STEM教育理念在中學(xué)生物學(xué)教學(xué)中的應(yīng)用

尚靜 金濤 張大樂

摘要：教育理念是培養(yǎng)德技并修、全面發(fā)展人才的基礎(chǔ)和靈魂，STEM（Science，Technology，Engineering，Mathematics）素養(yǎng)是科學(xué)、技術(shù)、工程與數(shù)學(xué)素養(yǎng)的綜合體現(xiàn)。闡述了STEM教育理念在中學(xué)生物學(xué)科教學(xué)過程中的融合創(chuàng)新，以加強中學(xué)生對生物學(xué)科核心素養(yǎng)的認(rèn)識，對中學(xué)生物教學(xué)實踐有一定的促進作用。

關(guān)鍵詞：STEM;教育理念;生物學(xué);教學(xué)

生物學(xué)是研究生命現(xiàn)象和生命活動規(guī)律的基礎(chǔ)學(xué)科。通過生物學(xué)課程的學(xué)習(xí)，學(xué)生可以了解種植業(yè)、畜牧業(yè)、醫(yī)療、衛(wèi)生等方面的知識及技術(shù)，從而強化對生命的感知和認(rèn)識。生物學(xué)的研究經(jīng)歷了從定性到定量、從宏觀到微觀的發(fā)展后，它的應(yīng)用仍在不斷地擴大，如，生物學(xué)在食品、化工、能源和環(huán)境保護等領(lǐng)域得到了極大的發(fā)展和應(yīng)用。同時，它和信息、工程等方面的結(jié)合也逐漸增加，對人類的社會、經(jīng)濟和生活有著越來越大的影響。相應(yīng)地，生物學(xué)科的教育也越來越凸顯其重要性，它不僅對學(xué)生的能力培養(yǎng)提出了更高的要求，同時對教師來說既是機遇又是挑戰(zhàn)，對教師的教育理念也提出了前瞻性和創(chuàng)新性的要求。

不斷更新的教育理念是生物學(xué)科教育永葆青春的靈魂。傳統(tǒng)的教育理念是按照單一學(xué)科劃分的，雖有利于知識的系統(tǒng)化、條理化，但是它使學(xué)科之間彼此分離，割裂了學(xué)科之間的聯(lián)系，以知識為中心，把知識的傳授作為教學(xué)的最終目標(biāo)，目標(biāo)十分明確。這種教育理念對學(xué)生創(chuàng)新意識和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)有所限制。

2017年修訂的中學(xué)生物學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)強調(diào)：生物學(xué)與其他學(xué)科之間具有密切的聯(lián)系，生物學(xué)的教育應(yīng)力爭讓學(xué)生能用科學(xué)的觀點、思想和方法解決現(xiàn)實生活中的一些問題，形成相應(yīng)的生物學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)。這就需要教師收集與教材內(nèi)容相關(guān)的資料進行教學(xué)設(shè)計，對生物技術(shù)、生物信息和生物工程等相關(guān)的研究進展有總的了解和把握，將其巧妙地融合到教學(xué)中，提升學(xué)生在未來發(fā)展中所必備的品格和關(guān)鍵能力，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力和科學(xué)素養(yǎng)。

在這種背景下，許多新的教育理念隨著時代進步的需要應(yīng)用而生。其中，起源于美國的STEM（即Science，Tech-nology，Engineering，Mathematics）教育理念與新課程所提出的要求和標(biāo)準(zhǔn)有許多相近之處，這種教育理念可以更好地促進學(xué)生在生物教育綜合素養(yǎng)的培育和發(fā)展，STEM教育理念所提出的教學(xué)模式和方法可以最大程度地彌補和完善傳統(tǒng)教育理念的不足。

一、STEM教育理念概述

STEM教育理念的英文縮寫是由科學(xué)（Science）、技術(shù)（Technology）、工程（Engineering）和數(shù)學(xué)（Mathematics）英文首字母組合而成，在這四門學(xué)科中，科學(xué)在于探索自然界所蘊含的規(guī)律，完善對世界的認(rèn)知;技術(shù)是利用自然界的物質(zhì)、能量和規(guī)律對自然系統(tǒng)進行改造和加工的技能;工程是利用科學(xué)技術(shù)以及數(shù)學(xué)方面的知識，將某些實體轉(zhuǎn)化為具有預(yù)期使用價值的人造產(chǎn)品過程;數(shù)學(xué)則是以培養(yǎng)人的邏輯思維為主，研究事物的數(shù)量、空間量化等方面的知識。但該理念不是科學(xué)、技術(shù)、工程和數(shù)學(xué)的簡單疊加，而是超越傳統(tǒng)教育的新理念，其特點是將原本分散的4門學(xué)科（科學(xué)、技術(shù)、工程、數(shù)學(xué)）進行有機的整合，使得學(xué)生所學(xué)到的零碎知識和機械過程轉(zhuǎn)變?yōu)橐粋€探究各事物之間相互聯(lián)系的過程，這4門學(xué)科分別代表學(xué)生的四大素養(yǎng)，即：科學(xué)、技術(shù)、工程和數(shù)學(xué)素養(yǎng)。

