淺析STEM教育與生物實(shí)驗(yàn)教學(xué)的有機(jī)融合

江偉 宛子

摘 要：本文從加強(qiáng)STEM教育緊迫性的認(rèn)識(shí)以及STEM教育在我國的推進(jìn)與發(fā)展兩個(gè)視角，提出STEM教育理念與生物實(shí)驗(yàn)教學(xué)的有機(jī)融合迫在眉睫，同時(shí)也強(qiáng)調(diào)了加快推動(dòng)中國STEM教育的研究與實(shí)踐。

關(guān)鍵詞：STEM 生物教學(xué) 實(shí)驗(yàn)教學(xué) 融合

長期以來人們把生物實(shí)驗(yàn)分成兩種基本形式，一種是演示性實(shí)驗(yàn)，一種是學(xué)生分組實(shí)驗(yàn)，演示性實(shí)驗(yàn)著重培養(yǎng)學(xué)生的觀察能力，分組實(shí)驗(yàn)利于培養(yǎng)學(xué)生的操作技能以及如何驗(yàn)證生物學(xué)原理。這樣的指導(dǎo)思想和教學(xué)目標(biāo)決定了我們生物學(xué)科實(shí)驗(yàn)的性質(zhì)和基本教學(xué)方式。新《生物課程標(biāo)準(zhǔn)》并沒有排斥和否定演示實(shí)驗(yàn)、隨堂實(shí)驗(yàn)、學(xué)生分組實(shí)驗(yàn)等這些基本結(jié)構(gòu)。反而更加強(qiáng)調(diào)“倡導(dǎo)探究性學(xué)習(xí)，力圖改變學(xué)生的學(xué)習(xí)方式，引導(dǎo)學(xué)生主動(dòng)參與、樂于探究、勤于動(dòng)手、突出創(chuàng)新精神和實(shí)踐能力的培養(yǎng)”。而現(xiàn)在的 STEM教學(xué)理念正是體現(xiàn)生物實(shí)驗(yàn)教學(xué)以及培養(yǎng)學(xué)生理性思維的嶄新理念。

一、STEM 教育的起源

STEM 是科學(xué)、技術(shù)、工程和數(shù)學(xué)四門學(xué)科的簡稱，它分別用Science（科學(xué)）、Technology（技術(shù)）、Engineering（工程）、Mathematics（數(shù)學(xué)）的首字母來表示。國際技術(shù)和工程教育協(xié)會(huì)（ ITEEA） 將 STEM 定義為整合了科學(xué)、技術(shù)、工程和數(shù)學(xué)四大要素的新興跨學(xué)科課程，強(qiáng)調(diào)多學(xué)科的交叉融合。

二、我國的STEM教育現(xiàn)狀

近幾年，STEM教育在我國快速興起。但我國STEM教育還剛剛起步，目前我國的課程建設(shè)、教育標(biāo)準(zhǔn)與評(píng)估機(jī)制等方面還很不成熟，不同專家對(duì)STEM教育的理解、解讀也千差萬別。STEM教育的推進(jìn)還有賴于系統(tǒng)的頂層設(shè)計(jì)，有賴于跨部門的協(xié)作和全社會(huì)的參與，有賴于科學(xué)有效的研究引領(lǐng)和廣泛深入的實(shí)踐探索。廣大教師對(duì)STEM教育的認(rèn)識(shí)還不夠深入，有待于進(jìn)一步深化，這應(yīng)該與教師缺乏對(duì)STEM教育系統(tǒng)的學(xué)習(xí)及缺乏STEM教育具體的實(shí)踐等有關(guān)，教師還非常缺乏STEM教育方面的培訓(xùn)。鑒于此，2017年初，教育部印發(fā)《義務(wù)教育小學(xué)科學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)》，明確建議教師在教學(xué)實(shí)踐中嘗試STEM教育。2017年10月印發(fā)的《中小學(xué)綜合實(shí)踐活動(dòng)課程指導(dǎo)綱要》也明確地將創(chuàng)意物化能力培養(yǎng)作為課程目標(biāo)，推薦了體驗(yàn)物聯(lián)網(wǎng)、用計(jì)算機(jī)做科學(xué)實(shí)驗(yàn)、開源機(jī)器人初體驗(yàn)等活動(dòng)主題，引導(dǎo)中小學(xué)開展STEM教育。2018年1月新頒布的普通高中課程標(biāo)準(zhǔn)中，很多學(xué)科也都明確滲透或倡導(dǎo)了STEM教育思想。

三、我國STEM 教育與生物實(shí)驗(yàn)教學(xué)

