基于STEM理念的初中生物學(xué)單元教學(xué)的研究

摘 要：本文以“體內(nèi)物質(zhì)的動(dòng)態(tài)平衡”一節(jié)內(nèi)容為例，基于STEM教育理念，探討初中生物學(xué)單元教學(xué)的開(kāi)發(fā)與研究，通過(guò)在真實(shí)情境下設(shè)置工程學(xué)問(wèn)題，促進(jìn)科學(xué)探究與工程制作的有機(jī)融合，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)學(xué)生的深度學(xué)習(xí)，提升其生物學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)。

關(guān)鍵詞：STEM理念；單元教學(xué)；生物學(xué)教學(xué)

文章編號(hào)：1003-7586（2024）08-0016-03 中圖分類(lèi)號(hào)：G633.91 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

1 初中科學(xué)STEM案例開(kāi)發(fā)的走向

浙教版義務(wù)教育教科書(shū)《科學(xué)》率先融入STEM理念并積極探索STEM教育實(shí)踐路徑。根據(jù)在STEM理念下指導(dǎo)的學(xué)生學(xué)習(xí)成果，可分為顯性的物化成果和隱性的知識(shí)內(nèi)化兩種教學(xué)取向。具體而言，以作品開(kāi)發(fā)為導(dǎo)向的STEM教育，其目標(biāo)是形成物化成果，注重拓展課程；以科學(xué)探究為導(dǎo)向的STEM教育，其目標(biāo)是獲得多元知識(shí)和技能，側(cè)重基礎(chǔ)課程。［1］

經(jīng)實(shí)踐驗(yàn)證，科學(xué)探究取向在基礎(chǔ)教育領(lǐng)域

實(shí)施具有較高的可行性，兼具培養(yǎng)科學(xué)探究素養(yǎng)與獲得跨學(xué)科知識(shí)的功能，特別是其具有工程學(xué)與科學(xué)的整合特征，對(duì)于增強(qiáng)學(xué)生解決真實(shí)情境中問(wèn)題的能力成效卓越。然而，我國(guó)初中生物學(xué)教學(xué)領(lǐng)域?qū)Υ朔矫娴难芯可写娌蛔恪Ｒ虼耍绾卧谡n堂教學(xué)中正確引入STEM理念，已成為當(dāng)前基礎(chǔ)教育教學(xué)改革中具有重要價(jià)值的議題。［2］

2 基于STEM理念的單元學(xué)習(xí)構(gòu)想

目前，學(xué)科教材的編撰通常按照知識(shí)塊的線(xiàn)形分布進(jìn)行安排，教師在實(shí)際教學(xué)時(shí)往往按部就班地依照教科書(shū)順序進(jìn)行教學(xué)，很少深入理解學(xué)科教材編寫(xiě)的真正意圖。本文從單元構(gòu)想的視角出發(fā)，整合科學(xué)、技術(shù)、工程學(xué)和數(shù)學(xué)領(lǐng)域，以工程學(xué)和科學(xué)實(shí)踐為基礎(chǔ)，以問(wèn)題為導(dǎo)向進(jìn)行單元教學(xué)設(shè)計(jì)，幫助學(xué)生在深入理解學(xué)科核心概念的同時(shí)，構(gòu)建起核心概念與具體知識(shí)之間的關(guān)聯(lián)，從而將原本分散的學(xué)科知識(shí)整合為系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)體系，實(shí)現(xiàn)知識(shí)的遷移和運(yùn)用。

依據(jù)逆向設(shè)計(jì)理論，教師可從預(yù)期成果出發(fā)，探究如何構(gòu)建基于STEM理念的單元教學(xué)路徑（見(jiàn)圖1）。該路徑遵循結(jié)果導(dǎo)向的原則，首先確立單元學(xué)習(xí)目標(biāo)，創(chuàng)設(shè)單元學(xué)習(xí)情境，注重科學(xué)探究取向。其次，從學(xué)生的學(xué)習(xí)需求出發(fā)，教師確定“分析教材”和“整合資料”的優(yōu)先順序，梳理出適合單元核心的STEM學(xué)習(xí)課例。最后，教師再通過(guò)教學(xué)實(shí)踐設(shè)計(jì)相關(guān)教學(xué)活動(dòng)，驗(yàn)證并確保單元教學(xué)的可行性，并不斷改進(jìn)完善，形成切實(shí)可行的教學(xué)課例。相較于課時(shí)教學(xué)，單元教學(xué)有利于學(xué)生對(duì)核心知識(shí)進(jìn)行深入探討，從而促進(jìn)其對(duì)相關(guān)概念的深度理解。

