基于STEM教育理念的高中生物教材分析
——以遺傳與進(jìn)化模塊為例

陳慧珊，王 偉*，吳久利，孫 嫻，徐忠東

(1.合肥師范學(xué)院 生命科學(xué)學(xué)院，安徽 合肥 230601；2.合肥市第六中學(xué)，安徽 合肥 230061)

教師是學(xué)生與課本知識(shí)溝通的橋梁，是課堂的主導(dǎo)者，其主要任務(wù)是將復(fù)雜的知識(shí)簡(jiǎn)單化并教授給學(xué)生，所以教師對(duì)教材的掌握尤為重要。STEM是科學(xué)(Science)，技術(shù)(Technology)，工程(Engineering)，數(shù)學(xué)(Mathematics)四門學(xué)科英文首字母的縮寫，強(qiáng)調(diào)學(xué)科的交叉融合。STEM教育理念是將四門學(xué)科進(jìn)行有機(jī)整合并呈現(xiàn)于課堂，旨在提升學(xué)生的綜合能力[1]。生物學(xué)課程的目標(biāo)是讓學(xué)生通過學(xué)習(xí)，能夠運(yùn)用生物學(xué)知識(shí)解決生活中的問題，并在這個(gè)過程中樹立生命觀念和科學(xué)思維。如何在分析教材的過程中滲透STEM教育理念、促進(jìn)生物學(xué)核心素養(yǎng)落地課堂，下面結(jié)合相關(guān)的內(nèi)容進(jìn)行分析和說明。

1 基于STEM教育理念的教材分析作用和意義

教材內(nèi)容是實(shí)現(xiàn)教學(xué)目標(biāo)的重要載體，分析教材內(nèi)容有利于教師在教學(xué)的設(shè)計(jì)和實(shí)施過程中落實(shí)教學(xué)目標(biāo)，使學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中發(fā)展學(xué)科核心素養(yǎng)。有針對(duì)性地理解和分析教學(xué)內(nèi)容，提取教材當(dāng)中的學(xué)科本質(zhì)，是教師設(shè)計(jì)教學(xué)目標(biāo)和教學(xué)環(huán)節(jié)最重要的基礎(chǔ)，能有效保障教學(xué)效果，進(jìn)而達(dá)成教學(xué)目標(biāo)。

1.1 有利于實(shí)現(xiàn)學(xué)科之間的整合

STEM教育理念的核心思想是跨學(xué)科的整合，注重學(xué)科間的相互整合，尋找各個(gè)學(xué)科之間的關(guān)系，提升學(xué)生的整體觀和融會(huì)貫通的能力，培養(yǎng)學(xué)生進(jìn)行全方面發(fā)展[2]?？鐚W(xué)科的整合主要落實(shí)到生活中，要運(yùn)用一切資源，多方面多角度地思考問題，讓學(xué)生能夠運(yùn)用所學(xué)知識(shí)解決實(shí)際問題。

1.2 有利于核心素養(yǎng)落地課堂

STEM教育理念注重教學(xué)實(shí)踐活動(dòng)的開展，能夠有效增強(qiáng)學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中的親身體驗(yàn)，切身體驗(yàn)到學(xué)科的多樣性和樂趣，從實(shí)踐活動(dòng)中理解教學(xué)內(nèi)容[3]?！镀胀ǜ咧猩飳W(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)(2017年版)》[4]指出要適當(dāng)?shù)貙⒖鐚W(xué)科知識(shí)和技能放到學(xué)生的實(shí)踐活動(dòng)當(dāng)中去，特別是科學(xué)、技術(shù)、工程學(xué)和數(shù)學(xué)(STEM)，讓學(xué)生在實(shí)踐活動(dòng)中形成必備的品格和關(guān)鍵的能力。

1.3 有利于實(shí)現(xiàn)知識(shí)本位向育人本位轉(zhuǎn)變

STEM教育理念強(qiáng)調(diào)團(tuán)隊(duì)協(xié)作，注重在實(shí)踐活動(dòng)和學(xué)科教學(xué)內(nèi)容中培養(yǎng)學(xué)生的團(tuán)結(jié)意識(shí)與合作能力。教育的根本任務(wù)是立德樹人，其要求和STEM教育理念相符，都注重對(duì)“人”的培養(yǎng)，旨在落實(shí)培養(yǎng)全面發(fā)展的人，將教育從知識(shí)本位轉(zhuǎn)變?yōu)橛吮疚弧?/p>