21世紀(jì)是知識(shí)與經(jīng)濟(jì)全球化的時(shí)代，科技創(chuàng)新的作用愈加凸顯。在教育領(lǐng)域，對(duì)創(chuàng)新型、綜合型人才的培養(yǎng)需求與日俱增、迫在眉睫。為此，我國出臺(tái)了2017年版《普通高中生物學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)》，新課程標(biāo)準(zhǔn)把培養(yǎng)學(xué)生的核心素養(yǎng)作為目標(biāo);現(xiàn)行的生物學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)滿足“面向全體學(xué)生”、“提高生物科學(xué)素養(yǎng)”、“倡導(dǎo)探究性學(xué)習(xí)”、“注重與現(xiàn)實(shí)生活的聯(lián)系”等原有課程理念，同時(shí)加強(qiáng)了原有“三維目標(biāo)”的融合，綜合性提升，關(guān)注范圍更加廣泛。為了達(dá)成這樣的教學(xué)目標(biāo)，在教學(xué)過程方面我們要更加重視學(xué)生的實(shí)踐經(jīng)歷。重實(shí)踐就是強(qiáng)調(diào)學(xué)生學(xué)習(xí)過程是主動(dòng)參與的過程。而生物學(xué)科是一門以實(shí)驗(yàn)教學(xué)為基礎(chǔ)的學(xué)科，生物學(xué)的很多結(jié)論是通過實(shí)驗(yàn)得出的。為了加深學(xué)生對(duì)生物概念的理解和提升對(duì)知識(shí)的應(yīng)用能力，就要適當(dāng)?shù)膶⒖鐚W(xué)科知識(shí)運(yùn)用到實(shí)踐活動(dòng)中去，而STEM教育的興起正是為解決這個(gè)問題而生。因此，將STEM教育理念與生物實(shí)驗(yàn)教學(xué)有機(jī)融合迫在眉睫。

把STEM教育融合在生物實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，能充分激發(fā)學(xué)生對(duì)生物學(xué)科的學(xué)習(xí)欲望，同時(shí)能對(duì)學(xué)生的探究能力、邏輯思維能力、生物學(xué)科素養(yǎng)以及理性思維等能力的培養(yǎng)打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

STEM 教育滲透生物實(shí)驗(yàn)教學(xué)案例1：水果電池

生物學(xué)知識(shí)：

（1）細(xì)胞中的水

結(jié)合水：與細(xì)胞內(nèi)的其他物質(zhì)相結(jié)合

自由水：以游離的形式存在，可以自由流動(dòng)

（2）細(xì)胞中的無機(jī)鹽

陽離子：Na+、K+、Ca+、Mg2+、Fe2+、Fe3+

陰離子：Cl-、SO42-、PO43-、HCO3-

原理：

（1）水果中的酸性液體相當(dāng)于電解質(zhì)溶液，由于銅和鋅（鎂）的金屬活性不同，其中較活潑的金屬鋅（鎂）能置換出酸性液體中的氫離子——鋅電極上的鋅單質(zhì)脫去電子形成鋅離子，進(jìn)入酸性液體中;脫去的電子通過導(dǎo)線流到銅電極，與酸性溶液中的氫離子結(jié)合，形成氫氣分子。

（2）導(dǎo)線中的電流驅(qū)動(dòng)發(fā)光二極管工作。

材料用具：

蘋果、檸檬、西紅柿等新鮮多汁的水果，可樂、1.5V堿性干電池2節(jié)、1.5V螺口小電珠、大頭針、銅片若干、鋅片若干、導(dǎo)線若干、水杯、鱷魚夾線、發(fā)光二極管、數(shù)字時(shí)鐘。

效果實(shí)圖：

STEM 教育滲透生物實(shí)驗(yàn)教學(xué)案例2：奇特的眼睛

生物學(xué)知識(shí)：瞳孔，是動(dòng)物或人眼睛內(nèi)虹膜中心的小圓孔，為光線進(jìn)入眼睛的通道。虹膜上瞳孔括約肌的收縮可以使瞳孔縮小，瞳孔開大肌的收縮使瞳孔散大，瞳孔的開大與縮小控制進(jìn)入瞳孔的光量。

原理：虹膜呈圓盤狀，中央有瞳孔，位于角膜和晶狀體之間;顏色因含色素的多少和分布而異（中國人：棕色）;含兩種平滑肌纖維;瞳孔開大肌，收縮時(shí)瞳孔開大;瞳孔括約肌，收編時(shí)使瞳孔縮小。

材料用具：亮度不同的電筒、干電池10支。

實(shí)驗(yàn)效果：學(xué)生通過親身體驗(yàn)后，尋找合適的教學(xué)模型將數(shù)據(jù)分析結(jié)果客觀地呈現(xiàn)，并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行有效、合理地分析，從而有效地提升學(xué)生科學(xué)素養(yǎng)，促進(jìn)理性思維的養(yǎng)成。

總之，我國STEM教育還在路上，STEM教育的推進(jìn)和發(fā)展還有賴于我們大家付出艱辛努力;老師們，路還很長，我們?nèi)沃氐肋h(yuǎn)！