基于核心素養(yǎng)的高中生物STEM項(xiàng)目活動(dòng)設(shè)計(jì)

石進(jìn)德

生物學(xué)科的核心素養(yǎng)包括生命觀念、科學(xué)思維、科學(xué)探究、社會(huì)責(zé)任四個(gè)方面。高中生物STEM項(xiàng)目是基于高中生物基本知識(shí)、基本技能，圍繞生物學(xué)問(wèn)題解決而開(kāi)展探究的活動(dòng)，科學(xué)、規(guī)范的STEM項(xiàng)目活動(dòng)設(shè)計(jì)是開(kāi)展STEM教育的關(guān)鍵，也是工程學(xué)的核心思想，有助于科學(xué)（Science）、技術(shù)（Technology）、工程（Engineering）和數(shù)學(xué)（Mathematics）的整合，能有效提高學(xué)生生物學(xué)核心素養(yǎng)。

下面以“花生根莖水煮液對(duì)小鼠血糖的影響”項(xiàng)目活動(dòng)為例，從主題形成、課題確立、計(jì)劃制定、方案撰寫(xiě)四個(gè)方面簡(jiǎn)述高中生物STEM項(xiàng)目活動(dòng)設(shè)計(jì)過(guò)程。

1啟迪思維，形成主題

高中生物STEM項(xiàng)目活動(dòng)究竟要研究什么？學(xué)生怎樣圍繞社會(huì)熱點(diǎn)、難點(diǎn)問(wèn)題，如何創(chuàng)新性地促使學(xué)生基于對(duì)生物學(xué)的認(rèn)識(shí)參與個(gè)人與社會(huì)事務(wù)的討論，培養(yǎng)學(xué)生的社會(huì)責(zé)任感，這些是高中生物新課程的要求，需要引發(fā)學(xué)生的發(fā)散思維及奇思妙想。

1.1發(fā)散思維，找關(guān)鍵詞

學(xué)生思維易于發(fā)散，師生圍繞社會(huì)性的大概念共同探討，聚焦、提煉出一定的關(guān)鍵詞。此過(guò)程中，學(xué)生將不斷地提取原有生活經(jīng)驗(yàn)、學(xué)習(xí)體驗(yàn)，構(gòu)思出生活中寬泛的問(wèn)題。教師引導(dǎo)學(xué)生思考與問(wèn)題關(guān)聯(lián)的生物學(xué)知識(shí)，羅列出解決此類(lèi)問(wèn)題所需了解與掌握的高中生物學(xué)知識(shí)。學(xué)生提出許多具有一定關(guān)聯(lián)性的大問(wèn)題，類(lèi)似于捕魚(yú)中的廣撒網(wǎng)，此時(shí)已有可提取的主題素材。如學(xué)生提出了有關(guān)環(huán)境污染、醫(yī)改、農(nóng)村用藥等社會(huì)問(wèn)題，聚焦了生態(tài)平衡、血糖平衡、反饋調(diào)節(jié)、高血壓等生物學(xué)知識(shí)與概念，構(gòu)建了項(xiàng)目主題素材關(guān)鍵詞。

1.2集中思維，形成中心

此階段是將網(wǎng)中的主題素材過(guò)濾，恰似將網(wǎng)中之魚(yú)進(jìn)行分門(mén)別類(lèi)。依據(jù)問(wèn)題性質(zhì)對(duì)素材分類(lèi)，將其與學(xué)生已有的知識(shí)融合。學(xué)生歸類(lèi)出以下問(wèn)題，現(xiàn)在農(nóng)村雖然政府投入全民醫(yī)保力度不斷加強(qiáng)，但在農(nóng)村（特別是邊遠(yuǎn)山區(qū)）仍存在缺醫(yī)少藥，或是采用土方法來(lái)應(yīng)對(duì)，使用過(guò)期藥物及中草藥治療糖尿病、高血壓方法等社會(huì)問(wèn)題，糖尿病、高血壓發(fā)病率伴隨著人類(lèi)生活方式的改變及社會(huì)的發(fā)展不斷遞增，而糖尿病、高血壓治療又與血糖平衡、反饋調(diào)節(jié)、糖代謝等生物學(xué)知識(shí)相關(guān)，學(xué)生通過(guò)討論，確定了以治療糖尿病、高血壓，并解決農(nóng)村農(nóng)民治病用藥、減少污染為主線的項(xiàng)目研究主題。

