基于STEM教育理念的高中生物學教學實踐研究

[中圖分類號] G633.91 [文獻標識碼] A[文章編號] 1674-6058（2025）26-0070-04

STEM是科學（Science）技術（Technology）、工程（Engineering）數學（Mathematics）四個英文單詞的首字母縮寫。STEM教育理念以問題為導向，強調將科學、技術、工程與數學多學科有機融合，注重通過跨學科實踐學習培養學生的綜合能力[1]。傳統高中生物學教學多側重于知識傳授，對學生綜合能力的培養相對薄弱。在STEM教育理念的指引下，學生需整合跨學科知識與技能以解決現實中的復雜問題，這種學習模式有助于學生構建全面且系統的知識體系。同時，借助STEM教育，學生能夠逐步提升解決復雜問題的能力、創新實踐能力，并培養批判性思維。

一、高中生物學教學與STEM教育理念融合的契機

《普通高中生物學課程標準（2017年版2020年修訂）》指出，生物學課程要求學生主動地參與學習，在親歷提出問題、獲取信息、尋找證據、檢驗假設、發現規律等過程中習得生物學知識，養成科學思維習慣，形成積極的科學態度，發展終身學習及創新實踐能力[2]。這一要求與STEM教育理念高度契合，為高中生物學教學與STEM教育理念的融合提供了明確的依據。

從學科屬性來看，生物學內容涵蓋廣泛，不僅與化學、物理等自然科學緊密關聯，還與數學、信息技術等學科深度交叉，這與STEM教育強調的跨學科整合理念不謀而合；從學科特質來看，生物學是一門注重實踐的學科，其諸多概念與原理需通過實驗驗證和具象化理解，這與STEM教育倡導的“實踐中學習\"理念一脈相承。

“探究酵母菌細胞呼吸的方式”作為細胞呼吸原理及應用學習的核心內容，既與細胞內物質和能量的變化直接相關，又緊密聯系生產生活實際，是融合STEM教育理念的理想載體。一方面，該內容的實踐性與STEM教育的實踐導向高度契合，如通過設置有氧與無氧條件下的探究實驗，可引導學生親歷科學探究全過程，助力科學思維、科學探究等學科核心素養的培育；另一方面，該內容是跨學科整合的典型范例，探究過程中需運用化學知識檢測細胞呼吸產物、運用物理知識分析能量轉化、運用數學知識處理實驗數據等（具體內容見表1）。這種多學科知識的綜合應用正是STEM教育所強調的，旨在培養學生的真實問題解決能力。

表1本項目涉及的跨學科內容明細

二、STEM教育理念下的高中生物學教學實踐

下面以人教版（2019年版）高中生物學必修1第五章第三節中的\"探究酵母菌細胞呼吸的方式”為例，探尋融合STEM教育理念的教學實踐策略。

（一）教學要素分析

酵母菌細胞呼吸方式的探究不僅涵蓋核心生物學知識，還與化學、物理、數學等多學科知識緊密關聯。教學中融入化學知識，可幫助學生深度理解酶促反應機理；滲透物理知識，有助于學生把握細胞呼吸中的物質變化與能量守恒規律，進而強化物質與能量觀；運用數學知識（如通過坐標曲線圖描述呼吸速率與環境因素的關系、采用統計方法分析實驗數據），能夠培養學生對生物學問題的定量分析能力。

在教育價值層面，本節課程以酵母菌細胞呼吸方式的探究為載體，深度踐行STEM教育理念，引導學生關注生物科學、技術、社會與環境的內在聯系。通過探究酵母菌細胞呼吸的機理，學生能夠實現知識與生活實際的聯結，提升實踐創新能力，掌握真實情境下復雜問題的解決方法，并增強對社會事務的關注和參與意識。

（二）教學實施過程

基于上述教學要素分析，現將融合STEM教育理念的高中生物學教學實施路徑總結如下（如圖1）。

1.開展研究性學習活動

國務院辦公廳印發的《關于新時代推進普通高中育人方式改革的指導意見》明確提出，要拓寬綜合實踐渠道，充分發揮科研機構、現代企業等資源的重要育人作用，帶領學生深人生產生活一線參觀學習[3]?；诖?，教師設計了研究性學習導學單，課前組織學生前往當地酒廠進行參觀：在發酵車間，邀請發酵工程師講解釀酒原理以及菌種培養、發酵條件控制等核心流程，介紹發酵設備的工作原理和應用技術，幫助學生直觀認識實際生產中的發酵工藝；在質檢車間，了解酒質檢測指標與方法，使學生認識到科學技術在產品質量控制中的重要性。通過該研究性學習活動，學生得以將課本理論與生產實踐相結合，拓寬視野，提升實踐應用能力。

