STEM理念在初中生物實踐活動中應(yīng)用的探索

朱虹

摘要：為了探求STEM理念在初中實踐活動中的應(yīng)用，以廚余垃圾的變廢為寶為例，闡述了從確定活動主題、活動項目設(shè)計與實施、活動評價的探索過程，并且提出關(guān)于有效開展STEM實踐活動的幾點啟示，為學(xué)校生物教學(xué)和STEM教育的融合提供有意義的借鑒。

關(guān)鍵詞：STEM理念 實踐活動 廚余垃圾處理

中圖分類號：G633.91 文獻標(biāo)志碼：B

STEM是集合了科學(xué)、技術(shù)、工程、數(shù)學(xué)教育的跨學(xué)科教育，其打破了學(xué)科之間的壁壘，提升學(xué)生的創(chuàng)新精神和實踐能力，目前已經(jīng)成為國際廣泛研究并推行的科學(xué)教育模式。其倡導(dǎo)學(xué)生在真實情境中學(xué)習(xí)，運用所學(xué)知識解決實際問題，對于培養(yǎng)學(xué)生的核心素養(yǎng)，尤其是自主發(fā)展和社會參與方面有著重要的作用。雖然，STEM教育自引入我國以來受到了廣泛的關(guān)注和研究。然而，受限于傳統(tǒng)課程教學(xué)中學(xué)科、教室、課時的限制，在日常教學(xué)中很難完整開展STEM課程。因此，下面嘗試以STEM理念為引導(dǎo)，指導(dǎo)學(xué)生在假期開展廚余垃圾的變廢為寶的課外實踐活動，以初步探求STEM課程在初中由理念付諸實踐的路徑。

1確定活動主題

垃圾分類回收是當(dāng)今的一個熱點話題，而廚余垃圾又是居民每天都會產(chǎn)生的主要垃圾，對于生態(tài)環(huán)境的保護、資源再生都有著重要的意義?！读x務(wù)教育生物學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2011年版）》關(guān)于“生物圈中的人”提出：人類的活動對生物圈有重要的影響，教師應(yīng)當(dāng)引導(dǎo)學(xué)生通過探究活動，意識到生物圈中的人對生物圈應(yīng)盡的責(zé)任。蘇教版初中生物學(xué)教材雖然沒有直接提出廚余垃圾的回收利用，但是很多知識和原理分散在教材的不同板塊中，如在垃圾分類中設(shè)置了廢棄物自然降解的試驗，生態(tài)系統(tǒng)及微生物內(nèi)容中都提到了蚯蚓和腐生微生物的作用。因此在學(xué)生開展活動前，教師對書本中相關(guān)知識內(nèi)容進行梳理和聯(lián)系，為學(xué)生進一步解決實際問題搭建“腳手架”。學(xué)生基于已有的認(rèn)知，開展頭腦風(fēng)暴，提出關(guān)于廚余垃圾變廢為寶的相關(guān)命題。例如，將廚余垃圾變廢為寶有什么意義？目前我們生活中廚余垃圾是如何處理的？有沒有環(huán)保有效的方法采處理廚余垃圾？學(xué)生在問題的驅(qū)動下，通過資料搜集、討論、分組合作等，在已有知識儲備上進一步拓展，完善自己的思路，并在教師的指導(dǎo)下，進一步構(gòu)建模型，最終確立研究方案。

2活動項目設(shè)計與實施

2.1調(diào)查和分析——廚余垃圾回收利用現(xiàn)狀

教師利用STEM理念，聯(lián)系學(xué)生的真實生活，創(chuàng)設(shè)情境，引導(dǎo)學(xué)生利用科學(xué)、技術(shù)、數(shù)學(xué)的知識和概念來系統(tǒng)地解決實際復(fù)雜問題。2019年，南京市提出的垃圾具體分類方式，將生活垃圾分為可回收物、有害垃圾、廚余垃圾和其他垃圾四類。小組成員通過社區(qū)調(diào)查、生活體驗、調(diào)查走訪等，了解人們生活中廚余垃圾分類處理的現(xiàn)狀。