2聚焦核心，確立課題

核心問(wèn)題的確立，確保了學(xué)生深入的思考，活動(dòng)中采用頭腦風(fēng)暴形式，圍繞項(xiàng)目主題，將問(wèn)題分解開(kāi)。在深入了解主題后，可能會(huì)產(chǎn)生許多新的問(wèn)題，需要不斷解決問(wèn)題，教師應(yīng)尊重學(xué)生的原創(chuàng)、激發(fā)學(xué)習(xí)積極性，培養(yǎng)理性思維，鼓勵(lì)他們“異想天開(kāi)”，細(xì)化問(wèn)題的指向，尋找問(wèn)題測(cè)量指標(biāo)，聚焦問(wèn)題核心，最后確立課題。

2.1項(xiàng)目查新與背景分析

學(xué)生針對(duì)項(xiàng)目主題提出自己的各種觀點(diǎn)和看法，提出問(wèn)題。教師引導(dǎo)學(xué)生通過(guò)查閱資料，了解此問(wèn)題的研究進(jìn)程及他人的觀點(diǎn)，分析問(wèn)題的背景。在活動(dòng)中學(xué)生根據(jù)前期確立的主題，鑒于西藥降血壓、降血糖等存在的副作用，提出了諸如“蔥須配紅酒降血壓”“翻白草（俗稱(chēng)‘大雞腿）泡水喝降血糖降血壓”“蒺藜降血糖降血壓”“玉米須降血糖”等項(xiàng)目。教師引導(dǎo)學(xué)生聚焦問(wèn)題的核心：如何減少藥物的毒性及不良反應(yīng)，如何利用便捷的方式及常見(jiàn)的物品來(lái)解決降血壓、降血糖。有學(xué)生提到閩南有農(nóng)民煮新鮮的花生地下根莖并服用以此治療糖尿病，但未在網(wǎng)上搜索到有關(guān)花生根莖降血糖的研究報(bào)道。而閩南又盛產(chǎn)花生，每年農(nóng)民收完花生后，花生根莖就“毫無(wú)價(jià)值”地被丟棄在農(nóng)田里作肥料。如果通過(guò)實(shí)驗(yàn)?zāi)茯?yàn)證花生根莖確實(shí)能降低血糖，這樣既開(kāi)發(fā)出降血糖新途徑、將花生根莖變廢為寶，又能解決農(nóng)民就地用藥問(wèn)題，節(jié)約開(kāi)支，一舉兩得。

2.2選擇研究對(duì)象

依據(jù)查新結(jié)果與背景的分析思考，正確選擇研究對(duì)象有助于項(xiàng)目的研究順利開(kāi)展。學(xué)生確定了以花生根莖為實(shí)驗(yàn)藥材；以購(gòu)自廈門(mén)大學(xué)動(dòng)物醫(yī)學(xué)實(shí)驗(yàn)中心的實(shí)驗(yàn)小鼠為實(shí)驗(yàn)用藥對(duì)象。

2.3設(shè)定自變量與因變量

正確控制自變量才能引導(dǎo)正確的探究方向；清楚設(shè)定因變量方可了解項(xiàng)目探究需要測(cè)量的效果，形成切實(shí)可行的項(xiàng)目研究課題。本次活動(dòng)中設(shè)定的自變量是“不同劑量花生根莖水煮液”，因變量是“小鼠的血糖值”。理清了以上的變量關(guān)系后，最終確定了“花生根莖水煮液對(duì)小鼠血糖的影響”這一課題。

3細(xì)化方案，制定計(jì)劃

確定項(xiàng)目研究對(duì)象及變量后，必須進(jìn)一步針對(duì)實(shí)驗(yàn)條件等細(xì)化研究方案，更好地理清研究思路，初步規(guī)劃構(gòu)建研究藍(lán)圖，制訂研究計(jì)劃，明確研究目標(biāo)，依據(jù)實(shí)際情況合理地預(yù)測(cè)，嘗試調(diào)動(dòng)各類(lèi)資源，確保項(xiàng)目高效、有序地開(kāi)展。

3.1掌握科學(xué)理論

STEM項(xiàng)目活動(dòng)是科學(xué)、技術(shù)、工程和數(shù)學(xué)的有機(jī)融合，項(xiàng)目研究需要規(guī)范的科學(xué)理論，在方案的細(xì)化、制定過(guò)程中，教師需要指導(dǎo)學(xué)生學(xué)習(xí)掌握相關(guān)的理論知識(shí)，項(xiàng)目計(jì)劃中應(yīng)充分體現(xiàn)相關(guān)的理論。本案例中主要涉及的科學(xué)理論有：實(shí)驗(yàn)動(dòng)物的分組與給藥方法、糖尿病動(dòng)物模型的建立、血糖的測(cè)定方法、數(shù)據(jù)的科學(xué)分析（SPSS統(tǒng)計(jì)分析）。

