借助STEM項目化學習?培養生物學核心素養

周鑫

［摘要］ STEM項目以完成作品或調查報告等特定任務為目標，凸顯學生的自主探究和實踐反思能力。借助STEM項目化學習，研究以“探究Cu2+脅迫對菹草光合作用的影響”創新實驗為載體，在真實情境中進行問題導向的項目化學習，通過跨科學、多維度思考，訓練科學思維。學生設計項目并實施實驗，在科學探究的過程中獨立思考、真實體驗，并應用生物學原理與知識解決實際問題，培養社會責任與家國情懷，培養生物學學科核心素養。

［關鍵詞］ STEM教育；項目化學習；學科核心素養；創新實驗；光合作用

一、因應生命安全與健康教育的真實性項目選擇

青少年學生是祖國的未來，他們的健康和安全也是社會、學校和家庭的共同期望。而生物個體是依賴環境而存在的，自然生態的污染與破壞無疑與個體的健康、安全息息相關。《2022中國生態環境狀況公報》指出，全國農用地土壤環境狀況總體穩定，影響農用地土壤環境質量的主要污染物是重金屬。重金屬銅是組成生物體細胞的微量元素，但含量過高則會影響生物體的生命活動。人們用被銅重度污染的土地種植農作物，會對植物的生長產生影響，重金屬通過生物鏈的富集進入人體內，最終對人體產生危害。近年來，隨著冶金、化工、采礦等行業的快速發展，部分環境中重金屬污染日益增加，土壤中含銅量已超過土壤背景值的幾倍甚至幾十倍，這已經遠遠超出土壤本身的承受能力。

可見，重金屬銅污染對植物生長的影響是與社會熱點問題相關的生物學議題。人教版高中生物學必修1設置了“探究環境因素對光合作用的影響”這一實驗，通常探究的自變量是光照強度，但農業生產時光照強度是無法控制的，難以直觀地用生物學原理去解釋和改變環境。因應生命健康與安全教育的目的，選取重金屬Cu2+污染這一現實環境問題作為項目主題，引導學生基于設計思維和項目協作，綜合運用STEM多學科知識和技能，揭示重金屬Cu2+污染的危害，形成結構功能觀、穩態平衡觀等生命觀念，培養社會責任和鄉土情懷，讓高中生物學學科核心素養的培養落地生根。

二、落地生物學核心素養的項目化活動過程設計

1.滲透社會責任意識的情境項目創設

STEM教育理念強調把知識用于實際生活，結合生活中真實、有趣的問題設計學習任務，通過解決生活中的問題完成教學。本創新實驗創設真實問題情境作為教學導入：重金屬銅污染主要是由采礦排放出的廢水和廢氣、城市工業和生活污水無節制的排放等致使水質或土壤中重金屬含量增加，并造成生態環境的嚴重惡化。菹草對水體和底泥中的Cu2+有一定的吸收作用，但Cu2+含量過高則會影響菹草的生長，因此菹草的生長狀況可作為環境監測的指標。Cu2+脅迫對菹草光合作用有怎樣的影響呢？作用機理可能是什么呢？由此，引導學生關注身邊的環境，并用生物學原理和方法來研究問題。

本項目中，學生們利用課余時間查找重金屬Cu2+污染的現狀，以及重金屬Cu2+對植物可能存在的危害。教師指導學生利用周末時間，采訪與調查周邊工廠的污水排放渠道，找尋可能存在的重金屬Cu2+污染源，并觀察、拍攝水生植物的生長情況。學生們關注到要探究重金屬Cu2+脅迫對水生植物生長的影響，需確定合適的實驗材料。通過調查發現，菹草是一種河流中常見的水生植物，且研究表明菹草對水體和底泥中的Cu2+有一定吸收能力，但含量過高則會影響菹草的生長，因此確定課題為“探究Cu2+脅迫對菹草光合作用的影響”。他們查閱資料，開展小組討論，分析實驗變量，設計合理的Cu2+濃度梯度，最后確定實驗方案。

2.關聯多維核心素養的教學目標設計

關聯多維核心素養的教學目標設計是指在教學過程中，將多個學科核心素養有機地結合在一起，以培養學生的必備品格與關鍵能力。STEM項目的探究目標與關聯多維核心素養的教學目標密切相關。STEM項目探究目標包括引導學生進行真實的問題解決、實驗和項目設計、模擬建模等。這些項目探究目標大多能夠推進至各學科核心素養的縱深，也能發展學生的跨學科思維。STEM項目化學習經常會涉及其他學科領域，比如數學中的測量和數據分析、物理學中的原理和實驗設計，甚至藝術中的外觀設計。通過關聯多維核心素養的教學目標設計，學生能夠在項目實踐中獲取學科特定的知識和技能，并培養學科觀念、科學探究、科學思維、社會責任等素養。因此，為了達成多維度的教學目標，讓學生像科學家一樣思考，形成跨學科解決問題的思維習慣，設計了如表1所示的STEM項目教學目標。

