“STEM”視野下的生物實(shí)踐活動(dòng)研究

部先艷

摘要為了適應(yīng)時(shí)代的發(fā)展，滿足學(xué)生綜合各學(xué)科知識(shí)解決問題的課程需求，我校開展了STEM課程的項(xiàng)目研究。以此為契機(jī)，在繼承我國(guó)生物科學(xué)教育優(yōu)勢(shì)的基礎(chǔ)上，結(jié)合生物課程標(biāo)準(zhǔn)強(qiáng)調(diào)的要更加注重學(xué)生的發(fā)展和社會(huì)的需求，更關(guān)注學(xué)生已有的生活經(jīng)驗(yàn)，更強(qiáng)調(diào)學(xué)生的主動(dòng)學(xué)習(xí)，幫助學(xué)生在探究能力、學(xué)習(xí)能力和解決問題能力方面得到更好的發(fā)展。我們開展了“STEM”視野下的生物實(shí)踐活動(dòng)研究，以更好的完善校本課程體系。

關(guān)鍵詞 “STEM”視野 生物實(shí)踐活動(dòng)

中圖分類號(hào)：G424文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：ADOI：10.16400/j.cnki.kjdk.2021.28.051

ResearchonBiologicalPracticeActivitiesfromthePerspectiveof"STEM"

BU Xianyan

（Jinan Yuxiu Middle School， Jinan， Shandong 250003）

AbstractIn order to adapt to the development of the times and meet the curriculum needs of students to integrate the knowledge of various disciplines to solve problems，our university has carried out the project research of stem curriculum.Taking this opportunity，on the basis of inheriting the advantages of China’s bioscience education， combined with the biology curriculum standard，it emphasizes that we should pay more attention to students’ development and social needs， pay more attention to students’ existing life experience， and emphasize students’ active learning， so as to help students get better development in their inquiry ability， learning ability and problem-solving ability. We have carried out the research on biological practice activities from the perspective of "STEM" in order to better improve the school-based curriculum system.

Keywordsthe perspective of "STEM"； biological practice

1研究背景

“STEM”，即科學(xué)（Science）、技術(shù)（Technology）、工程（Engineering）、數(shù)學(xué)（Mathematics）的首字母。STEM教育是一種教育理念，注重學(xué)科知識(shí)與現(xiàn)實(shí)世界的聯(lián)系，在學(xué)科之間相互支撐、相互補(bǔ)充、共同發(fā)展，在相互碰撞中培養(yǎng)各方面技能和認(rèn)知，強(qiáng)調(diào)孩子的主動(dòng)探索精神。近些年來，國(guó)內(nèi)出現(xiàn)了一些研究STEM的平臺(tái)，如“STEM云中心”，為我們國(guó)家的教育創(chuàng)新愛好者提供了一個(gè)優(yōu)秀的論壇。目前對(duì)STEM的研究是依托于發(fā)達(dá)國(guó)家，主要是美國(guó)的STEM教育理念，進(jìn)行的解讀和分析，同時(shí)提出整合意見和積極探索的建議。[1]

2研究依據(jù)

生物科學(xué)從20世紀(jì)中葉以來發(fā)展極為迅速，取得了重大突破。生物科學(xué)研究成果更加迅速的轉(zhuǎn)化為社會(huì)生產(chǎn)力，顯示出巨大的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益。生物科學(xué)和生物技術(shù)在解決人口問題、資源危機(jī)、生態(tài)環(huán)境惡化和生物多樣性面臨威脅等諸多問題方面發(fā)揮的作用越來越大。隨著與物理學(xué)、化學(xué)、數(shù)學(xué)以及其他各學(xué)科之間不斷交叉、滲透和融合，生物科學(xué)已經(jīng)日益呈現(xiàn)出主導(dǎo)學(xué)科的地位。

2017年秋季開始實(shí)行的《義務(wù)教育小學(xué)科學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)》中，新增了技術(shù)（T）和工程（E）的內(nèi)容，STEM雛形的框架開始出現(xiàn)。科學(xué)的能力具體為科學(xué)探究的能力，突出強(qiáng)調(diào)了探究式學(xué)習(xí)方法。讓學(xué)生增加動(dòng)手的機(jī)會(huì)，體會(huì)過程中的成功和樂趣，養(yǎng)成主動(dòng)解決問題的好習(xí)慣，同時(shí)還要關(guān)注技術(shù)的發(fā)展，以及科技對(duì)個(gè)人，對(duì)社會(huì)發(fā)展的影響。[2]這是中國(guó)版的STEM。STEM素養(yǎng)是融合了科學(xué)、技術(shù)、工程和數(shù)學(xué)多個(gè)學(xué)科素養(yǎng)而成，他們相互促進(jìn)相互補(bǔ)充從而達(dá)到最優(yōu)的成效。結(jié)合中國(guó)的國(guó)情，我們要清醒認(rèn)識(shí)學(xué)生素養(yǎng)的現(xiàn)狀，把對(duì)學(xué)生素養(yǎng)的要求滲透入科學(xué)、技術(shù)、工程和數(shù)學(xué)四大領(lǐng)域的學(xué)科素養(yǎng)培養(yǎng)上，深入探究中國(guó)式的STEM教學(xué)模式。

