學(xué)生的理性思維和科學(xué)探究能力得到了充分的發(fā)展。由此可見(jiàn)，從學(xué)生發(fā)展方面來(lái)看，該模式的教學(xué)已初步獲得成效，大大增加了教學(xué)的可行性。在下一階段，筆者將結(jié)合STEM 教育元素豐富探究式教學(xué)模式，開(kāi)展更多的教學(xué)實(shí)踐，來(lái)修正和完善STEM 教育理念下高中生物實(shí)驗(yàn)的探究式教學(xué)模式。