基于STEM教育理念的高中生物教學實踐模式探究

李首智

(遼陽市第一高級中學 遼寧遼陽 111000)

科學課程教育，注重運用科學的教育模式及教學手段，核心導向在于提升學生科學思維、創新意識、實踐能力以及科學素養等。STEM教育理念緣起于20世紀80年代美國，誕生之理念旨在提升青少年創新能力與實踐能力的教育教學有效性[1]。其教學課程重點培養四點：科學素養、技術素養、工程素養、數學素養。強調將科學、技術、工程、數學等有機融合，運用跨學科的綜合知識及手段解決現實問題。該理念與生物課程教學相結合，可可促進學生從單一的書面知識理解的初級學習思維，轉變為知識與技能同行培養的創新創效的學習思維模式及習慣，有助于培養其獨立思考能力、邏輯思維轉化能力以及實踐能力等[2]。本文以高中生物教學為主題，基于前人學者研究基礎，分析STEM理念應用于教學工作中的實踐模式，如下：

一、基于現實而創設真實問題情境，激發學生積極性

STEM教育理念以項目課程為核心內容，強調從學生生活遇到的現實問題出發而促使學生從實際案例中深入學習理論知識并將其實踐運用。教學過程中，教師應充分了解各個學生的學習特點、知識水平以及認知能力，構建良好的教學情境，以鍛煉學生學會在生活中挖掘問題、判斷問題、分析問題以及解決問題，以培養學生獨立思考能力、邏輯思維轉化能力以及實踐動手能力。例如分析環境因素對光合作用強度的影響，以培育養蟹田中的黑藻而言，黑藻是養蟹田的首選水草，將其種植于蟹田亦屬于生態養蟹的新技術。常言道“蟹大小或蟹多少全得看水草。”可以說養好蟹的前提即必須提升黑藻產量。因此基于課本內容，從如何提高產量的視角出發，引導學生進入研究情境，同時利用信息化手段播放光合作用的動畫視頻，結合實際例子促使學生更切實、淺顯易懂的理解光合作用的實際應用原理及過程，最后可提出相關任務：如要求學生根據課本知識及觀看視頻的講解，分析影響光合作用強度的各種因素。

相比于單純講解課本內容，以實際例子出發并結合動態視頻講解，并結合任務引導，有助于學生更高效益理解知識并知悉其在現實生活中的實踐應用，對培養學生邏輯思維轉化能力及理論知識實踐應用能力具有一定積極作用。

二、短視頻演示作參考，規范實驗操作技術

規范標準化的實驗操作是探索科學的基礎，亦是提升生物教學的重要保障[3]。以“酵母細胞固定化”這一節實驗課程為例，實驗操作往往可有效激發學生參與積極性，該例子實驗現象也較為明顯、操作過程充滿趣味，但該課程部分技術操作也存在一定難度，如要求在40min內完成實驗，對于學生而言也并非易事。對于實操活動來說，演示實驗操作步驟盡管直觀可視化，但可見深度不明顯，可控性亦存在局限性。如《酵母細胞固定化》這一課，筆者聯合其他教師及實驗員將其整個過程拆解化展現給學生，包括“酵母細胞活化、海藻酸鈉加熱融化(小火分階段式加熱)、固定化酵母細胞(設置注射器推射的距離及角度)、凝膠珠顏色與形狀以及彈性檢驗、觀察分析固定化酵母細胞發酵的葡萄糖溶液(聞酒味方法、氣泡產生觀察法)”等，將各關鍵環節的操作步驟拍成短視頻，為學生提供便捷的學習形式。作為理科學科的生物課程，具有微觀性、復雜性、多樣性等特點，開展實驗教學中，相較于抽象化而操作難度較大的演示性實驗而言，以短視頻觀看為主再行實操為輔可為學生創設更直觀、簡易的實驗氛圍，優勢在于打破時空限制，且將抽象化的問題直觀化、繁雜的問題簡明化，的“微”視頻替代抽象、操作要求高的演示實驗，能為學生創造更加直觀真實的實驗氛圍，將抽象問題直觀化、煩瑣問題簡單化，有助于提升實驗活動的可見度及可控性，且短視頻具有反復觀看的特點，可幫助學生更快打破實驗操作的困境。此外其通過更直觀仔細的觀察、體會及感受，有利于在實驗活動中進一步規范技術操作，提升技術素養[4]。