新版《生物學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)》在繼承我國(guó)生物科學(xué)教育優(yōu)勢(shì)的基礎(chǔ)上，力求更注重學(xué)生的發(fā)展和社會(huì)的需求，更多反應(yīng)生物科學(xué)和生物技術(shù)的最新進(jìn)展，更關(guān)注學(xué)生已有的生活經(jīng)驗(yàn)，更強(qiáng)調(diào)學(xué)生的主動(dòng)學(xué)習(xí)，能夠在探究能力、學(xué)習(xí)能力和解決問題能力方面有更好的發(fā)展；能夠在責(zé)任感、科學(xué)精神、創(chuàng)新意識(shí)和環(huán)境意識(shí)等方面得到提高。

3研究目的

我國(guó)STEM教育起步晚，無論是理論研究還是實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)都在摸索階段，研究STEM的教師還比較少，對(duì)STEM教育理念的理解還不算全面和透徹，從而使得項(xiàng)目式研究開展很緩慢。所以我們要深入研究STEM，根據(jù)STEM的教育特點(diǎn)，培養(yǎng)學(xué)生的綜合素養(yǎng)，并以此為依據(jù)，將STEM教育融合到初中生物教學(xué)中，從而為初中生物STEM課程提供優(yōu)秀的案例。對(duì)STEM教育課程的研究，可以為教育工作者開發(fā)、設(shè)計(jì)STEM課程提供指導(dǎo)，從而進(jìn)一步提高學(xué)生素養(yǎng)，激發(fā)學(xué)生對(duì)理工學(xué)科的興趣，提高學(xué)生綜合思考問題的能力，培養(yǎng)出更多創(chuàng)新型高科技人才。

4授課模式

STEM教育有別于傳統(tǒng)教學(xué)模式，STEM教育的宗旨是培養(yǎng)學(xué)生真實(shí)問題解決能力和設(shè)計(jì)與創(chuàng)造能力。在教育教學(xué)活動(dòng)中，教師和學(xué)生都是活動(dòng)的參與者，是一種平等的關(guān)系，學(xué)生和教師都要深入?yún)⑴c到活動(dòng)的設(shè)計(jì)、實(shí)施、交流討論、評(píng)價(jià)和活動(dòng)改進(jìn)中去。由于知識(shí)層面的差別，教師在教學(xué)活動(dòng)中以引導(dǎo)為主，適時(shí)總結(jié)歸納，學(xué)生為學(xué)習(xí)實(shí)踐的主體。

4.1教師的任務(wù)

情境：教師創(chuàng)造與生活聯(lián)系密切的真實(shí)問題情境。與生活聯(lián)系密切的真實(shí)情境具備復(fù)雜性和不確定性，學(xué)生在這種復(fù)雜性和不確定的問題情境中才能鍛煉結(jié)合多學(xué)科知識(shí)進(jìn)行綜合運(yùn)用的能力。

關(guān)鍵問題：教師要根據(jù)實(shí)際情況，分析解決問題的關(guān)鍵，以問題為導(dǎo)火索，設(shè)計(jì)與學(xué)生生活聯(lián)系密切的教學(xué)情境，一是充分激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)知識(shí)、探索問題的興趣；二是為學(xué)生提供探究的方向，并給予合適的引導(dǎo)。

設(shè)計(jì)方案：制定適合我校學(xué)生實(shí)際情況的教學(xué)計(jì)劃，設(shè)計(jì)方案時(shí)，要充分考慮到方案的具體性、詳細(xì)性、可修改性、可行性。

4.2學(xué)生的任務(wù)

實(shí)施、改進(jìn)方案：學(xué)生掌握知識(shí)不是一蹴而就的事情，它需要經(jīng)歷一個(gè)提出問題、作出假設(shè)、制定計(jì)劃、實(shí)施計(jì)劃、得出結(jié)論和表達(dá)交流的過程。實(shí)驗(yàn)方案也是需要多次修改才能達(dá)到最佳效果。