科學(xué)的發(fā)展離不開技術(shù)的進步，數(shù)學(xué)是科學(xué)研究的基礎(chǔ)，工程是數(shù)學(xué)和科學(xué)技術(shù)理論的應(yīng)用和實踐，這四門學(xué)科之間有著相互補充、共同發(fā)展的關(guān)系，在利用該理念時一定不能將他們其中的任何一個進行孤立，只有在相互交互中才能夠深層次學(xué)習(xí)，才能真正做到培養(yǎng)學(xué)生各方面的知識和技能。

STEM教育理念，強調(diào)跨學(xué)科教學(xué)，而不是孤立地教學(xué)。在課堂上，學(xué)生自主探究是主體，教師的教學(xué)是補充，在實現(xiàn)教學(xué)目標(biāo)的過程中，拓展了學(xué)生的思維和視野，提高了學(xué)生解決問題的能力。在中學(xué)生物的教育中融入跨學(xué)科STEM教育理念，可以更好地讓中學(xué)生將所學(xué)的各個學(xué)科相互聯(lián)系融合;有利于幫助學(xué)生打下扎實的學(xué)科基礎(chǔ)，培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新意識和解決實際問題的能力，對于提高學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)具有重要意義。

二、STEM教育在生物教學(xué)中的應(yīng)用

（一）教學(xué)模式上，探索新的教學(xué)模式，加強學(xué)生創(chuàng)新意識培養(yǎng)

隨著新課改的不斷深入，新的教育理念對慣用的教學(xué)模式造成了很大的影響，在以往的教學(xué)中，教師總是教學(xué)的主導(dǎo)者，占據(jù)課堂的主要地位，課堂的主要內(nèi)容往往是知識的傳授，不能充分體現(xiàn)學(xué)生的主體性，需要去改進教學(xué)模式，以實現(xiàn)學(xué)生的自主發(fā)展。教師在探索新的教學(xué)模式時，必須滿足建構(gòu)性學(xué)習(xí)所強調(diào)的探究、發(fā)現(xiàn)和協(xié)助等基本要求。其實，不難發(fā)現(xiàn)探究式教學(xué)與STEM教育理念所要求的相吻合，所以將探究式教學(xué)運用于中學(xué)生物的教學(xué)中，把課堂的主人還給學(xué)生，教師提供要解決的問題，創(chuàng)造合適的情境，緊緊抓住學(xué)生的注意力，然后清楚地陳述每節(jié)課的目標(biāo)和任務(wù)，教師作為促進者去協(xié)助學(xué)生解決問題。

探究學(xué)習(xí)之后，教師需對所要掌握的中心知識進行總結(jié)，這樣不僅提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)效率，還能夠提高學(xué)生對學(xué)習(xí)的興趣。在這種教學(xué)模式下，教師以科學(xué)探究的方式進行教學(xué)，學(xué)生分組進行學(xué)習(xí)，積極探索實踐，使他們在自主探究的過程中真正理解知識，并掌握學(xué)習(xí)的方法。如，在學(xué)習(xí)《細(xì)胞的吸水和失水》時，首先給學(xué)生列舉出生活中常見的現(xiàn)象，如，在盛有蘿卜條的盤里撒適量的鹽，盤里的水會逐漸增加，一段時間后蘿卜條變軟了;集市上賣菜的菜農(nóng)會通過灑水來保持蔬菜的新鮮;農(nóng)民施肥過多，會造成燒苗的現(xiàn)象。通過以上現(xiàn)象提出問題：植物細(xì)胞在什么條件下吸水？在什么條件下失水？植物細(xì)胞是怎樣吸水和失水的？再利用動畫視頻來展示水分從哺乳動物紅細(xì)胞進出的實驗，學(xué)生觀察和思考，當(dāng)外界溶液濃度較低時，紅細(xì)胞一定能夠吸收水分漲破？紅細(xì)胞失水和吸水是什么決定的？比較植物細(xì)胞的吸水、失水和動物細(xì)胞的吸水、失水有何不同？讓學(xué)生以問題作為線索，明確目標(biāo)，合作探究，主動思考，使問題得以解決，最后教師總結(jié)知識點，這種教學(xué)模式促進了學(xué)生創(chuàng)新能力和相應(yīng)核心素養(yǎng)的提升。