（1）廚余垃圾數(shù)量調(diào)查。學(xué)生小組分類收集了家庭中每天產(chǎn)生的生活垃圾，稱量并且計算得出，家里每天每個人平均產(chǎn)生700 g生活垃圾，而其中廚余垃圾就有410g，占到了60%左右。小組成員走訪了南京衛(wèi)生部門的工作人員，從中了解到南京市每天產(chǎn)生近3200t的廚余垃圾。廚余垃圾雖然是“天然”的有機垃圾，但是如果不有效處理，對環(huán)境、健康有著極大的危害。目前，南京主要以焚燒發(fā)電的環(huán)保方式處理生活垃圾，但是大量的廚余在源頭和過程中沒有實現(xiàn)垃圾的減量化，而且與有害垃圾、干垃圾等混合收集、轉(zhuǎn)運，為末端焚燒帶來很大的處理壓力，也造成了資源浪費及環(huán)境污染風(fēng)險。因此，除了做好垃圾分類投放外，在家庭中安裝廚余垃圾處理器，對部分廚余垃圾堆肥處理等都是從源頭減少廚余垃圾的重要方式。

（2）居民廚余垃圾分類處理現(xiàn)狀。小組成員制作調(diào)查問卷，并發(fā)放給我校周邊四個小區(qū)的居民，回收后進行數(shù)學(xué)統(tǒng)計，對數(shù)據(jù)進行分析。學(xué)生從而了解到：①約40%的家庭對生活垃圾不進行分類，而垃圾分類的家庭中，絕大多數(shù)家庭只對可回收垃圾分類，對廚余垃圾分類處理的僅僅只有10%。極少數(shù)居民使用垃圾處理器或者利用廚余垃圾進行堆肥處理。②居民對垃圾分類知識比較了解的僅僅占40%，很多居民認(rèn)為廚余垃圾就是廚房中產(chǎn)生的垃圾，因此將扇貝、紙巾、一次性筷子等難以分解的物質(zhì)也歸類于廚余垃圾。③70%居民對廚余垃圾分類處理呈不反對或支持態(tài)度，也愿意嘗試用廚余垃圾堆肥獲得肥料。通過調(diào)查，學(xué)生感受到生活中廚余垃圾的分類及處理并不了樂觀，這是因為很多居民并不具備垃圾完全分類的知識，也不了解垃圾無害化處理的方式。

通過信息搜索和調(diào)查研究，學(xué)生對廚余垃圾的分類處理有了更深刻的認(rèn)識，在經(jīng)歷了對調(diào)查結(jié)果“思考一分享一討論“的過程后，也更加明確了探究將廚余垃圾變廢為寶的方法，身體力行踐行垃圾回收處理的目標(biāo)。

2.2建立模型——探究家庭中將廚余垃圾變廢為寶的方法

在STEM研究過程中，學(xué)生圍繞本組課題設(shè)計方案，并且在討論過程中發(fā)現(xiàn)問題、解決問題，改進實驗方案。由于初中學(xué)生的實驗探究能力和動手實踐能力不足，教師需要在必要階段進行引導(dǎo)和搭建支架，讓學(xué)生在溝通交流中不斷明確探究思路，提高協(xié)作能力。

2.2.1探究1：微生物對廚余垃圾的降解作用

在學(xué)習(xí)微生物的過程中，學(xué)生知道腐生微生物可以分解動植物的遺體來獲得營養(yǎng)。通過搜集資料，學(xué)生進一步了解到廚余垃圾富含有機質(zhì)，易于降解，無論是填埋處理、還是堆肥處理，微生物都起到了至關(guān)重要的作用。家庭也可以通過生態(tài)方式，如微生物發(fā)酵將廚余垃圾資源化、無害化。在學(xué)生提出利用微生物對廚余垃圾的降解作用后，教師提出問題：自然條件下，微生物可以降解廚余垃圾嗎？是否微生物菌劑可以分解所有垃圾？小組成員根據(jù)課堂中所學(xué)的實驗設(shè)計的原理，探討實驗思路并繪制出實驗方案，利用發(fā)酵EM菌劑（由光合細(xì)菌、酵母菌、乳酸菌等組成的混合菌群）、果蔬殘體（如生菜葉、果皮）、剩飯菜（如熟的米飯、蔬菜）和餐巾紙等進行了三組試驗探究。

