初中生物學“眼與視覺”STEM項目教學嘗試

徐 婷 （南京外國語學校河西初級中學 江蘇南京 210019）

“教育應培養什么樣的人？ ”是教育領域乃至社會各界不斷追問的永恒主題。2014年，教育部提出的核心素養體系直接指向對這一問題的回答：中國學生核心素養以文化基礎、自主發展、社會參與3 個方面構成總框架，旨在培養全面發展的社會主義建設者和接班人，完成“立德樹人”的教育任務。其中，生物學學科核心素養包括：生命觀念、科學探究、科學思維、社會責任4 個方面。這4 個方面并不是簡單的組合，而是學生在富有現實意義的情境學習中，通過自主學習、探究學習、合作學習等方式習得的綜合素養。

初中生物學STEM 項目教學是將STEM 教育融于生物學教學，運用數學（mathematics）、科學（science）的知識解決真實情境中的實際問題，基于工程（engineering）知識的運用、技術（technology）的使用達成任務目標，從而有效提高學生的生物學學科核心素養，達到培養全面發展人才的根本目的。

本文以初中生物學7年級下冊“眼與視覺”的教學為例，闡述如何進行基于核心素養培養的STEM 項目教學。

1 圍繞生物學核心概念，開展跨學科STEM 項目教學

“眼與視覺”是蘇教版生物學7年級下冊“人體感知信息”中第2 課時的內容。學生需要認識眼球的基本結構及功能，并在此基礎上了解視覺形成的過程、近視成因和矯正等知識，從而形成愛護眼睛的意識，養成良好的用眼習慣。但教材中有關眼球結構的教學主要是依據示意圖及文字描述，并不能激發學生的感性認識；7年級學生尚未學習凸透鏡成像的相關知識，這對于他們理解視覺的形成、近視成因及矯正有一定的難度。

近視是本節內容的重、難點。在近期全國普查中發現，中國近視患者已達6 億，其中兒童青少年近視率位居全球第一。青少年學生有必要了解眼睛的基本結構、近視的成因等知識，并積極防治近視。在此背景下，筆者以“眼與視覺”內容為例，設計了STEM 項目教學［1］。

1.1 以核心概念為基礎，進行深度學習 在日常生活中，與眼球、視力、近視相關的知識很多。教師在備課過程中應重視學科核心概念，引導學生對核心概念進行深入學習。在本節課中，筆者首先與學生圍繞核心概念，采用頭腦風暴的形式，啟迪思維，梳理了項目活動的探究主題（圖1）。

圖1 以核心概念為載體設計項目活動

在實際教學中，以核心概念為載體設計項目活動主題，并以項目活動的進行為明線，以學生核心知識、能力的發展為暗線，以近視這一常見、具體的情境為切入點，為學生的分組、活動策劃與探究等項目活動打下基礎。

1.2 以項目實踐為載體，親歷探究過程

1.2.1 組織課程內容，制定指導計劃 確定了項目主題后，為保證項目活動的有效性，教師需要基于課程內容及課時安排等情況，進一步設計、規劃學生的探究活動。學生的項目活動根據需要可貫穿課前、課上及延伸至課外。在備課過程中，為學生做好規劃是實現項目教學有序、高效進行的必要保證（圖2）。

圖2 根據項目主題規劃學生探究活動

1.2.2 組建學習小組，開展項目探究

1）組建小組：學習小組的組建采用課前同組學生完成一項任務，課上每組選1 人組成新的學習項目研究小組，該小組也繼續完成課后探究的方式；同時遵守組間異質、組內同質的小組分組原則（表1）。

表1 小組分組方式及項目學習分配

2）項目探究：各小組分配到項目任務后進行探究活動。教師在活動中要及時提供學習資料或進行相關技術指導，促進學生利用各種資源，多渠道獲取信息并解決問題。

3）成果展示與評價：各組完成項目活動后，以不同形式展示研究過程及成果（圖3～圖6），并進行多元化的評價。例如，引導學生對項目活動過程進行反思，以自制眼球模型項目活動為例：你在制作模型中用到哪些材料？ 你制作的模型有何創新亮點？遇到了什么問題？是如何解決的？你覺得這個模型還有哪些地方可改進？ 通過小組間的經驗交流促進學生對探究過程進行反思。此外，還可從小組實踐表現、作品制作成果及展示、小組合作學習等方面進行綜合性評價。理學知識；而與物理學教師的交流中發現，學生在8年級學習物理學時，僅記得近視成因的結論，能回答其原因的學生寥寥無幾。如何解決此問題？ 筆者進行了基于生物學科的跨學科項目教學的嘗試［2］。