3.逐層進階科學探究的學習任務延伸

逐層進階科學探究的學習任務延伸是指在掌握基礎知識和實驗技能的基礎上，通過逐步提高難度和復雜性的學習任務來拓展學生的科學探究能力。在逐層進階科學探究的學習任務延伸中，學生將面臨更具挑戰性的問題或實驗設計，需要更深入地思考、分析和解決科學問題。這種延伸任務可以包括如下四個方面：第一，選擇一個與原始實驗相關的特定方面或因素，讓學生進行更深入的研究；第二，通過設計涉及多個變量的實驗，讓學生研究它們對所選問題的影響；第三，學生可以使用計算機模型或虛擬實驗平臺來模擬所研究問題的相關過程，這種方法可以幫助學生更好地理解和預測實驗結果，并提供一種便捷、安全和高效的研究手段；第四，學生可以將學習任務延伸到實際應用領域，探索所研究的問題在現實生活中的意義和應用。

因此，從學習者特點、學習環境等因素出發設計教學過程，能使學生在完成挑戰任務的過程中，不斷提高運用工程學方法解決實際問題的能力。該STEM項目從實驗材料、觀測指標等方面進行創新，指導學生運用工程設計的方式進行實驗探究過程，同時對指標進行觀測，以期提高學生利用跨學科知識解決實際問題的能力（主要教學過程見表2）。

4.促進科學思維涵養的工程任務實踐

通過參與實際的工程任務實踐，學生將直接接觸到真實的問題，并且親身體驗科學思維的應用和實踐過程，從而加深對研究方法和科學原理的理解。同時，工程任務實踐通常涉及多個學科領域的知識和技能，這就要求學生在實踐中整合不同學科的知識，如數學、物理、化學等，以解決實際問題。這樣的綜合應用培養了學生的系統思考能力和跨學科思維能力。尤為重要的是，工程任務實踐鼓勵學生積極尋找解決問題的思路和方法。他們需要提出假設，設計實驗方案，并根據結果進行調整和改進。這樣的實踐過程培養了學生的創新能力和解決問題的能力。

詳細說來，本項目分為4大組，每組各確定一個觀測指標進行探究，具體的課題分別為“探究不同濃度Cu2+下菹草凈光合作用速率的變化”“光學顯微鏡下觀察細胞中的葉綠體”“葉綠體中的色素提取與分離”“葉綠素a、葉綠素b的定量監測”。各小組按方案中確定的實驗流程，對菹草進行Cu2+脅迫培養，并進行相關檢測，觀察記錄結果。各組根據自己的實驗結果，及時整理實驗數據。之后，教師再引導學生利用Excel軟件繪制曲線圖，分析數據，得出相應的實驗結論。最后，組內討論，利用已有的生物學知識嘗試解釋實驗結論，探究生命現象背后的生物學原理。各組分享實驗探究心得，在交流過程中體驗探究的樂趣，提高合作學習能力，通過反思實驗過程提出改進措施，訓練科學思維。

5.踐行核心素養內化的項目遷移應用

在高中生物學實驗教學中應用STEM項目化學習是教學改革的積極探索，其本質還是希望學生能將生物學知識應用于生活實際，能利用工程學的思維解決生產實踐的問題。在這個過程中，通過設計適合學科特點的學習遷移項目，促進學生深入理解知識，并將其內化為學科核心素養。一方面，項目化的遷移應用能夠幫助學生將學科核心素養轉化為具體行動，應用于學科項目的不同階段和任務；另一方面，項目遷移應用可以創造出更具互動性和合作性的學習環境，有助于學科核心素養的內化。這種協作和互動過程促使學生積極參與學科學習，相互借鑒，以培養學科交流和合作的能力。此外，項目遷移應用還為學生提供了更多自主學習的機會，讓他們不斷評估和調整自身的學習策略和方法，促進學生進一步將知識內化為學科核心素養。

對于探究Cu2+脅迫對菹草光合作用的影響，可以通過STEM項目化學習引導學生遷移設計其他探究實驗。例如，學生可以進一步配制不同濃度的Cu2+溶液，將其加入植物細胞樣本中并觀察細胞核結構的變化。通過顯微鏡觀察和圖像分析，學生可以評估Cu2+脅迫對植物細胞核形態、大小和染色質結構的影響，從而了解其在細胞水平上的作用機制。此外，學生還可以通過數據收集、數據分析和結果討論等科學探究活動，培養科學思維方法和實踐技能。總之，在實驗教學中借助STEM項目化學習，能夠使學生在理解科學原理、掌握實驗技能的同時，逐步達成“像科學家一樣思考”，培養生物學學科核心素養。

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周 鑫? ?江蘇省奔牛高級中學。