本文以浙教版義務(wù)教育教科書(shū)《科學(xué)·九年級(jí)·上冊(cè)》第4章第5節(jié)“體內(nèi)物質(zhì)的動(dòng)態(tài)平衡”為例，設(shè)計(jì)單元教學(xué)框架表（見(jiàn)表1）。

3 基于STEM理念的單元設(shè)計(jì)實(shí)踐與反思

3.1 基于STEM理念的“物質(zhì)的動(dòng)態(tài)平衡”教學(xué)實(shí)施

3.1.1 新課導(dǎo)入

教師展示尿毒癥病人的采訪視頻和相關(guān)病例數(shù)據(jù)報(bào)道，提出問(wèn)題：你了解尿毒癥嗎？如果你是工程師，能否設(shè)計(jì)人工腎代替人體腎臟完成產(chǎn)生尿液、排出代謝產(chǎn)生的廢物和過(guò)多的水分等功能。

設(shè)計(jì)意圖：逆向設(shè)計(jì)先明確學(xué)習(xí)的預(yù)期結(jié)果——設(shè)計(jì)人工腎，為達(dá)成預(yù)期結(jié)果限定評(píng)價(jià)指標(biāo)，并指明教學(xué)設(shè)計(jì)方向。

3.1.2 初步認(rèn)識(shí)腎臟

教師展示腎臟結(jié)構(gòu)圖并提出問(wèn)題：腎臟內(nèi)的三根管腔分別有什么作用？為什么含有廢物的血液進(jìn)入腎臟后被凈化了？

教師接著展示豬腎臟實(shí)物并引導(dǎo)學(xué)生觀察腎臟的外形特征。學(xué)生觀察到其外形與人體腎臟類(lèi)似，并且有三根明顯的管腔進(jìn)出腎臟。教師引導(dǎo)學(xué)生用放大鏡觀察管腔及其內(nèi)容物，并揭曉這三根管腔分別是動(dòng)脈、靜脈和輸尿管。教師引導(dǎo)學(xué)生依據(jù)腎臟功能推測(cè)其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)并繪制內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖。最后教師帶領(lǐng)學(xué)生解剖豬腎臟并優(yōu)化結(jié)構(gòu)圖。

設(shè)計(jì)意圖：學(xué)生通過(guò)觀察獲得直觀的體驗(yàn)，分析討論產(chǎn)生新的問(wèn)題，進(jìn)而引發(fā)主動(dòng)學(xué)習(xí)的意愿，為后續(xù)教學(xué)開(kāi)展高效探究活動(dòng)奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

3.1.3 真實(shí)問(wèn)題驅(qū)動(dòng)——背景知識(shí)學(xué)習(xí)

教師接著提出問(wèn)題：這樣的結(jié)構(gòu)是否印證了之前的猜想？腎臟具備哪些結(jié)構(gòu)使其能夠高效地凈化血液？教師制作腎實(shí)質(zhì)臨時(shí)裝片并指導(dǎo)學(xué)生使用顯微鏡進(jìn)行觀察。

教師展示腎小球和腎小管的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，根據(jù)尿檢成分表引導(dǎo)學(xué)生分析腎單位結(jié)構(gòu)圖，并歸納得出腎單位是腎臟結(jié)構(gòu)和功能的基本單位。教師進(jìn)一步引導(dǎo)學(xué)生綜合以上信息總結(jié)出腎小球的濾過(guò)作用，并從中推導(dǎo)出腎小管具有重吸收功能。

設(shè)計(jì)意圖：教師引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)一步尋找證據(jù)支持猜想，樹(shù)立學(xué)生的證據(jù)意識(shí)，培養(yǎng)科學(xué)態(tài)度，訓(xùn)練科學(xué)思維。由于腎單位結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，需要通過(guò)模型加深認(rèn)知，著重突出核心概念的自主構(gòu)建。

3.1.4 工程問(wèn)題解決——初步設(shè)計(jì)人工腎

教師指導(dǎo)學(xué)生設(shè)計(jì)人工腎代替人體腎臟完成產(chǎn)生尿液、排出代謝產(chǎn)生的廢物。針對(duì)這部分教學(xué)設(shè)計(jì)，教師需要提醒學(xué)生注意以下幾點(diǎn)：①需要考慮血液溫度變化的影響；②思考如何解決高效過(guò)濾代謝廢物的問(wèn)題；③思考如何解決血液在裝置內(nèi)流動(dòng)的動(dòng)力問(wèn)題；④思考如何解決高效過(guò)濾導(dǎo)致鹽分和糖的流失問(wèn)題。教師引導(dǎo)學(xué)生依據(jù)腎臟結(jié)構(gòu)和功能推測(cè)初步設(shè)計(jì)人工腎的主要結(jié)構(gòu)。

