基于STEM教育理念的初中生物教學設計與實踐研究——以包頭市第四十六中學為例

內蒙古科技大學包頭師范學院 趙 艷 高 穎 劉雅萍*

目前，我國的初中生物課堂普遍存在一些問題，主要表現為以教師教授知識為主，學生過分被動；蘊含在生物學科中的理性思維、探究等科學方法沒有得到學生的重視等等。在這樣的環境下，學生學習的主動性很難發揮出來，思維沒有得到很好的拓展延伸。為解決這些教學問題，我國引入STEM教育，并將其應用于生物教學中。STEM教育是有機融合了Science（科學）、Technology（技術）、Engineering（工程）和Mathematics（數學）四門課程的綜合性教育。在此過程中，學生需要運用平時學到的多門學科的知識，自己動手操作。學生不僅可以獲得科學知識，還可以習得工程設計以及一些技術的操作方法，以此提高學生各方面的綜合素質。

一、緒論

（一）研究綜述

自STEM教育被提出以后，很多國家紛紛開展了STEM教育。各個國家開展STEM教育的初衷都是為了國家的發展，但在具體落實STEM教育的過程中，各國又結合自身的實際情況采取了不同的政策與措施。例如，英國在STEM教育中加大了資金的投入，以便更多的學生可以參與其中。同時為了使學生熱衷于STEM教育的學習，政府特別鼓勵開發STEM活動和項目。1998年，日本由于實施了“寬松教育”政策，學生學業成績有些下滑。因此，日本加強了STEM教育。芬蘭是一個特別具有創新精神的國家。20世紀90年代，芬蘭提出了LUMA（芬蘭語自然學科和數學的縮寫）項目。這個計劃的目的是促進國家科學教育水平的發展，主要通過改進傳統教學實踐的方式來提高學生對創新和技術的興趣。

我國對于STEM教育的研究相對來說開始得晚一些，但發展速度比較快，研究成果非常具有實用價值。我國學者朱學彥、楊明全等人分別在不同時期對STEM教育進行了研究。朱學彥等闡述了STEM戰略在美國的發展和組織保障，由此認為STEM教育可以促進科技人力的發展。2011年，楊明全介紹和分析了二戰后美國重要的教育改革。最近的一次并且比較重大的教育改革就是STEM教育。該文章詳細闡述了當前美國中小學STEM教育體系，對中國小學科學教育啟發很大。

綜上，美國、英國等西方發達國家對STEM教育的研究比較超前并且均強調發揮學生的主體性，有利于培養創新型人才。從STEM教育引入中國至今，我國對于STEM教育的研究內容比較多，但大多數比較寬泛，不夠深入聚焦，在教學設計方面的內容比較薄弱。因此，我們要繼續深入研究STEM教育，使其形成一個完整的體系。

（二）研究目的及意義

本研究旨在通過梳理國內外STEM教育文獻，結合初中生物學教材，進行基于STEM教育理念的初中生物課程的設計，希望能夠有效地促進STEM教育理念與初中生物課程的融合，并針對所設計的課程進行實踐研究，提升學生的學習興趣，同時也期望此研究能夠有助于初中生物教師做好以STEM教育為核心的課程設計，進一步貼近新課改所提倡的“核心素養”這一主題。

本研究利用課程論、教育學原理與教育心理學的相關原理，呈現了完整的STEM教育理念下初中生物課程的設計與實施方案。通過該課程的實施，提高了學生的STEM素養水平，增加了學生對生物學科的學習興趣。教師通過對課程理論的學習、教學內容的編寫與組織，增加了專業素養，提高了課程理論水平，鍛煉了教學能力。

（三）研究方法

本研究采用文獻研究法、案例分析法和問卷調查法。通過查閱有關文獻，了解STEM教育的研究現狀，熟悉STEM教育的教學模式，結合實習學校的實際情況，有機融入STEM教育理念進行教學設計，并將其實施。課后收集學生的學習心得獲得課程反饋，反饋內容主要包括對開展STEM課程的體驗。

二、理論基礎

（一）建構主義理論

建構主義認為，學生在學習新知識前，就已經具備了一些經驗，教師要在此基礎上，找到新舊知識的連接點，從而幫助學生建構出新的知識。建構主義的學生觀強調學生在日常學習生活中已經形成了豐富的經驗，因此教師在備課時，特別是在學情分析方面，一是要找到學生原有知識經驗中有利于教學的內容，并將它充分利用起來；二是要糾正學生原有經驗中的一些不正確的認識，以便學生順利且準確地對新知識進行建構。教學活動的設計應該是相互聯系的，不浪費學生有效學習的每一分鐘。