圖3 課前項目活動——自制眼球模型

圖4 課前項目活動——全校近視人數及成因等調查

圖5 課前項目活動——調查視覺相關眼部疾病

圖6 課后項目活動——采訪醫院專家及宣傳視頻拍攝

1.3 以跨學科STEM 學習為核心，實現學科融通 學生在學習“眼與視覺”時，并不了解相關的物

1.3.1 尋找知識融合的焦點 經過梳理，生物學內容包括眼球的結構、視覺的形成、近視的成因及矯正、保護視力的方法等；物理學內容包括凸透鏡與凹透鏡、焦點和焦距、凸透鏡成像的規律、視力的缺陷與矯正、光線會聚和發散等。基于生物科學的跨學科項目教學，首先應以生物學科知識為核心知識，以生物學科教學目標作為核心目標而重點關注，在此原則下，筆者將以下內容進行知識點的融合（表2），并在生物學課上淡化焦點、焦距等內容。

表2 “眼與視覺”一節中生物學與物理學知識點融合焦點

1.3.2 關注學科方法的融合 眼睛是學生比較熟悉的器官，但晶狀體如何成像？晶狀體凸度變化對視力有何影響？ 這些抽象的知識加大了學生理解的難度，而物理學中“探究凸透鏡成像的規律”實驗，正好可彌補此缺憾。為引導學生主動構建視覺形成、近視成因及矯正等知識，筆者在本節課結合模型開展了STEM 項目教學。

1）利用光具探究視覺的形成及調節。

實驗器材：光具，4 組凸度不同的凸透鏡。

實驗指導：①思考光具中的凸透鏡和光屏，相當于眼球中的什么結構？ ②保證凸透鏡和光屏位置不變，調節物體距離，直到光屏上呈現清晰物像（圖7A、圖7C）；③觀察清晰物像的特點，并記錄此時物體與“晶狀體”之間的距離（圖7B、圖7D）；④比較每組距離是否相同，思考原因。

圖7 利用光具探究視覺的形成及調節實驗

通過以上實驗，學生首先通過類比，將眼球結構與物理模型搭建聯系，同時通過實驗認識到在視網膜上呈現倒立的物像，再經過大腦處理后成為正立的像。其次，學生在比較數據時發現，每組物像清晰時記錄的數據并不相同，這是為什么？通過小組之間進一步探究，他們推測出因為凸透鏡的凸度不同，影響了看清物體的距離。這就是正常人眼的晶狀體在睫狀肌的調節下改變凸度大小，使人能看清楚遠、近處物體的原因。

2）利用光具探究近視的成因及矯正。

實驗材料：光具，凸透鏡、凹透鏡等。

探究實驗：①提出問題：近視是由于什么原因造成的？②作出假設：近視是由于晶狀體凸度變大造成的；③設計并實施實驗：看一看：換用凸度更大的凸透鏡，觀察物像變化。找一找：移動光屏，找到此時清晰物像的位置。探一探：探究還有哪些辦法可使得光屏上重新呈清晰的物像？

通過以上探究實驗，學生不僅了解到晶狀體凸度變化會影響視覺，也可通過探究發現近視矯正的方法。通過模型構建的方式進行STEM 教學，學生要經歷以下探究過程：

①模型準備：通過觀察、分析模型，建立模型與眼球的關系，并探索視覺形成的過程及特點；收集相關數據，構建“人看遠、近不同物體與晶狀體凸度變化關系”的數學模型。

②模型假設：通過理性分析，結合模型提出假設：“晶狀體凸度變大會引起近視”。

③模型構建：利用模型構建近視形成的原因，并嘗試構建近視眼矯正的模型。

④模型檢驗與應用：通過遠視眼的形成與矯正的類比探究，檢驗構建的模型；并進一步討論模型在研究其他眼部疾病中的使用。

2 結語

本節課結合模型開展了STEM 教學，通過完成項目探究的方式培養學生動手實驗能力。學生首先要理解生物學相關科學知識（science），并在此基礎上搭建模型（engineering），在探究過程中處理不同數據、分析數據并進行假設（mathematics），還需要嘗試各種方法探究如何矯正近視，同時進一步利用模型探究其他眼部疾病成因（technology）。在項目活動探究過程中，科學、技術、工程和數學有機結合，使學生在實踐中探究、學習跨學科核心知識，有效提高了科學探究素養。學生在收集、分析、交流數據的過程中，有效提升了科學思維的能力；在調查眼部疾病、身邊近視人數及原因、采訪醫院專家及拍攝宣傳短片等多種基于社會與生活實際的項目活動中，踐行生命觀念、增強了社會責任意識。

STEM 課程的教學目標是引導學生親歷STEM實踐活動過程，并逐步形成正確的價值觀、必備品格和關鍵能力。STEM 素養包含了知識的融通與應用、設計與創新、文化體驗與認同、科學態度與責任擔當等。這個培養目標和素養與生物學學科核心素養中提出的培養學生的生命觀念、科學探究、科學思維、社會責任等必備品格和關鍵能力的目標不謀而合。生物學作為典型的科學課程，教師在教育教學中應積極嘗試圍繞生物學核心概念、運用STEM 理論的項目教學研究。