STEM理念下的高中生物實驗教學研究

張定軍

STEM 理念是提倡運用涵蓋科學、技術、工程和數學四大領域的知識，開展跨學科教育，運用多維方式引導學生思考、實踐、解題的教學理念。實驗教學是以實踐活動為主，學生利用儀器設備，在教師引導下根據實驗現象進行測定、分析，獲得知識與技能的教學方式。高中生物實驗教學，在STEM 理念下，開展跨學科實驗活動，升華了生物實驗教學，讓學生獲得良好的實驗機會，循序漸進地提升學生的實踐能力，促進學生綜合素質發展。

一、科學設計實驗目標，提高教學效率

科學的實驗目標能為學生的實驗活動提供指引，有助于提高實驗教學的效率。以STEM 理念為指導，教師根據實際教學需要，將生物實驗中的跨學科知識提煉出來，設計科學的實驗目標，輔助學生進行學習與探究，切實提高生物實驗教學效率。

以高中生物《細胞器之間的分工合作》一課的教學為例。首先，教師向學生展示他們比較熟悉的C919飛機的內部結構圖，讓學生分析科學領域知識，講述航空工程建造領域的故事。以C919 飛機作類比，引出細胞中的分工合作，利用STEM 理念建構實驗目標。然后，教師以本課實驗主題為參考，為學生設計以下實驗目標：（1）列舉自己了解的細胞器，結合細胞器功能，感受細胞器之間的協調配合；（2）根據細胞器之間的協調與配合，分析生物系統的組成以及功能；（3）根據實驗要求制作臨時裝片，嘗試用光學顯微鏡觀察葉綠體和細胞質，根據顯微鏡中的現象，分析葉綠體和細胞質流動特點；（4）秉持系統性觀念，自行分析細胞中的部分與整體劃分情況，填寫實驗報告，探究細胞器結構與功能之間存在的統一性。

實驗目標能為學生生物知識學習與實驗探究提供精確指引，有效避免學生在實驗中因為誤操作，影響實驗結果的真實性，進而提高學生的實驗效率。教師可以在教學中講科學故事，滲透生物學家鍥而不舍的研究精神，讓學生進一步體會生物知識在不同領域中的應用。最后，教師圍繞“差速離心法”在不同領域中的應用，指導學生用高倍顯微鏡觀察葉綠體和細胞質的流動情況，以科學的實驗目標為指引，提高學生的實驗操作效率，取得良好的教學成果。

二、視頻演示實驗步驟，降低操作難度

生物實驗現象具有抽象性特點，對學生的思維能力要求較高。教師利用視頻展示實驗的重要步驟，讓學生關注視頻中的實驗操作過程，能讓學生根據實驗現象和關鍵提示，明確實驗操作步驟，有效降低實驗操作難度。教師應在新課導入環節播放視頻，演示跨學科實驗步驟，提煉重點難點生物知識，以STEM理念為指導，開展高效的生物實驗教學。

以高中生物《孟德爾的豌豆雜交實驗（一）》一課的教學為例。首先，教師以“遺傳現象”視頻為新課導入手段，讓學生通過觀看視頻分析融合遺傳的觀點，提示學生對遺傳實例進行分析，激發學生對多個遺傳因子控制生物性狀的現象產生研究興趣。然后，教師引導學生觀看“性狀分離比實驗”視頻，按照視頻提示做實驗：（1）在A、B 兩個紙箱中（不透明）放入兩種顏色（各10個）的乒乓球；（2）均勻搖動兩個紙箱，讓箱子內的乒乓球充分混合；（3）隨機從兩個紙箱內抽取一個乒乓球組合在一起，記錄顏色組合；（4）將抽到的乒乓球放回原來的紙箱內，繼續搖勻；（5）重復“（3）”和“（4）”各30次以上，用表格記錄實驗結果。

通過對照視頻做實驗，學生能初步了解孟德爾的相對性狀雜交實驗及分離定律，通過建構性狀分離比實驗模型，體驗生物學家在遺傳實驗研究中使用的科學方法。教師根據學生的實驗結果，聯系其他領域的“性狀分離比實驗”，緊密結合遺傳現象，運用分離定律進行解釋，讓學生理解建立實驗模型，是科學研究的一種有效方法，點燃學生的學習興趣。最后，教師鼓勵學生參考視頻演示中的實驗步驟，自行設計有關性狀分離比的實驗方案，有效降低操作難度，鼓勵學生體驗用數學方法統計實驗結果的科學性，深化學生生物知識的學習理解。