設(shè)計(jì)意圖：教師引導(dǎo)學(xué)生依據(jù)腎臟結(jié)構(gòu)和功能的關(guān)系，從工程學(xué)視角解決實(shí)際問(wèn)題，并強(qiáng)調(diào)人工腎功能的影響因素，為后續(xù)工程學(xué)問(wèn)題的優(yōu)化完善提供指導(dǎo)方向，從而高效培養(yǎng)學(xué)生的探究實(shí)踐能力，引發(fā)其深度學(xué)習(xí)，并提升其遷移應(yīng)用能力。

3.1.5 工程問(wèn)題迭代——完成設(shè)計(jì)人工腎

教師提出問(wèn)題：人工腎缺少腎小管結(jié)構(gòu)，該如何解決鹽分和糖的流失問(wèn)題？教師展示醫(yī)院腎衰竭患者血液凈化時(shí)人工腎工作的場(chǎng)景，并引導(dǎo)學(xué)生從工程學(xué)和技術(shù)角度進(jìn)一步完善人工腎的功能，從跨學(xué)科視野解決綜合問(wèn)題，引發(fā)學(xué)生的科學(xué)思維。

設(shè)計(jì)意圖：教師引導(dǎo)學(xué)生根據(jù)“氣體分子從高濃度向低濃度擴(kuò)散，根毛細(xì)胞吸水從低濃度向高濃度”，聯(lián)想到從濃度這一因素，思考解決問(wèn)題的辦法。促進(jìn)學(xué)生的高階思維能力發(fā)展，體會(huì)跨學(xué)科知識(shí)的運(yùn)用。

3.1.6 教學(xué)小結(jié)

本節(jié)課教學(xué)設(shè)計(jì)圍繞核心問(wèn)題——設(shè)計(jì)人工腎，體現(xiàn)了思維培養(yǎng)為先的教學(xué)理念。

教師通過(guò)設(shè)置大量的學(xué)生活動(dòng)，旨在培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)探究、模型構(gòu)建、科學(xué)觀念、科學(xué)思維等核心素養(yǎng)，同時(shí)通過(guò)對(duì)未來(lái)科技的展望進(jìn)一步激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)和探索的興趣。

3.2 實(shí)踐反思

本教學(xué)課例充分將STEM教學(xué)理念有機(jī)融入到初中生物學(xué)教學(xué)。教師從單元視角重新設(shè)計(jì)教學(xué)，借助真實(shí)情境引出的工程學(xué)問(wèn)題，使學(xué)生在解決問(wèn)題過(guò)程中獲得模型構(gòu)建、概念獲取、知識(shí)運(yùn)用等高階思維能力的不斷鍛煉與提升。在教學(xué)設(shè)計(jì)中，教師以人工腎為核心問(wèn)題，將人體腎臟的結(jié)構(gòu)和功能的概念教學(xué)與人工腎的實(shí)踐設(shè)計(jì)有機(jī)結(jié)合，有利于學(xué)生在知識(shí)應(yīng)用和創(chuàng)造性設(shè)計(jì)的過(guò)程中，實(shí)現(xiàn)對(duì)知識(shí)的整體構(gòu)建和遷移運(yùn)用。

4 總結(jié)

本文立足于實(shí)際教學(xué)情境，針對(duì)當(dāng)前教學(xué)過(guò)程中所面臨的現(xiàn)實(shí)問(wèn)題，提供了詳盡的單元教學(xué)策略與設(shè)計(jì)模型。以STEM教育理念為基礎(chǔ)的單元教學(xué)設(shè)計(jì)，給課堂帶來(lái)教和學(xué)兩方面的改變：第一，使教學(xué)不再拘泥于教材排布，實(shí)現(xiàn)“照搬教材”到“使用教材”的實(shí)質(zhì)轉(zhuǎn)變；第二，使學(xué)習(xí)更有目的性和意義，充分體現(xiàn)“做中學(xué)”“用中學(xué)”到“創(chuàng)中學(xué)”。實(shí)踐課例開(kāi)發(fā)對(duì)教師提出更高要求，本文以具體案例作為情境，展示單元教學(xué)設(shè)計(jì)的實(shí)踐過(guò)程，旨在突破傳統(tǒng)課堂教學(xué)的框架，探尋提升學(xué)生學(xué)科核心素養(yǎng)的教學(xué)新模式。

參考文獻(xiàn)

［1］夏莉穎，鐘柏昌.試論STEM教育的兩種取向與四種方法［J］.中小學(xué)數(shù)字化教學(xué)，2018（9）：8-11.

［2］格蘭特·威金斯，杰伊·麥克泰.理解為先模式單元教學(xué)設(shè)計(jì)指南（一）［M］.盛群力譯.福州：福建教育出版社，2018.