產(chǎn)品交流展示：學(xué)生通過以上的學(xué)習(xí)和實(shí)踐過程，會(huì)形成一個(gè)最終的成果。這個(gè)成果或產(chǎn)品可以是一個(gè)具有可操作性、并能推廣的活動(dòng)方案，也可以是一個(gè)根據(jù)活動(dòng)方案制作形成的產(chǎn)品。通過產(chǎn)品或方案的展示和交流，學(xué)生能夠綜合他人的意見和建議，不斷反思，對(duì)產(chǎn)品或方案進(jìn)行不斷改進(jìn)，直到達(dá)到最滿意的效果。

在整個(gè)教學(xué)過程中教師和學(xué)生并不是孤立的，他們不僅有互動(dòng)、還會(huì)有任務(wù)的交叉。比如學(xué)生可以參與到關(guān)鍵問題的解決、方案的設(shè)計(jì)和修改。學(xué)生在不斷地參與中，發(fā)現(xiàn)問題、解決問題、學(xué)習(xí)能力、探究能力及團(tuán)隊(duì)合作能力方面有更好的發(fā)展。學(xué)生在實(shí)施、改進(jìn)方案或制作產(chǎn)品時(shí)，老師可以給予方向性的引導(dǎo)，使其方案、產(chǎn)品趨于合理和完善。[4]

5研究成效

將STEM課程模式應(yīng)用到生物實(shí)踐活動(dòng)，不但引發(fā)了學(xué)生探究的興趣，建立了學(xué)生學(xué)習(xí)知識(shí)和生活實(shí)踐的聯(lián)結(jié)，真正提升了學(xué)生生物學(xué)科的科學(xué)素養(yǎng)。同時(shí)，運(yùn)用STEM課程設(shè)計(jì)思維，結(jié)合我校舉辦的生物模型大賽、科技節(jié)、拓展課等活動(dòng)，拓寬了我校生物教學(xué)的維度，有力地推動(dòng)了新課程改革。

5.1改變了學(xué)生的思維方式

隨著STEM課程模式在我校的推行和實(shí)踐應(yīng)用，學(xué)生自主發(fā)現(xiàn)問題、提出問題的意識(shí)增強(qiáng)，使得課堂更加活躍。同時(shí)，學(xué)校提供的各種有利資源，使得學(xué)生的學(xué)習(xí)行為開始由接受型慢慢轉(zhuǎn)變?yōu)閷W(xué)生發(fā)現(xiàn)問題、提出問題，主動(dòng)動(dòng)腦、動(dòng)手解決問題的學(xué)習(xí)過程，使得學(xué)習(xí)的效率提升，成果豐富。不但生成了以生活情境為背景，以提出問題——解決問題——表達(dá)交流為課程環(huán)節(jié)的課程模式。并且，在教、學(xué)、研的氛圍下，學(xué)生研究的《尋找觀察植物氣孔的最佳實(shí)驗(yàn)材料和探究影響氣孔開閉的因素》在生物學(xué)科實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新大賽中獲得一等獎(jiǎng)。

在這個(gè)實(shí)驗(yàn)中學(xué)生的部分思考過程如下：

這組實(shí)驗(yàn)源起于七年級(jí)上冊(cè)第二單元《綠色植物的蒸騰作用》中的一個(gè)分組實(shí)驗(yàn)《觀察葉片的結(jié)構(gòu)》。材料用具：新鮮的植物葉片，老師給我們提供了新鮮的菠菜葉和韭菜葉作為實(shí)驗(yàn)材料。撕取表皮，制作臨時(shí)裝片，觀察表皮細(xì)胞，發(fā)現(xiàn)氣孔大多處于關(guān)閉狀態(tài)，經(jīng)過多次實(shí)驗(yàn)，氣孔依舊處于關(guān)閉狀態(tài)，我們討論的最終結(jié)果是，蔬菜不夠新鮮，保衛(wèi)細(xì)胞處于失水狀態(tài)。所以我們?nèi)ゲ说晏暨x最新鮮的芹菜和小油菜重復(fù)試驗(yàn)，請(qǐng)看我們顯微鏡下觀察到的保衛(wèi)細(xì)胞，芹菜葉表皮的氣孔非常清晰漂亮。同樣的實(shí)驗(yàn)，下午拓展課時(shí)再做，發(fā)現(xiàn)芹菜葉表皮氣孔又大多處于了關(guān)閉狀態(tài)，這樣就影響后面的探究實(shí)驗(yàn)“影響氣孔開閉的因素”。我們就繼續(xù)尋找合適的植物，最后鎖定了老師辦公室里種植的盆栽天竺葵，為了保證實(shí)驗(yàn)材料新鮮，我們現(xiàn)場(chǎng)摘下葉片，撕取表皮，制作臨時(shí)裝片，顯微鏡觀察，效果很好，就選它了。