（1）材料與方法：將收集的果蔬殘體和剩飯菜分別切成小塊并混合均勻，放于錐形瓶中。根據(jù)所學(xué)習(xí)的實驗設(shè)計的原則，實驗分為6組，對照組為A1（100 g果蔬殘體）、A2（100 g剩飯菜）、A3（100 g紙巾及一次性筷子），實驗組為B1（100 g果蔬殘體+5 gEM菌劑）、B2（100 g剩飯菜+5 g EM菌劑）、B3（100 g紙巾及一次性筷子+5 gEM菌劑）。室內(nèi)溫度為25°C左右，3 d攪拌一次。在實驗過程中，學(xué)生定期觀察每組實驗中廚余垃圾顏色、形態(tài)、氣味的變化。

（2）結(jié)果與分析：通過一個月的實驗與觀察，學(xué)生將主要的實驗現(xiàn)象記錄在表格中（表1）。

（3）討論與交流。學(xué)生小組討論實驗結(jié)果，分析得出：①通過A1、A2與B1、B2的對照，可見廚余垃圾在自然條件也會降解，但是速度慢，并且會導(dǎo)致一些有害微生物大量生長，產(chǎn)生異味，而EM微生物菌劑的作用是促進廚余垃圾的降解，抑制其他微生物生長，減少降解過程中產(chǎn)生的異味。②通過B1與B2對照，可見微生物對絕大多數(shù)廚余垃圾有分解作用，但是剩飯菜中菌絲更多，適合真菌生長，而果蔬殘余中可見菌絲較少，推測可能更適合細(xì)菌生長，因此家庭堆肥過程中可以將果蔬殘余和剩飯菜混合，用于發(fā)酵。③餐巾紙和一次性筷子雖然是廚房產(chǎn)生的，但是并不容易被微生物降解，因此不屬于廚余垃圾。

2.2.2探究2：設(shè)計制作蚯蚓堆肥箱

（1）設(shè)計并制作蚯蚓堆肥箱。學(xué)生已經(jīng)學(xué)習(xí)過蚯蚓以畜禽糞便和有機廢物垃圾為食，可以疏松土壤、提高肥力。教師提出問題：家中是否也可以利用蚯蚓來制作堆肥呢？要求學(xué)生根據(jù)蚯蚓的習(xí)性，設(shè)計并且制作蚯蚓堆肥箱。學(xué)生小組討論，得出堆肥箱的條件為：黑暗、潮濕、有足夠的空氣。在討論基礎(chǔ)上，學(xué)生初步制作了堆肥箱，并在對蚯蚓的適應(yīng)培養(yǎng)中發(fā)現(xiàn)問題，優(yōu)化設(shè)計。例如，如何提高培養(yǎng)箱的透氣性？如何維持濕度，同時排出多余水分？如何便于廚余垃圾的定期堆放和肥料的獲??？……最后，確定設(shè)計方案。根據(jù)方案，各小組利用不透明收納箱、陶土粒、土壤及木屑制作了蚯蚓堆肥箱：①將箱子四周穿洞保證蚯蚓有足夠氧氣呼吸;②在箱底鋪了一層陶土粒和濕木屑，保證適合蚯蚓生活的濕度和透氣性，并且打出小孔排出水分;③木屑上鋪幾層紙板，方便收集肥料;④最后，覆蓋一層土壤，并放入蚯蚓。