3.2確定實(shí)驗(yàn)條件

科學(xué)理論能為STEM項(xiàng)目活動(dòng)技術(shù)手段、資源準(zhǔn)備提供有力的支撐，綜合分析各種研究資源和技術(shù)手段，優(yōu)化最佳實(shí)驗(yàn)條件，促使研究能有條不紊地進(jìn)行?；顒?dòng)中以腹腔注射0.1mL/10g四氧嘧啶溶液的小鼠為糖尿病小鼠模型，每天分別用不同濃度的花生根莖水煮液及生理鹽水給小鼠用藥，測(cè)定其空腹血糖、2T糖耐量（2h口服糖負(fù)荷實(shí)驗(yàn)）等，以學(xué)生家里種植的花生根莖、購(gòu)買(mǎi)的實(shí)驗(yàn)小鼠、動(dòng)物血糖測(cè)試儀等為實(shí)驗(yàn)資源。

4完善設(shè)計(jì)，撰寫(xiě)方案

完成初步的研究計(jì)劃后，師生共同探討，采用相互質(zhì)疑、互相提問(wèn)題的方式對(duì)計(jì)劃進(jìn)行修訂，補(bǔ)充、完善設(shè)計(jì)，使學(xué)生體驗(yàn)科學(xué)探究的嚴(yán)謹(jǐn)性，提高科學(xué)探究能力。

4.1確定實(shí)驗(yàn)假設(shè)

前期概念的掌握、理論的學(xué)習(xí)及初步的模型構(gòu)建，是項(xiàng)目設(shè)計(jì)的良好開(kāi)端，能為合理的實(shí)驗(yàn)假設(shè)提供明確的依據(jù)，合理的假設(shè)又是正確研究指向。學(xué)生提出了“花生根莖水煮液在一定程度上能降低糖尿病小鼠血糖”這一合理的假設(shè)，并在實(shí)驗(yàn)中得到了“花生根莖水煮液高劑量組測(cè)得的空腹血糖與生理鹽水組相比較有顯著性差異（P<0.05），花生根莖水煮液中、低劑量組與生理鹽水組相比較有顯著性差異（P<0.01）的結(jié)果”，也印證了這個(gè)假設(shè)的合理性。

4.2學(xué)習(xí)實(shí)驗(yàn)技能

STEM教育強(qiáng)調(diào)以跨學(xué)科整合的思維解決真實(shí)情境中的問(wèn)題，預(yù)實(shí)驗(yàn)前必然要提前學(xué)習(xí)和掌握項(xiàng)目設(shè)計(jì)中有關(guān)的實(shí)驗(yàn)技術(shù)、實(shí)驗(yàn)技能，完備的實(shí)驗(yàn)技術(shù)與技能促進(jìn)實(shí)驗(yàn)探究與實(shí)踐的深入，使項(xiàng)目研究更具科學(xué)性。案例中構(gòu)建糖尿病小鼠模型，將生物學(xué)知識(shí)融入工程學(xué)，培養(yǎng)了學(xué)生對(duì)科學(xué)與工程的整合能力；采用末梢全血快速血糖測(cè)定法測(cè)定血糖，對(duì)實(shí)驗(yàn)小鼠剪尾取血，應(yīng)用血糖儀檢測(cè)，提升了規(guī)范的科學(xué)與技術(shù)的整合能力；學(xué)習(xí)SPSS統(tǒng)計(jì)分析，檢驗(yàn)組間顯著性差異，充分將數(shù)學(xué)與科學(xué)、技術(shù)融合。

4.3項(xiàng)目預(yù)實(shí)驗(yàn)

為提高研究效率，STEM項(xiàng)目研究需要準(zhǔn)確的預(yù)實(shí)驗(yàn)，雖然在前期的計(jì)劃中預(yù)先確定了實(shí)驗(yàn)材料，并預(yù)見(jiàn)了實(shí)驗(yàn)過(guò)程可能出現(xiàn)的問(wèn)題，但通過(guò)預(yù)實(shí)驗(yàn)?zāi)芨_地控制無(wú)關(guān)變量，初步確定變量的大致范圍，掌握其他未預(yù)見(jiàn)的實(shí)驗(yàn)條件，進(jìn)而檢驗(yàn)實(shí)驗(yàn)方案的科學(xué)性及可行性，為后續(xù)正式實(shí)驗(yàn)提供借鑒及資源支持。