選材選好了，接下來我們就開始設(shè)計(jì)試驗(yàn)。在課本相關(guān)鏈接中提到保衛(wèi)細(xì)胞的細(xì)胞壁厚度不均，靠近氣孔腔的一側(cè)壁厚，不易伸展，遠(yuǎn)離氣孔腔的一側(cè)壁薄，容易伸展，保衛(wèi)細(xì)胞吸水膨脹時(shí)，氣孔就張開，反之，氣孔就關(guān)閉。我們就想，在前面觀察洋蔥細(xì)胞時(shí)，老師講過可以通過質(zhì)壁分離來觀察細(xì)胞膜，同樣的原理，我們也可以通過滴加葡萄糖溶液，來達(dá)到讓保衛(wèi)細(xì)胞失水收縮，氣孔關(guān)閉呢？我們就進(jìn)行了第一個(gè)實(shí)驗(yàn)——觀察氣孔關(guān)閉過程。

材料設(shè)備：盆栽天竺葵，濃度為0.3g/ml的蔗糖溶液，數(shù)碼顯微鏡等。

同學(xué)們認(rèn)真地做了實(shí)驗(yàn)，我們通過數(shù)碼顯微鏡錄像氣孔關(guān)閉的過程。

在實(shí)驗(yàn)過程中我們發(fā)現(xiàn)了一個(gè)問題，在上午大課間做實(shí)驗(yàn)時(shí)，我們觀察到的氣孔大多數(shù)處于開發(fā)狀態(tài)；但是到了下午拓展課實(shí)驗(yàn)時(shí)間，再來觀察同一株天竺葵上的葉表皮氣孔，發(fā)現(xiàn)這時(shí)的氣孔都接近關(guān)閉狀態(tài)，與上午的差別非常明顯。[5]那么是什么原因會(huì)讓相同環(huán)境，不同時(shí)間下的天竺葵氣孔開放程度不同呢？同學(xué)們經(jīng)過討論，一致認(rèn)為光照是一個(gè)影響氣孔開閉的重要原因。我們查閱課本，發(fā)現(xiàn)課本上這樣說道：“蒸騰作用的強(qiáng)弱還受光照強(qiáng)度，環(huán)境溫度，空氣濕度，空氣流動(dòng)狀態(tài)等環(huán)境因素的影響?！蔽覀儧Q定對(duì)光照強(qiáng)度和環(huán)境溫度因素進(jìn)行探究實(shí)驗(yàn)。

5.2增加了教師的研究動(dòng)力

通過嘗試STEM模式的生物教學(xué)研究，拓寬了教師的教學(xué)維度，增加了課堂教學(xué)的深度，提升了教師整合教學(xué)資源的能力。教師不但嘗試整合了本學(xué)科的教學(xué)體系，生成獨(dú)立的項(xiàng)目體系，而且綜合各個(gè)學(xué)科的相關(guān)知識(shí)進(jìn)行了生物相關(guān)項(xiàng)目的研究和知識(shí)拓展，提升了教師的教學(xué)研究水平。兩年來，生物組成員4人次撰寫的論文在校刊發(fā)表，有5人次獲得創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)大賽一等獎(jiǎng)，2人次獲得德育優(yōu)質(zhì)課評(píng)比一等獎(jiǎng)，2人次獲得教學(xué)素質(zhì)比賽一等獎(jiǎng)。

5.3生成了有序的STEM項(xiàng)目校本活動(dòng)

通過實(shí)踐，目前生成了以校本活動(dòng)為依托的三類STEM項(xiàng)目的生物課題的學(xué)生活動(dòng)：生物模型制作大賽（目前已舉辦二屆，每年一屆）、拓展課、科技節(jié)（已舉辦三屆，每年一屆）。學(xué)生參與的積極性非常高，不但拓寬了學(xué)生的視野，同時(shí)也幫助學(xué)生形成了多學(xué)科解決問題的思維模式。