2 基于STEM教育理念的三個(gè)層次教材分析

對(duì)教材進(jìn)行分析最終目的是更好地促進(jìn)教師的“教”與學(xué)生的“學(xué)”，生物學(xué)教材中蘊(yùn)含著豐富的STEM教育素材，有待于教師的發(fā)掘與利用，從而發(fā)揮教材中STEM相關(guān)內(nèi)容的育人價(jià)值，幫助學(xué)生全面成長成才?；赟TEM教育理念，本文從模塊、章、節(jié)三個(gè)層次對(duì)人民教育出版社出版的《普通高中教科書 生物學(xué) 必修2 遺傳與進(jìn)化》(2019年版)[5](以下簡(jiǎn)稱《生物學(xué) 必修2》)進(jìn)行教材分析。

2.1 模塊教材分析

2.1.1 STEM教育視野下學(xué)科間的相互滲透與干預(yù)

整合性是STEM教育理念最重要的特點(diǎn)之一，《生物學(xué) 必修2》也充分體現(xiàn)了學(xué)科間的相互滲透與干預(yù)。它以基因?yàn)楹诵倪M(jìn)行展開，包含跨科學(xué)、技術(shù)、工程和數(shù)學(xué)這四門學(xué)科的內(nèi)容，并且以科學(xué)類知識(shí)為主，占比達(dá)到一半以上，遠(yuǎn)超其他三門學(xué)科，說明教材在對(duì)知識(shí)進(jìn)行整合的同時(shí)又突出了科學(xué)知識(shí)，體現(xiàn)了學(xué)科的差異性。

STEM教育的價(jià)值在于不單表現(xiàn)其中一門學(xué)科的優(yōu)勢(shì)，還將學(xué)科間可以相互滲透的內(nèi)容有效地進(jìn)行融合，進(jìn)一步促進(jìn)了學(xué)科的發(fā)展[6]，高效提升了對(duì)“人”的培養(yǎng)。例如在遺傳因子的發(fā)現(xiàn)部分，關(guān)于性狀分離比的模擬實(shí)驗(yàn)中，性狀分離是生物學(xué)知識(shí)；而在教材中呈現(xiàn)的實(shí)驗(yàn)操作過程中，將小桶和彩球比作哺乳動(dòng)物的雌雄生殖器官和配子，讓學(xué)生隨機(jī)抽取并進(jìn)行結(jié)合，通過表格進(jìn)行記錄，使學(xué)生關(guān)注數(shù)據(jù)進(jìn)而發(fā)現(xiàn)規(guī)律用的卻是數(shù)學(xué)思維。在這一個(gè)實(shí)驗(yàn)的過程中，不僅將生物學(xué)知識(shí)與數(shù)學(xué)思維進(jìn)行結(jié)合，還鍛煉了學(xué)生的技術(shù)和設(shè)計(jì)能力。

2.1.2 STEM教育視野下生物學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)的培養(yǎng)

在《生物學(xué) 必修2》中有大量的模型制作、實(shí)踐探究以及調(diào)查研究活動(dòng)。例如：制作DNA分子的物理模型、計(jì)算DNA分子中的堿基數(shù)、調(diào)查人群中的遺傳病、收集惡性疾病防治方面的資料等。這些活動(dòng)趣味性較強(qiáng)，且易于學(xué)生理解和掌握，需要學(xué)生通過小組互助才能完成，有助于培養(yǎng)團(tuán)結(jié)協(xié)作的意識(shí)。教材較為側(cè)重生命觀念以及科學(xué)思維的培養(yǎng)，涵蓋了大量的資料，融入STEM教育理念的同時(shí)可以促進(jìn)學(xué)生綜合能力的發(fā)展。這與我國教育的目標(biāo)：使學(xué)生能夠用科學(xué)的思維、態(tài)度、精神和習(xí)慣去解決將來在學(xué)習(xí)、工作與生活中遇到的問題[7]是一致的。