設計意圖：通過開展研究性學習活動，實現理論知識與生產實踐的深度融合，從而強化學生對知識的理解與掌握。

2.創設情境，提出問題

有效的教學情境是連接學生新舊知識的重要紐帶，能夠引導學生主動探索并發現生物學相關實際問題，進而促進生物學觀念的提煉和引發深度思考。我國酒文化源遠流長，品類眾多的酒不僅豐富了人們的飲食生活，更蘊含著豐富的生物學原理。為激發學生的學習興趣和探究欲望，課堂教學中，教師創設酒文化相關教學情境并提出問題：“日常生活中，人們常品嘗到各式美酒。釀酒時需將谷物與酵母菌裝入發酵罐后蓋嚴，此過程中酵母菌進行的是有氧呼吸還是無氧呼吸？其呼吸產物是什么？”

設計意圖：釀酒情境緊扣生物學核心知識，且與學生日常生活經驗密切相關，可有效激發學生的好奇心與求知欲。

3.開展實驗，獲取證據

教師指導學生開展酵母菌細胞呼吸方式探究實驗時，首先介紹實驗原理：酵母菌作為單細胞真菌，在有氧與無氧條件下均能生存，是研究細胞不同呼吸方式的理想材料[4]。隨后，引導學生基于前述問題構建假設：酵母菌在有氧和無氧條件下均可進行細胞呼吸，且可能產生 CO₂ 、酒精等代謝產物。接著，提供實驗器材與試劑，引導學生結合酒廠研學經驗，以小組為單位合作設計實驗裝置，探究酵母菌有氧呼吸與無氧呼吸過程并驗證假設

為深化學生思考，教師還提出了系列導向性問題：如何控制實驗中的有氧與無氧條件？如何驗證產物中是否含有 CO₂ ？如何確認產物中是否含有酒精？如何比較 CO₂ 與酒精的產生量？ 10% NaOH溶液的作用是什么？如何檢測空氣中的 CO₂ 是否除凈？如何維持實驗過程中酵母菌的高活性？學生通過分組討論明確思路后，設計實驗裝置并展示設計成果，闡述自變量（有氧/無氧條件）的控制方法及因變量（酒精有無、 CO₂ 量）的檢測方案。

實驗實施階段，要求小組明確分工（如專人負責有氧/無氧呼吸裝置的組裝與操作、專人負責數據記錄）以提升效率。教師全程巡視指導，引導學生按表2如實記錄實驗結果。

表2“探究酵母菌細胞呼吸的方式\"實驗結果記錄表

設計意圖：本環節強調實驗設計的科學性與嚴謹性，學生需綜合運用生物學知識、物理與化學原理搭建實驗裝置，并借助數學方法處理分析數據。通過該環節，學生可實現多學科知識的融合應用，提升真實問題的解決能力。

4.分析結果，建構概念

教師組織各小組交流實驗結果，并針對實驗中出現的異?，F象進行分析。例如，使用酸性重鉻酸鉀檢測酒精時，有氧呼吸裝置的培養液也出現了灰綠色，教師隨即引導學生探討潛在原因：一是有氧呼吸裝置于實驗期間氧氣供應不足，導致部分酵母菌轉向無氧呼吸并產生少量酒精；二是酵母菌培養液中的葡萄糖作為還原劑，可能與重鉻酸鉀發生了氧化反應，從而出現了與酒精反應相似的顏色變化

在實驗結果分析的基礎上，教師引導學生建構細胞呼吸概念，并將此概念遷移拓展至動物、植物細胞：盡管不同細胞的呼吸產物存在差異，但細胞呼吸的本質均為分解有機物釋放能量，是細胞生命活動的動力來源。由此歸納得出：細胞呼吸是指有機物在細胞內經過一系列的氧化分解，生成二氧化碳或其他產物，釋放能量并合成ATP的過程[5]

設計意圖：通過對實驗結果進行分析與拓展遷移，幫助學生理解細胞呼吸原理，把握其本質特征，進而自主建構細胞呼吸概念。

5.建構模型，解決問題

學生掌握探究酵母菌細胞呼吸方式的實驗裝置，是理解細胞呼吸速率測定原理及細胞呼吸類型判斷方法的基礎。教學中，教師以學生設計的探究酵母菌細胞呼吸方式裝置（如圖2）為依托，巧妙設問：“該裝置能否用于細胞呼吸速率的定量測定？”通過這一問題的自然過渡，引導學生進人細胞呼吸速率測定與呼吸類型判斷裝置（如圖3）的學習環節。