（2）利用蚯蚓堆肥箱處理廚余垃圾。學(xué)生對堆肥箱中區(qū)域進行劃分，用來交替放置廚余和收獲肥料。為了探究哪一類廚余垃圾更加適合用于蚯蚓堆肥，學(xué)生分別用果蔬殘體和剩飯菜培養(yǎng)蚯蚓，其中A組為200g果蔬殘體和20 g蚯蚓，B組為200 g剩飯菜和20 g蚯蚓。蚯蚓品種為赤子愛勝蚓，室內(nèi)溫度為26%左右。學(xué)生每天觀察兩個堆肥箱中廚余垃圾的變化以及蚯蚓的生存，發(fā)現(xiàn)：A組堆肥箱中的果蔬殘體消失地非?？?，一周后所有廚余垃圾基本被蚯蚓吃完，并且蚯蚓生存良好，并且基本沒有異味;B組剩飯菜也有所減少，但是一些油脂鹽分較多的剩菜沒有被完全吃掉，生長了霉菌，并且有大多數(shù)蚯蚓鉆入到地下。

（3）總結(jié)與討論。學(xué)生觀察實驗，分析得出：①蚯蚓堆肥適合果皮蔬菜類廚余垃圾的降解，并且處理的速度很快，很適合在社區(qū)中用來處理大量的果皮蔬菜類垃圾;②剩飯菜不適宜與蚯蚓堆肥，可能是因為其中的油脂和鹽分較多，放置于堆肥箱中會影響土壤環(huán)境，不利于蚯蚓的生存。

3溝通交流與活動評價

3.1實踐成果分享與交流

學(xué)生通過制作活動海報、PPT展示等形式，向其他小組分享實踐活動過程和成果。學(xué)生對個人和小組學(xué)習(xí)過程中的表現(xiàn)進行評價。教師通過合理評價，激勵學(xué)生在分享的過程中，相互學(xué)習(xí)，同時也讓學(xué)生對于廚余垃圾變廢為寶的環(huán)保意義有了更深刻的認(rèn)識。很多學(xué)生在實踐活動后將堆肥箱運用于家庭廚余垃圾的處理中。

3.2實踐活動評價

參考美國康涅狄格學(xué)科中心STEM課程的評測量表，依據(jù)本次社會實踐內(nèi)容設(shè)置了對應(yīng)的量表（表2）。在活動中，教師要注意觀察學(xué)生在小組中的行為與反應(yīng)、交流以及評論，給出過程性評價，并結(jié)合學(xué)生實踐報告所給出總結(jié)性評價，綜合評價學(xué)生在課外實踐活動中的表現(xiàn)。

4啟示與展望

本次STEM理念引領(lǐng)下的實踐活動不僅關(guān)注學(xué)生的實踐與參與，更注重引導(dǎo)學(xué)生綜合運用課堂所學(xué)的知識和技術(shù)解決現(xiàn)實情景中的問題，讓學(xué)生在自主學(xué)習(xí)和主動探究中，真正成為學(xué)習(xí)的主體，并在活動過程中提高了環(huán)保意識。

通過本次廚余垃圾的變廢為寶的實踐活動，對STEM在實踐活動中的應(yīng)用有以下啟示：①教師要從學(xué)生生活中發(fā)現(xiàn)STEM實踐內(nèi)容。實踐的內(nèi)容應(yīng)該源自于學(xué)生真實的生活，這些問題可以來源于學(xué)生的經(jīng)歷，也可以是國家和全球性的問題。青少年是環(huán)保事業(yè)發(fā)展的生力軍，環(huán)境污染調(diào)查、新能源的開發(fā)利用、生物多樣性保護等都是教師可以讓學(xué)生參與的領(lǐng)域。②教師要基于學(xué)校課程內(nèi)容，解決學(xué)生生活中的實際問題。中學(xué)科學(xué)課程和工程和技術(shù)之間本就有天然聯(lián)系的話題，并且中學(xué)生科學(xué)知識的儲備和工程技術(shù)的掌握都比較有限。因此，教師整合學(xué)校的課程內(nèi)容，為學(xué)生實踐活動搭建腳手架，引導(dǎo)學(xué)生基于已有認(rèn)知解決問題，是相對現(xiàn)實合理的選擇。③教師要打破學(xué)科之間壁壘。STEM強調(diào)學(xué)科之間的關(guān)聯(lián)性，因此教師應(yīng)該提高自己的綜合素養(yǎng)，注重各學(xué)科之間的聯(lián)系，才能更好地將STEM理念投入到實踐活動的開發(fā)中去。