基于核心素養(yǎng)培養(yǎng)的高中生物STEM項目活動開展

STEM項目活動是通過實踐探究，將科學(xué)（Science）、技術(shù)（Technology）、工程（Engineering）和數(shù)學(xué)（Mathematics）有機(jī)地整合，增強(qiáng)學(xué)生發(fā)現(xiàn)問題的意識，提高其解決問題的能力，提升團(tuán)隊合作能力，激發(fā)其科學(xué)探究能力與創(chuàng)新能力，促進(jìn)學(xué)生生物學(xué)核心素養(yǎng)的提升。STEM項目活動如何在生命觀念、理性思維、科學(xué)探究、社會責(zé)任四個維度方面得到體現(xiàn)，值得思考與探索。

以獲得第30屆廈門市青少年科技創(chuàng)新大賽項目“花生根莖水煮液對小鼠血糖的影響”活動的開展為例，從實驗探究、數(shù)據(jù)分析、假設(shè)檢驗、結(jié)果展示四個方面簡述高中生物STEM項目活動的開展。

1 實驗探究——培養(yǎng)科學(xué)探究能力

STEM項目活動關(guān)注學(xué)生的動手與實驗?zāi)芰?，在活動探究過程將科學(xué)、技術(shù)、工程和數(shù)學(xué)有機(jī)地整合，依托前期科學(xué)、規(guī)范的項目活動設(shè)計，創(chuàng)造性地完成科學(xué)探究活動，在實踐中探究、學(xué)習(xí)科學(xué)知識，認(rèn)識科學(xué)的本質(zhì)和真諦，有助于培養(yǎng)科學(xué)探究能力。

1.1 實驗準(zhǔn)備

項目預(yù)實驗的結(jié)果提供了實驗準(zhǔn)備的依據(jù)，細(xì)致的實驗準(zhǔn)備工作是順利完成實驗探究的基礎(chǔ)。

高中生物STEM項目實驗準(zhǔn)備包括：① 采集與處理生物材料，選擇和處理實驗材料，使項目研究操作方便、實驗效果明顯；② 基本設(shè)備和常用儀器用具，實驗儀器和用具能否正常使用直接關(guān)系到項目研究的成??；③ 配制化學(xué)試劑，符合實驗要求的試劑配制直接影響著實驗的結(jié)果；④ 安排實驗組與對照組，正確設(shè)置對照實驗才能消除無關(guān)變量影響，獲得科學(xué)有效實驗結(jié)果。

案例中準(zhǔn)備了動物血糖測試儀、四氧嘧啶等儀器與試劑以及體重為18～22 g的普通小鼠（雌雄兼用）。小鼠飼料主要成分配比為：標(biāo)準(zhǔn)飼料中蛋白質(zhì)21%，碳水化合物51%，脂肪3%，采用新鮮花生根莖加8倍水浸泡2 h，兩次（分別煮2 h和1h）水煮取濾液，靜置過夜再過濾，濾液加熱濃縮至500 g/500 mL。將100只重18～22 g的糖尿病模型小鼠隨機(jī)分成5個實驗組、5個對照組，每組各10只。

1.2 實驗開展

實驗的開展是整個STEM項目活動的核心環(huán)節(jié)，通過綜合運(yùn)用STEM知識探究、發(fā)現(xiàn)并解釋未知的現(xiàn)象。在活動中，學(xué)生要對出現(xiàn)的未預(yù)見的問題及時反饋與修正，對研究方案和策略進(jìn)行合理的調(diào)整，使活動盡可能往既定方向發(fā)展。實驗時，教師應(yīng)特別注意安全性，主要體現(xiàn)在儀器設(shè)備的安全與生物安全兩方面，同時還要關(guān)注操作細(xì)節(jié)、操作順序的合理性、操作標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)范性等問題，使學(xué)生在探究中充分體驗科學(xué)研究的嚴(yán)謹(jǐn)性和規(guī)范性。