三、緊密聯系生活知識，拓寬實驗路徑

生物與學生的生活聯系密切，以STEM 理念為依據，構筑生活化實驗教學新樣態，能拓寬教學路徑，滿足學生的多樣化知識學習需求。教師要選擇能引發學生共鳴的生活元素，開展生活化實驗教學，融合生物與其他領域的知識，緊密聯系生活講解生物原理，開展跨學科教育，拓寬生物實驗教學的路徑。

以高中生物《植物生長調節劑的應用》一課的教學為例。教師首先從葡萄種植、加工入手，引導學生分析施用人工合成的植物激素類果蔬的生長情況。然后，教師緊密聯系生活實際，引導學生分析植物生長調節劑在科學、技術等領域的應用。鑒于生長素類調節劑處理插條的方法很多，教師可選擇一種比較簡單的方法——沾蘸法，指引學生按照以下步驟進行實驗：（1）將插條基部在濃度較高的藥液中進行沾蘸（約保持五秒左右），深度保持在液面以下1.5cm即可；（2）參考生活中常見植物體內天然生長素的含量，查找資料，分析濃度梯度的設計依據（如不清楚，可以先設計一組梯度相對較大的預實驗，在此基礎上進行完善，讓實驗更加合理）；（3）分析不同濃度藥物的影響，控制無關變量，保持處理時間一致；（4）同組實驗所用植物材料，保持條件相同；（5）根據實驗結果分析可作為因變量的檢測指標。

最后，教師總結生活中人工合成植物激素的應用情況，緊扣學生的實驗結果，指導學生總結植物生長調劑節的優點、類型，在STEM 理念為指導的生物實驗教學中，拓寬實驗路徑，讓學生進一步討論和交流，生成合理合法使用植物生長調節劑的觀點。

四、鼓勵學生自主實驗，培養創新意識

高中生具有一定的自主學習能力，教師稍加引導，便能促進學生攻克學習難點，使學生能獨立完成實驗任務，提升創新能力。教師要在STEM 理念的指導下，引導學生關注生物知識在多領域中的應用，提出自主實驗項目問題，鼓勵學生自行探究解決問題的方法，通過實驗驗證方法的可行性，培養學生的創新意識。

以高中生物《環境因素參與調節植物的生命活動》一課的教學為例。首先，教師列舉科學、工程、技術領域環境因素對實驗活動的影響，分類討論引出光對植物生長發育的調節作用，運用STEM 理念設計生物實驗教學活動，引發學生對環境因素的關注，思考植物生命活動受環境因素的影響程度。然后，教師鼓勵學生分析問題植物根部能感受到重力并向地生長嗎？要求學生根據自己對問題的看法以及解決問題的思路，自主設計實驗驗證自己的想法，培養學生的創新意識。具體可以提示學生從以下幾個方面入手實驗：（1）用剛剛萌發的玉米粒（種子）進行實驗；（2）在培養皿中鋪上一層濕潤的棉花，將玉米粒置于其上進行培養；（3）結合階段實驗成果，分析植物根冠感受重力的情況。

最后，教師根據學生設計實驗情況進行點評，綜合分析實驗報告以及學生的結論，驗證植物根向地性部位在根冠，使學生能進一步感受環境因素影響植物的生命活動。在此實驗的基礎上，教師可以引導學生分析重力等環境因素對植物生長發育的影響，延展生物實驗教學活動，啟迪學生的創新思維，鼓勵學生在課后自主設計實驗驗證自己的想法，培養學生的創新能力。

STEM理念下的高中生物實驗教學，生成了具有生物學科特色的教學生態，對于學生的實踐素養發展和綜合素質提升有積極影響。教師要緊密聯系生活知識，立足多學科教學活動，鼓勵學生自主設計生物實驗，拓寬實驗教學的路徑，培養學生的創新思維能力。此外，教師要關注學生對不同領域知識的接受程度，隨學生的反饋以及實驗結果，變更實驗活動結構，確保STEM 理念下的實驗教學，符合學生的學習需求，提升教學效果。