（二）探究學習理論

探究性學習是一種通過探究來引導學生獲得真正的知識和人格發展的教育。探究性學習無固定的教學模式，總的來說，就是分三步：明確問題、深入探究、得出結論。探究學習的過程需要學生主動地參與其中，在動手操作的過程中獲得科學知識，這些知識是認識自然的基礎，有了良好的基礎，學生就更有興趣更積極地對未知世界進行探索。

三、基于STEM教育理念的初中生物教學案例設計與實踐

（一）課程目標的分析與確立

撰寫基于STEM教育理念的初中生物教學案例的課程目標時，筆者參照了我國《義務教育生物學課程標準（2011年版）》的要求。

根據要培養的學生的綜合素養，結合人教版生物學八年級下冊第七單元第二章第四節的具體內容制定三維教學目標。具體目標如下。

1.知識目標：（1）通過觀察男、女成對染色體排序圖，能夠辨別性染色體；（2）通過制作染色體模型，描述染色體、DNA和基因的關系；（3）通過實施模擬實驗，闡明生男生女機會均等的原因。

2.能力目標：（1）通過區分X、Y染色體，能夠正確書寫遺傳圖解；（2）通過參與模擬實驗，發展合作和交流的精神；（3）通過計算性別比，鍛煉計算能力。

3.情感與價值目標：（1）通過學習人的性別取決于哪種類型的精子與卵細胞結合，用科學的態度看待生育的問題，摒棄重男輕女的不良風氣；（2）通過聯系性別比例失調的潛在危害，理解國家制定相關政策的原因，認同國家相關規定。

（二）課程內容的選擇與組織

在人教版生物學八年級下冊第七單元和第八單元中，利用STEM要素分析，對生物學內容進行選擇，結合內容選擇與組織的科學性、邏輯性原則，最后決定本研究采用第七單元第二章第四節“人的性別遺傳”的內容。性別是一種特殊的性狀，學生對此有一種神秘感，由此產生強烈的好奇心，并且具有濃厚興趣。本節內容可以滿足學生對于性別決定和性別遺傳知識的需求。生命延續的奧秘就是親子代間遺傳信息的傳遞。遺傳信息在傳遞的過程中會發生復雜的變化，使親子代之間產生一些差異，致使物種在穩定的基礎上進化。

（三）課程活動的設計

為了將STEM教育的各個元素與教材內容有機結合，設計了三個教學環節。第一個教學環節是在男女染色體的差別板塊設計了制作染色體模型的活動。制作染色體模型所用到的材料是超輕黏土。活動的要求是學生小組合作，制作出來的染色體模型要能夠正確反映基因、DNA、染色體之間的關系。這部分內容雖然簡單，但是由于染色體的微觀性，學生不能直觀地理解三者之間的關系，往往靠死記硬背記住三者之間的關系。因此，本研究設計了“制作染色體模型”作為第一個科學活動，通過制作染色體模型將微觀的染色體結構具體地表現出來，將復雜的知識簡單化，同時學生通過對這一問題的思考，深化了對染色體結構的認識。這個科學活動是以制作模型為任務，注重鍛煉學生的動手操作能力，通過完成模型制作任務深化對科學知識的理解，不僅是科學與技術的相互滲透，還是對工程設計思維形成的促進過程。

第二個教學環節是模擬實驗，用黑白棋子分別表示精子與卵細胞來演示它們的隨機結合。教師提出問題：如何重新制定模擬實驗？任務要求學生采用容易獲得的材料來設計實驗用具，設計出來的實驗用具要保證實驗的科學性。首先，三位學生在教師的引導下完成教材上的模擬實驗；然后教師組織學生設計并完成實驗用具的制作；最后學生展示作品，討論實驗用具的合理性與科學性。這個科學活動是以制定模擬實驗為任務，注重鍛煉學生的動手操作能力，通過完成模擬實驗制定任務深化對重要概念的理解，不僅是技術與工程的相互滲透，還是對創造性思維形成的促進過程。