本案例中首先建立了糖尿病小鼠的模型，使學(xué)生體驗?zāi)Ｐ徒?gòu)的特點與應(yīng)用：選擇100只實驗小鼠，將其隨機(jī)分組喂養(yǎng)7 d以確保其適應(yīng)性，禁食24 h后再稱重；每只小鼠從腹腔注射用pH為4.4的檸檬酸緩沖液溶解的四氧嘧啶（濃度為14 mg/mL）進(jìn)行造模（劑量為0.1 mL/10 g），空白組按等量蒸餾水注射腹腔；實驗7 d，小鼠禁食不禁水4 h后采血；測定血糖值高于11.1 mmol/L者定為造模實驗小鼠。第二階段對高血糖模型小鼠進(jìn)行實驗分組與給藥，將100只重18～22 g的糖尿病模型小鼠隨機(jī)分成5個實驗組，每組10只：空白對照組（生理鹽水）；模型對照組（生理鹽水）；花生根莖水煮液高劑量組（30 g/kg）；花生根莖水煮液中劑量組（20 g/kg）；花生根莖水煮液低劑量組（10 g/kg）。每天分別用不同劑量花生根莖水煮液，生理鹽水對兩組小鼠按每只0.2 mL灌胃，連續(xù)14 d。第二階段進(jìn)行血糖測定，由社區(qū)醫(yī)療衛(wèi)生所醫(yī)生協(xié)助取血，采用血糖儀檢測。

1.3 數(shù)據(jù)收集

數(shù)據(jù)的收集是STEM項目活動的重要環(huán)節(jié)。本環(huán)節(jié)的重點是現(xiàn)象的觀察和記錄，包括過程變化材料、定量數(shù)據(jù)的采集等。收集數(shù)據(jù)可采用直接靠感官感知觀察記錄——現(xiàn)象的定性描述、借助現(xiàn)有的儀器或設(shè)計新的儀器記錄——圖片（視頻、數(shù)值）記錄、理化方法檢測獲得的定量數(shù)據(jù)、設(shè)計特定的交互方案——綜合材料收集等方式完成數(shù)據(jù)收集工作。

案例中主要收集用花生根莖水煮液灌胃后小鼠運(yùn)動、取食、精神等變化的定性描述和取食量、體重、排泄量、血糖值等定量數(shù)據(jù)。

2 數(shù)據(jù)分析——提升理性思維水平

教師將學(xué)生利用科學(xué)的統(tǒng)計方法對收集的數(shù)據(jù)進(jìn)行整理與分析，獲取足夠的證據(jù)，可增強(qiáng)學(xué)生的數(shù)據(jù)意識，提高其數(shù)據(jù)處理能力和數(shù)據(jù)交流能力。學(xué)生通過嘗試解釋和說明待解決的問題，培養(yǎng)了嚴(yán)謹(jǐn)科學(xué)研究態(tài)度，有效地提升理性思維。

2.1 數(shù)據(jù)統(tǒng)計

學(xué)生學(xué)習(xí)和運(yùn)用科學(xué)的統(tǒng)計方法，避免統(tǒng)計數(shù)據(jù)時采用經(jīng)驗法則，學(xué)會處理原始數(shù)據(jù)與缺失數(shù)據(jù)，解決錄入或統(tǒng)計錯誤等問題，剔除無效數(shù)據(jù)，選擇有用數(shù)據(jù)，合并、整合分析有效數(shù)據(jù)。

2.2 數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換

將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成圖表形式展示研究結(jié)果是高中生必備的一項數(shù)學(xué)理性思維。

教師指導(dǎo)學(xué)生學(xué)習(xí)平均數(shù)差異檢驗、方差分析、回歸分析等原理，會利用相關(guān)系數(shù)或回歸系數(shù)描述變量間的關(guān)系，會使用散點圖、折線圖、曲線圖等闡述或推斷統(tǒng)計結(jié)果，通過圖表的使用和繪制，能清晰地展示定量和定性信息，并從圖表分析中獲得重要的發(fā)現(xiàn)。

在案例中以數(shù)學(xué)模式來展現(xiàn)，用表格來展示受試小鼠灌胃前后各組血糖值比較，可從中發(fā)現(xiàn)實驗組與對照組的顯著性差異。

2.3 模式構(gòu)建

學(xué)生通過圖表轉(zhuǎn)換，對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析推斷，嘗試尋找規(guī)律性模式，構(gòu)建出規(guī)范模型，避免過度依賴于結(jié)果的主觀預(yù)測，利于理性分析問題，也有助于科學(xué)、技術(shù)、數(shù)學(xué)、工程有機(jī)整合。學(xué)生比較數(shù)據(jù)差異性，從對比中分析可能的原因或能佐證的結(jié)論、數(shù)據(jù)如何體現(xiàn)變量間的關(guān)系，從數(shù)據(jù)提煉出問題的本質(zhì)。