本案例中通過(guò)預(yù)實(shí)驗(yàn)確定了花生根莖取材、實(shí)驗(yàn)小鼠的性別與體重范圍、花生根莖水煮液的制備方法及劑量范圍、糖尿病小鼠造模的四氧嘧啶濃度及造模方法、花生根莖水煮液用量與用時(shí)等，使正式實(shí)驗(yàn)?zāi)馨醇榷ǖ挠?jì)劃順利完成。

預(yù)實(shí)驗(yàn)仍然可能出現(xiàn)預(yù)想不到的結(jié)果，對(duì)預(yù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果及未預(yù)見(jiàn)的實(shí)驗(yàn)條件、要求及時(shí)反思，小結(jié)。

案例中預(yù)實(shí)驗(yàn)花生根莖采自學(xué)生家中，但發(fā)現(xiàn)學(xué)生家里種植的花生也存在不同的品種，為滿(mǎn)足對(duì)照實(shí)驗(yàn)要求，選擇同一種植大戶(hù)同一片田間、同時(shí)采摘的花生根莖。對(duì)小鼠剪尾取血測(cè)定血糖，由于現(xiàn)有中學(xué)生物已不再開(kāi)展動(dòng)物見(jiàn)血實(shí)驗(yàn)，正式實(shí)驗(yàn)則請(qǐng)社區(qū)醫(yī)療所專(zhuān)業(yè)人員幫助采集血液和測(cè)定血糖，既避免實(shí)驗(yàn)過(guò)于血腥，也提高血糖檢測(cè)的科學(xué)性和準(zhǔn)確性。預(yù)實(shí)驗(yàn)中給藥方式采用將藥液拌入飼料飼喂的方式，但發(fā)現(xiàn)飼料中存在一定的殘留，影響實(shí)驗(yàn)用藥的準(zhǔn)確度，而改用灌胃方式來(lái)解決這一問(wèn)題。

4.4撰寫(xiě)最佳研究方案

在初步的研究計(jì)劃基礎(chǔ)上，補(bǔ)充完善實(shí)驗(yàn)假設(shè)，將預(yù)實(shí)驗(yàn)中出現(xiàn)的問(wèn)題及錯(cuò)誤的設(shè)想一一加以甄別，擬定科學(xué)的實(shí)驗(yàn)步驟，撰寫(xiě)最佳的研究方案，形成最終的項(xiàng)目設(shè)計(jì)。良好的設(shè)計(jì)是成功的一半，在高中生物STEM項(xiàng)目活動(dòng)中，確定可行的研究主題，完成針對(duì)性的背景研究，進(jìn)行問(wèn)題核心的聚焦、確立明晰的項(xiàng)目，細(xì)化研究方案，形成完善的研究設(shè)計(jì)，為項(xiàng)目后續(xù)研究的順利開(kāi)展奠定堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。本案例中正是有了前期這些詳盡的準(zhǔn)備工作，在后期研究中通過(guò)實(shí)驗(yàn)組與對(duì)照組數(shù)據(jù)分析，發(fā)現(xiàn)了花生根莖水煮液低劑量組血糖值與模型對(duì)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(duì)照組比較差異顯著；說(shuō)明花生根莖水煮液中、高劑量組均具有較好的降血糖效果，得出了一定濃度的花生根莖水煮液能在一定程度上降低高血糖小鼠的血糖的結(jié)論。

總之，引導(dǎo)學(xué)生圍繞“花生根莖水煮液對(duì)小鼠血糖的影響”活動(dòng)開(kāi)展科學(xué)、規(guī)范的STEM項(xiàng)目活動(dòng)設(shè)計(jì)，有助于科學(xué)、技術(shù)、工程和數(shù)學(xué)的整合，學(xué)生將所學(xué)的反饋調(diào)節(jié)、胰島素調(diào)節(jié)血糖平衡、穩(wěn)態(tài)等知識(shí)，運(yùn)用到花生根莖水煮液降低血糖，創(chuàng)新性解決農(nóng)村糖尿病用藥的問(wèn)題中，在活動(dòng)中培養(yǎng)創(chuàng)新思維，提高實(shí)踐能力，提高學(xué)科綜合能力，有效地提升學(xué)生的核心素養(yǎng)。