2.1.3 STEM教育對(duì)生活的價(jià)值

在《生物學(xué) 必修2》中，有生物學(xué)有關(guān)的職業(yè)、人類輔助生殖技術(shù)、DNA指紋技術(shù)、精準(zhǔn)醫(yī)療、調(diào)查人群中的遺傳病等內(nèi)容，這些都與學(xué)生的生活有密切的聯(lián)系，學(xué)生在學(xué)習(xí)的過程中能提前接觸并理解生活中的經(jīng)驗(yàn)技能對(duì)學(xué)生的發(fā)展具有極大的好處。STEM教育對(duì)生活的價(jià)值在教材中主要體現(xiàn)在以下兩點(diǎn)：一是強(qiáng)調(diào)生物學(xué)知識(shí)與日常生活的聯(lián)系，例如在學(xué)習(xí)DNA結(jié)構(gòu)時(shí)對(duì)DNA指紋技術(shù)的介紹，讓學(xué)生明白生物學(xué)知識(shí)與生活密切相關(guān)。二是注重培養(yǎng)學(xué)生的社會(huì)責(zé)任感，例如用例子說明人類遺傳病的危害，使學(xué)生明白遺傳咨詢和產(chǎn)前診斷的重要性，具有遺傳病預(yù)防的意識(shí)。

2.2 章教材分析

《生物學(xué) 必修2》共有六個(gè)章節(jié)的內(nèi)容，均與遺傳學(xué)內(nèi)容有關(guān)，此外每章中均包含了科學(xué)、技術(shù)、工程和數(shù)學(xué)四門學(xué)科的知識(shí)，下面將以第1章“遺傳因子的發(fā)現(xiàn)”為例，在STEM教育理念下對(duì)本章內(nèi)容結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析。

第一節(jié)內(nèi)容主要是介紹孟德爾對(duì)豌豆一對(duì)相對(duì)性狀的豌豆雜交實(shí)驗(yàn)。本節(jié)以科學(xué)史作為切入點(diǎn)，融入了性狀分離比的模擬實(shí)驗(yàn)，讓學(xué)生用簡(jiǎn)單的模型體驗(yàn)科學(xué)家的探究過程。學(xué)生可以利用前人的數(shù)據(jù)，通過數(shù)學(xué)統(tǒng)計(jì)方法分析后代可能出現(xiàn)的基因型或表現(xiàn)型比例；通過推理和證明，并結(jié)合實(shí)驗(yàn)的結(jié)果，解釋性狀分離現(xiàn)象，歸納總結(jié)得出孟德爾第一定律的內(nèi)容。最后通過讓學(xué)生設(shè)計(jì)用綠色豌豆和黃色豌豆培育純種綠色豌豆的實(shí)驗(yàn)方案對(duì)學(xué)生進(jìn)行思維訓(xùn)練。

第二節(jié)內(nèi)容是孟德爾對(duì)豌豆兩對(duì)相對(duì)性狀雜交實(shí)驗(yàn)的研究過程，本節(jié)用數(shù)學(xué)統(tǒng)計(jì)方法分析得出兩對(duì)相對(duì)性狀的遺傳規(guī)律，并運(yùn)用“假說—演繹”法進(jìn)行演繹推理，結(jié)合測(cè)交實(shí)驗(yàn)得出孟德爾第二定律的生物學(xué)知識(shí)，接著分析孟德爾獲得成功的原因，肯定科學(xué)探究的過程需要不懈努力，最后總結(jié)孟德爾遺傳規(guī)律在植物育種和醫(yī)學(xué)實(shí)踐等方面的應(yīng)用。

本章注重對(duì)學(xué)生科學(xué)探究和科學(xué)思維的培養(yǎng)，融入了其他學(xué)科內(nèi)容，尤其是數(shù)學(xué)學(xué)科，知識(shí)涵蓋面較廣泛，重視培養(yǎng)學(xué)生應(yīng)用數(shù)學(xué)知識(shí)進(jìn)行邏輯推理的思維和預(yù)測(cè)的能力，突出學(xué)科融合的同時(shí)也注重對(duì)核心素養(yǎng)的培養(yǎng)，充分體現(xiàn)了STEM教育理念。

2.3 節(jié)教材分析

教材分析的最終目的是讓教師更好地實(shí)施教學(xué)，讓課堂達(dá)到最高效。由于課堂時(shí)間的限制，在課堂上呈現(xiàn)的教學(xué)內(nèi)容通常是以小節(jié)為單位進(jìn)行的，故對(duì)每小節(jié)進(jìn)行教材分析最為關(guān)鍵。下面基于STEM教育理念對(duì)教材第2章第1節(jié)“減數(shù)分裂和受精作用”的內(nèi)容進(jìn)行分析和說明。