通過與模型對照組比較，花生根莖水煮液低、中、高劑量組的血糖值均低于模型對照組，不過花生根莖水煮液低劑量組血糖值與模型對照組比較差異顯著，而花生根莖水煮液中、高劑量組與模型對照組比較差異顯著；從血糖差值來看，花生根莖水煮液低、中、高劑量組血糖均為負(fù)值，而且中、高劑量組的血糖差值與模型對照組比較血糖下降，差異顯著，說明花生根莖水煮液中、高劑量組均具有較好的降血糖效果。

3 假設(shè)檢驗——踐行生命觀念

學(xué)生通過數(shù)據(jù)的分析來驗證實驗假設(shè)正確與否，選擇一定的檢驗方法，明確統(tǒng)計結(jié)果對預(yù)設(shè)假設(shè)的認(rèn)可度，進(jìn)一步踐行生命觀念。

3.1 方法選擇

檢驗是為了確定研究變量間的因果關(guān)系，檢驗研究策略、研究結(jié)果的準(zhǔn)確性和可靠性，并據(jù)此對研究策略進(jìn)行調(diào)整和改進(jìn)的一種方法。研究的類型、變量的分布類型、研究目的，都決定著所選擇的檢驗方法的差異。因此確定合適的檢驗方法，并分析統(tǒng)計結(jié)果至關(guān)重要。

本案例中以SPSS統(tǒng)計軟件對樣本進(jìn)行分析，先統(tǒng)計樣本是否符合正態(tài)分布，進(jìn)而分析其顯著性差異情況，通過差異性比較獲取對結(jié)論的支撐。

3.2 假設(shè)驗證

學(xué)生要依據(jù)統(tǒng)計數(shù)據(jù)分析誤差產(chǎn)生的可能原因，進(jìn)一步明確差異的性質(zhì)，排除誤差干擾進(jìn)行排除，對假設(shè)進(jìn)行驗證，從而對個體特征做出正確的判斷，綜合歸納出本次研究結(jié)果對假設(shè)的支持度，判斷接受或是推翻假設(shè)。

3.3 價值體現(xiàn)

項目研究及結(jié)果在本領(lǐng)域或其他領(lǐng)域是否有一定的價值，其價值體現(xiàn)是否有局限性與通用性。

案例中發(fā)現(xiàn)一定濃度的花生根莖水煮液對高血糖小鼠有一定的降血糖作用。因而，天然植物對降血糖作用機(jī)理和有效成分開發(fā)值得研究。

4 結(jié)果展示——增強(qiáng)社會責(zé)任意識

STEM項目是基于社會與生活，基于活動的開展嘗試解決社會問題，通過結(jié)果的展示進(jìn)一步增強(qiáng)社會責(zé)任感。

4.1 論文撰寫

STEM項目活動論文的撰寫包括項目名稱、項目來源、完成本項目的目的、項目主題的形成、項目課題的確立、項目計劃與方案、項目實驗過程、項目實驗結(jié)果、項目實驗結(jié)論、討論等。

4.2 展示交流

通過展板、幻燈片或口頭表達(dá)方式展示STEM項目活動的內(nèi)容，具體包括：本項目是怎樣確定選題的、設(shè)計（或研究）項目的目的和基本思路、項目的研究過程（提出課題、交流討論課題的可行性、制定探究計劃、預(yù)實驗階段、正式實驗階段、論文撰寫與修改、交流與討論）、項目應(yīng)用的科學(xué)方法（科學(xué)原理）、如何控制變量原理、項目的對照原則、統(tǒng)計學(xué)方法分析數(shù)據(jù)、根據(jù)已有知識和查閱文獻(xiàn)對實驗現(xiàn)象進(jìn)行解釋、根據(jù)實驗現(xiàn)象提出假說等，本項目的主要貢獻(xiàn)（創(chuàng)新部分）、他人同類研究的情況、進(jìn)一步完善本項目的設(shè)想等。

總之，在開展“花生根莖水煮液對小鼠血糖的影響”項目活動中，通過實驗探究獲取真實數(shù)據(jù)，運(yùn)用科學(xué)、規(guī)范的統(tǒng)計分析方法對項目假設(shè)進(jìn)行檢驗，將科學(xué)、技術(shù)、工程和數(shù)學(xué)有效整合，提煉出有借鑒作用的理論，有助于高中生物核心素養(yǎng)的提升。

參考文獻(xiàn)：

石進(jìn)德.STEM教育在發(fā)展高中生物核心素養(yǎng)中的應(yīng)用[J].福建基礎(chǔ)教育研究，2016（8）：100-101.