第三個環節是計算性別比活動。關于性別比的問題，如果教師直接告訴學生男女人口的比例，有違教師的引導教學。因此，教師依次給出了包頭市、內蒙古自治區、中國的男女人口數，請同學們計算性別比，同時展示相關數據的圖表，并講解了與生男生女機會均等相同原理的統計概率、數學概率以及大數法則等數學知識。這個科學活動是以計算性別比為任務，注重鍛煉學生的計算能力，通過完成性別比計算任務深化對科學知識的理解，不僅是學習內容與學生實際生活的相互滲透，還是對跨學科整合性思維形成的促進過程。

（四）教學實踐

授課對象為包頭市第四十六中學八年級1、2、3、4班的學生。在課程結束后，收集了學生們的學習心得，了解學生對本節課程的真實感受。

四、結論與展望

（一）研究結果

基于STEM教育理念的初中生物學教學效果良好。開放式問卷設置了兩道題目：（1）在STEM課程上提高了哪些方面的能力？（2）對開展STEM課程的認識。

根據問卷中第一個問題的調查結果，得出的結論如下。

1.STEM教學可以提高學生學習的積極性。調查問卷反映，STEM課程的課堂內容豐富，學生反應積極，師生互動良好。86%的學生在問卷中提到“提高了學習的積極性”。

2.STEM教學可以鍛煉學生的動手能力和團隊合作意識。本次STEM課程實踐以小組合作的形式進行,所有活動都由學生自己動手實踐，小組內成員分工明確，完成方案的設計后，學生進行匯報，并交流討論。在反饋中，73%的學生表示通過動手實踐加強了對知識的掌握，并且協作能力也得到了提升。

3.STEM教學可以促進對知識的深入理解和有意義的建構。84%的同學認為STEM課堂教學促進了對知識的深入理解和有意義結構。如，有學生提到感受到了知識與知識之間的聯系，加深了對于染色體、DNA和基因三者關系的理解，以及想起模擬實驗就想到男女比例為1：1等。

根據問卷中第二個問題的調查結果，得出的結論如下。

1.學生中以STEM課堂代替傳統課堂教學的意愿很高。81%的同學愿意以STEM課堂教學課代替傳統的課程安排；15%的同學沒有提到自己是否愿意以STEM課堂教學課代替傳統的課程安排；只有4%的同學不愿意替換課堂教學方式。

2.學生對開展STEM教育的體驗良好，尤其是平時上課注意力不集中的學生。有一位同學提到，自己作為“學渣”竟然一整節課都能學下來，中途也沒有搞小動作或者做一些與學習無關的事情。還有一部分同學表示，這樣的課堂增強了師生之間的互動，學生的學習意愿比較強烈，上課時的專注力更高。

（二）研究不足

本研究對八年級下冊可開發STEM教學案例的內容進行了篩選，僅詳細設計并實踐了1個STEM教學案例，初中階段還有許多內容資源有待整合和發掘。本次研究設計的STEM課程較為基礎，各學科的融合應用還不夠深入。若把活動中心放在完成一個具體作品上，或許能更貼近融合運用多學科知識的本質。

受研究時間的限制，對于學生動手能力、思維能力等方面的目標缺乏衡量標準。未能大范圍、長期地實施，所以無法武斷地肯定STEM教育在中學實施的實際效果。

（三）研究展望

近年來STEM教育已成為我國的教育熱點，國內有關STEM教育的研究主題越來越廣泛，并且對同一主題研究得越來越深入。基于STEM理念的教學實踐活動會得到持續的推進。筆者對STEM教育的發展做出如下展望。

第一，構建STEM課程體系，合理安排課時。筆者經過本研究的實踐后發現，基于STEM教育理念的教學案例實施起來比較耗時。若沒有完善的STEM課程體系的安排，直接在普通課程中穿插STEM教學案例，會嚴重擠壓傳統課程的課時安排。

第二，加強STEM課程資源開發與利用。組建專業的STEM課程資源開發團隊，結合多門學科教師的經驗與智慧，不斷進行教學實踐，對課程資源進行完善和更新。

第三，建立健全STEM教師培養體系。單科教師準備和實施STEM教育的工作量極大，為應對STEM教育在中學推廣出現的教師缺口，提高STEM課程開展效率，高校應加強對專業STEM綜合教師的培養，或是需要為一線教師提供豐富的培訓資源與項目，通過培訓完成轉化。