指向技術工程素養(yǎng)發(fā)展的STEM 教學
——以高中生物學STEM 教學為例

李紀聰

（泉州市培元中學，福建 泉州 362000）

STEM 是科學（Science）、技術（Technology）、工程（Engineering）和數(shù)學（Mathematics）英文單詞首字母的組合。STEM 教育整合了科學、技術、工程和數(shù)學等學科要素，強調(diào)多學科交叉融合解決真實情境中的實際問題。［1］技術工程素養(yǎng)指理解技術工程設計與開發(fā)，具有使用、管理及評價技術的能力。當今信息時代，要求培養(yǎng)具備科學及技術工程素養(yǎng)的復合型人才。傳統(tǒng)教學按具體學科進行劃分，雖然有利于知識的體系化，但導致學科彼此分離，缺乏相互聯(lián)系?，F(xiàn)實生活中的問題一般復雜程度高，需要綜合運用多學科知識才能解決。這就要求教師充分挖掘STEM 教學資源，注重學科的整合，以解決真實問題為任務驅(qū)動，培養(yǎng)學生的綜合運用跨學科知識解決問題能力及創(chuàng)新能力，促進學生發(fā)展技術工程素養(yǎng)。

生物學是一門自然科學，是農(nóng)業(yè)科學、醫(yī)藥科學、環(huán)境科學及其他有關科學的基礎。生物學的發(fā)展與技術、工程的發(fā)展密不可分。高中生物學教學不僅引導學生獲取生物學知識，領悟生物學家解決問題的思路和方法，而且要引導學生參與科學實踐，提升解決實際問題的實踐能力及創(chuàng)新能力。筆者嘗試在高中生物學教學中，應用STEM 教育理念探索提升學生技術工程素養(yǎng)的有效路徑。

一、探索STEM 教學資源開發(fā)途徑

高中生物學所涉及的技術主要指應用物理學、化學及生命科學研究的成果，開展生命科學的研究、對生物或生物成分、產(chǎn)物或?qū)ι鷳B(tài)系統(tǒng)進行改造和利用的技術。工程學是運用數(shù)學、物理學及其他自然科學的原理來開展設計有用物體、優(yōu)化系統(tǒng)的一門應用學科。當前中學生大部分時間主要在學校學習，較少參與生產(chǎn)與勞動，工程技術方面的實踐較少，有必要開發(fā)STEM 教學資源，促進學生提升技術工程素養(yǎng)。

（一）開發(fā)教科書所蘊藏的STEM 教學資源

人教社2019 版高中《生物學》教科書（下文簡稱《生物學》）雖然部分欄目涉及有關技術工程內(nèi)容，但資料不夠豐富、內(nèi)容相對簡單、教學要求低，易被忽視。教師要以STEM 教育的視角，發(fā)現(xiàn)、挖掘、整合與積累教科書所蘊藏的有關教學資源。例如，指導學生分析《生物學》選擇性必修1 教科書提供的“器官移植所面臨的問題”資料，并通過觀看有關心臟移植紀錄片，幫助學生直觀地認識心臟移植技術、流程、要求及其意義。又如，指導學生圍繞《生物學》選擇性必修2“科學技術社會”欄目提供的有關“生態(tài)農(nóng)業(yè)”資料，開展小組討論：如果你是農(nóng)場工作人員，在大棚建設、作物生產(chǎn)過程中可能會遇到什么問題？如何解決？激發(fā)學生主動參與科學探究與實踐，學以致用。

（二）拓展生物科學史所蘊含的STEM 教學資源

生物科學史蘊含豐富的STEM 教學資源，有必要拓展應用生物科學史。例如，根據(jù)分泌蛋白的帕拉德實驗，指導學生思考與討論：如果你是帕拉德，你會選擇什么細胞進行研究？胰腺分泌的蛋白分子很小，如何追蹤蛋白質(zhì)的合成、分泌途徑？如果胰腺細胞吸收3H 標記的亮氨酸后不分泌或分泌量且分泌速度很慢，有沒有什么方法促使其加速分泌？同位素的放射性會不會傷害細胞？同時，指導學生觀察帕拉德實驗過程，探討該實驗是如何運用技術手段解決問題的。又如，進行有關興奮在神經(jīng)纖維上傳導的教學時，根據(jù)生物電發(fā)現(xiàn)史，介紹科學家發(fā)現(xiàn)：改變神經(jīng)細胞外K+濃度，靜息電位發(fā)生改變，動作電位不變；而改變神經(jīng)細胞外Na+濃度，靜息電位不變，動作電位發(fā)生改變。指導學生分析確定K+外流和Na+內(nèi)流是維持靜息電位和產(chǎn)生動作電位的主要原因，并探討科學家選用槍烏賊巨大神經(jīng)纖維為實驗材料的緣由，認識實驗材料的選擇對實驗成功的重要性。同時通過配置不同離子溶度的體外細胞培養(yǎng)液，分析膜片鉗設計特點，進行電流檢測等活動，促進學生提高綜合運用生物學、物理學及化學等學科知識分析問題、解決問題的能力。