本節(jié)首先介紹了魏斯曼的預(yù)言這一科學(xué)史，并說明這個(gè)預(yù)言通過顯微鏡的觀察得到了證實(shí)，從而過渡到減數(shù)分裂的講授。接下來，介紹哺乳動(dòng)物精子的形成過程，用圖和簡(jiǎn)單的文字展示減數(shù)分裂的完整過程，讓學(xué)生關(guān)注減數(shù)分裂過程中染色體數(shù)目和行為的變化規(guī)律，進(jìn)而學(xué)習(xí)卵細(xì)胞的形成過程。本節(jié)還安排了相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)，分小組對(duì)此實(shí)驗(yàn)進(jìn)行項(xiàng)目設(shè)計(jì)，插入工程學(xué)知識(shí)，在項(xiàng)目實(shí)踐中深化生物學(xué)知識(shí)。接下來結(jié)合模型構(gòu)建活動(dòng)，引導(dǎo)學(xué)生體驗(yàn)建構(gòu)模型的過程，在學(xué)習(xí)技術(shù)類知識(shí)的同時(shí)提高動(dòng)手能力。之后闡明配子中染色體組合多樣性的原因，然后介紹精子和卵子的結(jié)合過程為受精作用，最后歸納減數(shù)分裂和受精作用對(duì)生物遺傳的重要意義。在學(xué)習(xí)完本節(jié)課教材知識(shí)之后，引導(dǎo)學(xué)生畫出有絲分裂、減數(shù)分裂和受精過程中核DNA與染色體數(shù)量的變化曲線并進(jìn)行講解，促進(jìn)學(xué)生數(shù)學(xué)思維的發(fā)展。

本節(jié)內(nèi)容包含了科學(xué)、技術(shù)、工程和數(shù)學(xué)知識(shí)點(diǎn)，充分體現(xiàn)出STEM教育理念的核心，即跨學(xué)科整合，同時(shí)包含了探究、實(shí)踐等環(huán)節(jié)，讓知識(shí)鮮活有趣，吸引學(xué)生學(xué)習(xí)的同時(shí)還突出對(duì)“人”的培養(yǎng)，在教學(xué)中滲透生物學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)。

3 基于STEM教育理念對(duì)教材內(nèi)容分析的建議

教材是教師和學(xué)生在教學(xué)過程中使用最為廣泛的知識(shí)載體，教師對(duì)教材分析是否透徹直接決定了課堂是否高效。當(dāng)今，STEM已成為炙手可熱的話題，成為各國教育改革的風(fēng)向標(biāo)之一，將STEM教育理念融合到教材分析和課堂教學(xué)中尤為重要，在分析和理解教材內(nèi)容促進(jìn)生物學(xué)核心素養(yǎng)落實(shí)到課堂當(dāng)中，應(yīng)注意以下幾點(diǎn)。

3.1 精心創(chuàng)設(shè)問題情境，重視知識(shí)整合聯(lián)結(jié)

STEM教育注重對(duì)教材內(nèi)容進(jìn)行情境創(chuàng)設(shè)，在學(xué)習(xí)情境中融合各個(gè)學(xué)科的知識(shí)，有利于培養(yǎng)學(xué)生的深度學(xué)習(xí)能力和高階思維[8]。例如，在設(shè)計(jì)時(shí)對(duì)孟德爾的豌豆雜交實(shí)驗(yàn)研究過程進(jìn)行情境的創(chuàng)設(shè)，將生物學(xué)遺傳現(xiàn)象的知識(shí)串聯(lián)在一起，這樣的情境能讓學(xué)生很好地融入到教學(xué)活動(dòng)中，親身感受科學(xué)家研究的過程，在學(xué)習(xí)和體驗(yàn)的過程中提升自身技能以及核心素養(yǎng)。

3.2 適當(dāng)采用創(chuàng)新型教學(xué)模式

創(chuàng)新型教學(xué)模式大都是來自生物學(xué)科領(lǐng)域的專家或一線的教師，有專題的研究成果，也有一線教師經(jīng)過實(shí)踐得出的寶貴經(jīng)驗(yàn)，聚集了生物學(xué)領(lǐng)域?qū)＜液鸵痪€教師的認(rèn)識(shí)視角和教學(xué)智慧，是深化基于STEM教育理念對(duì)教材內(nèi)容分析的寶貴資源。例如將指向深度學(xué)習(xí)的STEM教學(xué)模式在減數(shù)分裂和受精作用上的運(yùn)用等，以現(xiàn)實(shí)生活中的問題作為出發(fā)點(diǎn)、以實(shí)驗(yàn)探究為基點(diǎn)、以小組合作為方式進(jìn)行分析和教學(xué)，在此過程中發(fā)展學(xué)生批判思維能力。