5.4完成了校本STEM項(xiàng)目課程的專題教材撰寫

以葡萄酒的釀制為例，在生物組所有成員共同參與下，以葡萄酒的起源、發(fā)酵的原理、葡萄酒釀制過程中的各種影響因素為內(nèi)容，匯編成項(xiàng)目式學(xué)習(xí)的教材《葡萄酒的釀制》。本課程叢書圍繞著葡萄酒的釀制這一主題，實(shí)現(xiàn)了各學(xué)科資源的整合，幫助學(xué)生解決了葡萄酒的起源問題，通過學(xué)習(xí)發(fā)酵原理學(xué)生嘗試釀制了葡萄酒，并且通過實(shí)驗(yàn)研究了葡萄酒風(fēng)味的影響因素和不同品種葡萄對(duì)葡萄酒風(fēng)味的影響。課程以STEM項(xiàng)目設(shè)計(jì)為理念指導(dǎo)，使學(xué)生對(duì)葡萄酒的釀制有了充分而成體系的認(rèn)識(shí)，實(shí)現(xiàn)了學(xué)生從知識(shí)、能力到情感態(tài)度價(jià)值觀的三維培養(yǎng)目標(biāo)。

6研究成果的分析和討論

關(guān)于“STEM”視野下的生物實(shí)踐活動(dòng)研究只有短短的兩年，我校STEM課程的實(shí)踐模式已基本確立，受益良多，STEM課程的應(yīng)用實(shí)施不但改變了學(xué)生的思維方式，也增加了教師的研究動(dòng)力并生成了有序的學(xué)生STEM項(xiàng)目校本活動(dòng)。希望以此為契機(jī)，STEM課程實(shí)踐模式下的生物實(shí)踐活動(dòng)越來越豐富。

在課程開發(fā)層面，通過不斷的實(shí)踐和研究，最終生成了以生活情境為背景，以提出問題——解決問題——表達(dá)交流為課程環(huán)節(jié)的課程模式。同時(shí)，將這一課程模式以葡萄酒的釀制為例，以葡萄酒的起源到發(fā)酵的原理，再到葡萄酒釀制過程中的各種影響因素為內(nèi)容，整合為項(xiàng)目式學(xué)習(xí)的系列校本課程叢書——葡萄酒的釀制。課程開發(fā)的過程不但幫助學(xué)生更好的理解了課程內(nèi)容，同時(shí)也提升了教師整合資源和課程研究的能力，生成了《初中生物STEM課的設(shè)計(jì)與實(shí)施——以“制作植物標(biāo)本”為例》《STEM理論下的生物拓展課堂》兩篇校本論文。

在課程資源建設(shè)層面，主要依賴于學(xué)校的校本活動(dòng)來展開STEM模式的生物實(shí)踐活動(dòng)研究，以此生成了生物模型制作大賽、科技節(jié)生物園區(qū)、植物的秘密、顯微鏡下的微觀世界等拓展課系列。

在學(xué)習(xí)空間創(chuàng)設(shè)層面，借助學(xué)校生物實(shí)驗(yàn)室的硬件條件，組建學(xué)生學(xué)習(xí)空間站，在學(xué)生解決問題的過程中予以指導(dǎo)，在教、學(xué)、研的氛圍下，指導(dǎo)學(xué)生在生物學(xué)科實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新大賽中獲得一等獎(jiǎng)。

7結(jié)論

在資源建設(shè)方面可以繼續(xù)拓寬資源渠道，以校本資源為基礎(chǔ)，繼續(xù)拓寬生物課程和社區(qū)和社會(huì)資源的聯(lián)結(jié)。

繼續(xù)加強(qiáng)教師的科研能力培訓(xùn)，提升教師研究能力，來更好的指導(dǎo)學(xué)生創(chuàng)新、創(chuàng)造。

參考文獻(xiàn)

[1]王安妃.初中生物綜合實(shí)踐活動(dòng)課程的案例分析[J].教育科學(xué)論壇，2021（23）：67-70.

[2]劉紅.基于5E教學(xué)模式的初中生物活動(dòng)課教學(xué)的實(shí)踐研究[D].牡丹江師范學(xué)院，2021.

[3]黃耐明.在動(dòng)手實(shí)踐中培養(yǎng)生物科學(xué)素養(yǎng)——以家庭綠化活動(dòng)促綠色植物教學(xué)為例[J].教育教學(xué)論壇，2020（36）：249-250.

[4]朱虹.STEM理念在初中生物實(shí)踐活動(dòng)中應(yīng)用的探索——以“廚余垃圾的變廢為寶”為例.

[5]孫繼紅，吳曉燕.活動(dòng)視域下的初中生物學(xué)教學(xué)設(shè)計(jì)與實(shí)踐——以“生物與環(huán)境組成生態(tài)系統(tǒng)”為例[J].中學(xué)生物教學(xué)，2019（16）：56-57.