圖3細胞呼吸速率測定和呼吸類型判斷裝置

在整個實驗過程中，除需嚴格控制溫度外，還需精準調控氧氣濃度。這表明溫度與氧氣濃度均對酵母菌細胞呼吸速率存在顯著影響。據此，教師提出問題：“溫度和氧氣濃度是如何分別影響酵母菌細胞呼吸的？請用數學坐標圖表示?！彪S后組織學生以小組為單位合作討論，完成任務，并進行成果交流展示。

圖4溫度對細胞呼吸速率的影響

圖5 O₂ 濃度對細胞呼吸速率的影響

通過對圖4、圖5所示數學模型的建構與分析，學生可清晰認識溫度、氧氣濃度等環境因素對細胞呼吸的作用規律。在此基礎上，教師進一步引導學生思考：“本節課知識對生活中瓜果、蔬菜、種子的貯藏有何啟示？”

設計意圖：通過模型建構與分析，幫助學生直觀理解細胞呼吸與環境因素的關系，將抽象復雜的生物學問題具體化、模型化，進而培養學生的抽象思維能力。這一設計亦是STEM教育理念在教學中的具體落地，體現了通過跨學科方法解決生物學問題的核心要求。

6.教學評價分析

從過程評價維度分析，學生在教學全過程中參與度較高，能積極投身科學原理、技術應用、工程設計及數學分析等跨學科問題的討論。他們不僅對酵母菌細胞呼吸方式的實驗探究展現出濃厚興趣，還圍繞細胞呼吸在生產生活中的實踐應用展開深度思考，且能主動應對實驗設計與操作、結果分析、概念建構及模型搭建等環節中的學習挑戰。

從結果評價維度分析，本節課緊扣學生認知邏輯組織教學內容，巧妙地將學科知識與學生已有經驗、生產生活實踐相融合。教師精心創設的教學情境，使知識習得過程自然流暢、循序漸進。通過該教學過程的實施，學生解決復雜問題的能力得到有效提升，生物學學科核心素養得到發展。

三、STEM教育理念應用的教學反思

在“探究酵母菌細胞呼吸的方式\"實驗教學中，STEM教育理念得到充分踐行，其教學價值與實踐意義顯著。

（一）STEM教育理念有利于提升學生學科核心素養

通過融合STEM教育理念的教學實踐，學生不僅能直觀理解酵母菌細胞呼吸的生物學原理，還能在研學實踐與動手實驗中錘煉科學探究能力，如觀察、記錄、分析等能力；通過物理模型構建、數學建模等活動強化科學思維；通過關聯生產實踐、解決工程應用問題深化社會責任意識，從而全面落實生物學學科核心素養培養目標。同時，借助跨學科知識的綜合運用解決復雜問題，既能提高學生的問題解決能力，又能促進其創新能力與批判性思維的發展。

（二）STEM教育理念有利于促進教師專業發展

教師在設計與實施本實驗時，需深度掌握酵母菌細胞呼吸的科學原理，引導學生運用化學方法檢測 CO₂ 與酒精等產物，通過比色法比較產物含量，甚至指導學生利用傳感器開展定量檢測；還需結合STEM教育理念創設貼近學生生活的教學情境，運用工程思維引導學生解決生產實際問題。STEM教育理念的落地要求教師具備跨學科知識與能力，這促使教師不斷更新知識結構，提升教學設計與實施水平，進而推動自身專業素養的持續發展。

［參考文獻］

[1」鄭運暢.STEM教育理念在高中生物實驗教學中的應用策略探討[J].高考，2024（18）：67-69.

[2]中華人民共和國教育部.普通高中生物學課程標準：2017年版2020年修訂[M].北京：人民教育出版社，2020.

[3］中華人民共和國中央人民政府.國務院辦公廳關于新時代推進普通高中育人方式改革的指導意見[EB/OL].（2019-06-11） [2025-01-25].https：//www.gov.cn/gongbao/content/2019/content_5404151.htm.

[4]竇向梅.“探究酵母菌細胞呼吸的方式”的實驗教學組織[J].生物學通報，2011，46（3）：20-23.

[5]朱正威，趙占良.普通高中教科書生物學必修1分子與細胞M].北京：人民教育出版社，2019.

（責任編輯 羅艷）