（二）課程內(nèi)容上，促進學(xué)科間的聯(lián)系，讓學(xué)生建立完整的知識體系

中學(xué)生物科學(xué)的主題有四個核心：從分子到有機體、生態(tài)系統(tǒng)、遺傳、生物進化，教師在選擇設(shè)計課程的問題或項目時需要重點關(guān)注各個學(xué)科的融合，注重知識的內(nèi)在邏輯，以促進學(xué)生的深度學(xué)習(xí)，生物學(xué)科中重要的知識點離不開科學(xué)、數(shù)學(xué)等學(xué)科的主流思想，它需要以系統(tǒng)的、整體的觀念來看待，這是STEM教育理念提出的基礎(chǔ)。在課程內(nèi)容上不在局限于將生物課程進行孤立教學(xué)，充分體現(xiàn)了該教育理念的綜合性、跨學(xué)科性的特點。

通過引導(dǎo)學(xué)生利用整體的思維去面對不同的情境，以科學(xué)的方式探索問題的答案，建立完整的知識體系，并認(rèn)識到生物學(xué)課程與科學(xué)、技術(shù)、工程等方面聯(lián)系起來解決現(xiàn)實的問題，使學(xué)生的創(chuàng)新能力和科學(xué)素養(yǎng)都能夠有所提升。如，在《觀察雞卵的結(jié)構(gòu)》這一實驗中，與雞蛋結(jié)構(gòu)有關(guān)的內(nèi)容屬于生物學(xué)范疇，但是雞蛋不容易被捏碎，并且在醋酸溶液中容易沉降，又屬于物理學(xué)的范疇，而有關(guān)雞蛋殼的成分碳酸鈣的內(nèi)容又屬于化學(xué)學(xué)科。再如，在《種群數(shù)量的變化》這一節(jié)內(nèi)容的學(xué)習(xí)中，讓學(xué)生觀察“細(xì)菌繁殖產(chǎn)生的后代數(shù)量”，探究n代細(xì)菌數(shù)量的計算公式，描述、解釋和預(yù)測種群的數(shù)量變化情況，建立以時間和細(xì)菌數(shù)為橫、縱坐標(biāo)的數(shù)學(xué)模型，畫出相應(yīng)的種群增長曲線，更加直觀地觀察種群數(shù)量的增長趨勢，體現(xiàn)了數(shù)學(xué)在生物教學(xué)中發(fā)揮的重要作用。在進行上述內(nèi)容的教學(xué)中，所授內(nèi)容能夠與其他學(xué)科進行密切聯(lián)系，幫助學(xué)生建立完整的知識體系，將所學(xué)的知識進行整合貫通。

（三）課堂實踐上，開展科學(xué)探究，加強學(xué)生社會責(zé)任的培養(yǎng)

生物學(xué)同我們的生活和生產(chǎn)實踐密切相關(guān)，生物學(xué)科中許多的專業(yè)知識都可以用來解釋現(xiàn)實生活中的一些現(xiàn)象。STEM教育理念強調(diào)學(xué)生的發(fā)展是動態(tài)的、開放的，書本不再是教師傳授知識的唯一途徑，教室也不再是唯一的教學(xué)場所，開放式的學(xué)習(xí)有助于學(xué)生理解或解釋生命過程和生命現(xiàn)象。

在教學(xué)過程中充分發(fā)揮STEM教育理念的實踐性特點，讓實踐性課程以活動為基礎(chǔ)，基于解決問題的學(xué)習(xí)，同時獲得實踐的課堂體驗。STEM教育理念強調(diào)學(xué)生對學(xué)習(xí)過程的參與，使學(xué)生不僅能獲得以結(jié)果為基礎(chǔ)的知識，還能學(xué)習(xí)到在問題解決過程中所蘊含的過程性知識。教師在教學(xué)過程中增加學(xué)生進行科學(xué)實踐的機會，鼓勵學(xué)生利用科學(xué)的思維進行探究，親自動手實驗，在探究解決問題的同時學(xué)習(xí)科學(xué)知識，把問題解決作為課堂的主線來進行課程教學(xué)。