三、多視角即時性糾錯，提升工程素養

Stem教育理念中中強調融合工程素養進行學習，旨在力爭提升課堂所傳授知識內容應用于現實生活的實踐性，促進學生在復雜而具有現實價值意義的情境中展開學習，以更有效培養其批判性思考能力及邏輯思維轉化能力。

再如上文提及“酵母細胞固定化”這一課，短視頻中針對海藻酸鈉稱取量及操作步驟等有細致講解，學生也在實驗前觀看數次，但實際操作中仍發現有部分學生在“操作順序、攪拌方式、溶化程度、加熱方式、混合時間、注射頻率”等幾大關鍵事項方面產生一系列問題，如有學生攪拌速度過慢，致使海藻酸鈉融化過程中殘留部分于燒杯壁，直接影響結果精確性。對于實操性錯誤，事后反省糾正往往實效性不高，因而每當出現差錯筆者即暫停活動，指導學生挖掘錯誤成因，并讓其與其他成員協作思考如何分析解決之法。在如此互評交流、反思糾正的基礎上，教師可再同步播放關鍵操作步驟的即時短視頻，要求認真觀看，以“參考糾錯、細致探錯、靈活用錯、積極改錯”而解決實驗操作困境，以科學的工程素養開展實踐操作，并反復實驗形成可靠結果，力爭發揮在開展重復工程實踐活動中的“新工科”潛能及適應性。而教師若有效掌握且開發利用好學生實驗活動的錯誤集錦，對培養學生批判性思維、自省總結能力亦可起到有效輔助，有利于全方位鍛煉學生工程素養，培養其切實、可靠、實際的科學態度及精神。

四、多學科融合，培養數學多樣化運用能力

STEM教育教學理念強調將科學、技術、工程、數學等有機融合，運用跨學科的綜合知識及手段解決現實問題，以做帶學，強化其動腦與動手能力，同時也有助于提升其豐富的感性認知，以培養其知識總結能力。數學知識作為生物研究的必備工具之一，可分析描述、計算及推導生物研究項目，以定性到定量而更全方位、深入化地認識化學變化及其規律，有助于將把生物問題轉化為數學問題而高效解決。

例如“花生果實大小的變異”，研究內容主要包括花生取樣、測定果實長軸長度、數據記錄與整理、繪制曲線圖等。“花生取樣主要實行隨機取樣，數量＞30粒；測定果實長軸長度即考驗測量技能；將所采集的數據繪制為曲線圖，則涉及坐標軸知識”等等諸如此類活動的實踐過程中直接涉及數學知識，對提升學生問題分析能力、推導歸納能力以及解決能力等均可起到積極作用。再如制作生態瓶，學生需核算各種動物、植物每日的呼吸活動所需的氧氣量及各種植物每日光合作用可產生的氧氣量；而若要促使生態瓶中不同植物可產生充分維持動物及自身安全存貨的氧氣量，則同時還需核算植物與動物的體積比例或重量比等，這對數學的融合運用即提出高要求，亦與上述所言培養學生問題分析能力及解決能力等存在同質性。而如此教學通過積極融合各個學科的知識，進一步豐富課堂教學內容，促進學生充分認識到各種知識的相連特性與科學規律，實現其科學素養的有效培養。

五、結束語

STEM教育理念以實踐能力培養為核心導向，將知識問題化且再將問題項目化，積極培養學生科學觀的理性思維、實踐應用能力、團隊協作意識，有效打破傳統生物教學存在的知識運用形式呆板、實踐應用效果不佳等困境。其強調學生實踐操作，亦同時與現階段教育界及學術界強調多專多能的實踐型人才需求相對應，對于新工科背景下的科技理工型、創新型人才培養具有重要顯示意義。從大環境來看，越來越多的研究者與一線教師逐步將STEM教育理念融入至實踐課堂教學中，但對于STEM教育的高中生物及相關課程的教育應用，主要體現在北京、上海、江蘇等教育發達的地區，STEM教育理念的普及性應用以及更高效益的應用形式、策略等研究仍任重而道遠。