在課程實踐上，教師提供給學(xué)生精良的硬件設(shè)施和系統(tǒng)的科學(xué)知識，實現(xiàn)從知識到實踐的轉(zhuǎn)變，并結(jié)合知識提供相應(yīng)的情境，讓學(xué)生通過分析實驗現(xiàn)象和結(jié)果，發(fā)現(xiàn)其中的問題，并嘗試運用生物知識解決問題，促進科學(xué)探究、實踐和創(chuàng)新能力的提高。如，在由人民教育出版社出版的高中生物必修三《穩(wěn)態(tài)與環(huán)境》第四章“種群和群落”一節(jié)學(xué)習(xí)后，教師可以指導(dǎo)學(xué)生開展“探究土壤中的小動物類群豐富度”的探究性學(xué)習(xí)。

課堂上理論學(xué)習(xí)結(jié)束后，引導(dǎo)學(xué)生走出教室，走進大自然，將校園、校外場地等作為研究學(xué)習(xí)的場所，靈活運用科學(xué)知識，去探究不同理化性質(zhì)對土壤動物群落的影響。再如，在專題《傳統(tǒng)發(fā)酵技術(shù)的應(yīng)用》中，它涉及到多種與生活密切相關(guān)的食物的制作，如果醋、果酒以及泡菜等。果酒制作的學(xué)習(xí)中，可以先帶領(lǐng)學(xué)生走進相關(guān)加工廠，去了解該工程的具體操作步驟，然后回到實驗室向?qū)W生講解果酒以及果醋的制作原理，并引導(dǎo)學(xué)生設(shè)計出可行的果酒制作裝置，利用學(xué)生的生活經(jīng)驗，親自體驗葡萄酒的加工過程，獲得醇香的葡萄酒?？偨Y(jié)實驗中所涉及到的知識，讓學(xué)生的實驗設(shè)計和動手能力得到提高，通過一系列的工程實踐后，學(xué)生能夠利用所學(xué)知識去解釋和認(rèn)識自然及社會中的一些現(xiàn)象，將所學(xué)知識能夠靈活運用并掌握，和生活緊密聯(lián)系去解決現(xiàn)實的問題，培養(yǎng)生命觀念和社會責(zé)任等核心素養(yǎng)。

在STEM教育理念的指導(dǎo)下，教師對生物學(xué)課程內(nèi)容進行傳授時，不再局限于單科教學(xué)，而是能夠加強各學(xué)科之間的聯(lián)系，利用整體化、系統(tǒng)化的觀點來進行教學(xué)，學(xué)生學(xué)到的知識也不再是孤立的，能夠建立一個完整的知識體系。一堂好的STEM課堂不僅要有足夠的深度，還要對學(xué)生有吸引力，將學(xué)生作為課堂的主體。

教師采取以學(xué)生為主體、教師講授為輔、探究為主的教學(xué)模式，讓學(xué)生從發(fā)現(xiàn)問題、提出問題到制定計劃、實施計劃，并對所得出的結(jié)果進行交流和討論，最終得出相應(yīng)的結(jié)論。這樣能夠更好地培養(yǎng)學(xué)生的合作意識和解決問題的能力，而且在制定計劃的過程中創(chuàng)新意識得到了很大的提升，促進他們的生物學(xué)科核心素養(yǎng)的培養(yǎng)。在這種教學(xué)模式的課堂實施過程中，重心放在了學(xué)生的探究過程，讓學(xué)生的參與度達到了一個較為理想的巔峰值，讓學(xué)生自己去安排實施實驗計劃，增加了實踐的機會，利用科學(xué)思維去探究解決問題，豐富學(xué)生的課堂活動，體驗問題解決所帶來的成就感;同時，能夠走進生活，聯(lián)系實際，對知識的理解也會達到一個深度，有效提升學(xué)生的自信心，提高科學(xué)實踐的能力。

在知識經(jīng)濟迅速發(fā)展的二十一世紀(jì)，科學(xué)技術(shù)已經(jīng)成為社會發(fā)展的重要部分，在中學(xué)生物學(xué)教學(xué)中融入STEM教育理念，開發(fā)學(xué)生的科學(xué)思維與科學(xué)探究能力，使學(xué)生具備良好的科學(xué)、技術(shù)、工程以及數(shù)學(xué)素養(yǎng)，有利于學(xué)生在社會的發(fā)展中積極應(yīng)對所面臨的各種挑戰(zhàn)，在競爭激烈的社會中占據(jù)一席之地。