（三）優(yōu)化高中生物學實驗教學所蘊含的STEM 教學資源

高中生物學實驗教學時，可以指導學生討論、分析實驗方案、實驗效果是否存在的不足及其原因，嘗試優(yōu)化探究實驗的材料選擇及研究方法改進等，以此開發(fā)STEM 教學資源。例如，制作有絲分裂模型、減數(shù)分裂模型時，使用不同顏色的“毛根”（鐵絲外面包不同顏色的塑料絲）模擬染色體，比用橡皮泥更方便，且可以很好地表征染色體交叉互換。探究細胞大小與物質(zhì)運輸效率實驗所使用的方形瓊脂塊不易翻動，若利用乒乓球為模具制作球形的瓊脂塊，則有利于實驗順利進行。進行探究酵母菌的呼吸方式及探究酵母菌種群數(shù)量等實驗時，指導學生比較分析兩個實驗在培養(yǎng)基的配置、培養(yǎng)基是否滅菌等方面的區(qū)別，明確相關技術在應用時任何細微的差異都可能帶來截然不同的實驗結(jié)果。

（四）挖掘有關試題所蘊含的STEM 教學資源

近年來，各地生物學質(zhì)檢試卷及高考試卷以科學研究論文、生產(chǎn)生活實際等為背景創(chuàng)設試題情境，涉及有關工程技術手段的應用，蘊含豐富的STEM 教學資源。例如，血糖檢測、唐氏篩查、新冠病毒檢測、PCR、基因探針、DNA 測序及CRISPR-Cas9 基因編輯技術等。試題講評前，教師應充分了解各項技術的基本原理、技術設計是否科學、準確、方便等特點。講評時，可以播放有關視頻，并進行適當講解，促進學生直觀地認識研究思路、研究方法及技術手段等，深刻理解科學、技術、社會及環(huán)境之間的相互關系。

在高中生物學教學中充分開發(fā)STEM 教學資源，一方面促進學生了解工程技術的進展及其對社會、科學的影響，開闊眼界，提高學習的興趣；另一方面促進學生跨學科知識的融合，拓寬思路，提高發(fā)現(xiàn)問題和解決問題的能力，發(fā)展技術工程素養(yǎng)。

二、探索STEM 教學方式

2014 年國際技術與工程協(xié)會（ITEEA）提出“引導、探究、解釋、工程、拓展、評價”等6E 教學模式。［2］“引導”是指根據(jù)學生學習需求及課程教學要求，激發(fā)學生探究學習的熱情，明確學習任務，鼓勵學生提出問題?！疤骄俊笔侵笇W生在一定的情境下通過閱讀獲取信息、小組交流、學習有關技術?！敖忉尅笔菍W生交流所學內(nèi)容，進一步內(nèi)化知識及技術，并運用于解決實際問題?！肮こ獭笔腔诮處熖峁┑那榫?，確定需解決的工程學問題，根據(jù)整體觀念、資源和人力價值等要求設計解決方案?！巴卣埂笔侵笇W生在解決問題、獲得知識的同時，形成一定的世界觀、認識觀和思維習慣等?！霸u價”是指學生通過分析、推理、展示、交流及討論，整理實驗結(jié)果、得出實驗結(jié)論的過程。筆者嘗試將6E教學模式與高中生物學教學相結(jié)合，探索STEM 教學方式。

（一）創(chuàng)設真實的問題情境，激發(fā)學生探究學習興趣

開展“生物技術實踐”及“現(xiàn)代生物科技”等內(nèi)容教學時，根據(jù)《生物學》教科書“與生物學有關的職業(yè)”“課外實踐”“技能訓練”及“課后拓展”等欄目提供的STEM 教學資源，創(chuàng)設真實的問題情境，指導學生以技術、工程的視角討論分析、解決實際問題。例如，“免疫學的應用”教學時，指導學生開展“探究疫苗的制備”學習活動，創(chuàng)設問題情境：打完疫苗以后有哪些感受？有不適癥狀嗎？你知道疫苗是如何保存？打完疫苗后需要注意什么問題等。引導學生交流個人所注射的疫苗及體驗，以此激發(fā)學生的探究欲望。接著介紹我國科學家研制的滅活疫苗與美國科學家研究的RNA 疫苗在保存、使用方法及效果等方面的區(qū)別，引導學生探究疫苗的制備流程、技術及作用原理。

（二）指導科學探究，開展實踐活動

引導學生主動參與科學探究實踐活動，面對新的、復雜的探究情境，優(yōu)化、改進實驗方案，加深對有關科學、技術及工程學知識的認識與體驗。例如，學生完成探究土壤中小動物類群豐富度的實驗后，要求學生進一步研究池塘浮游生物類群的豐富度。由于土壤與池塘環(huán)境因素的差異，調(diào)查研究池塘中浮游生物時，學生將面臨諸多新的問題，包括如何設計新的采集工具采集樣本、浮游生物分類依據(jù)是什么、如何確保實驗數(shù)據(jù)的可靠性等。通過科學實踐活動，指導學生學習獲取科技文獻資料的途徑，從合理性、科學性乃至經(jīng)濟角度分析采集技術的可行性，鼓勵學生拓寬思路，嘗試設計、實施多種實驗方案，促進學生提升技術工程素養(yǎng)。

（三）構建工程模型，發(fā)展科學建模思維

模型是人們?yōu)榱四撤N特定的目的而對認識對象所做的一種簡化的概括性的描述。發(fā)展學生的科學思維，提高學生的生物學核心素養(yǎng)，離不開模型與建模的教學。生物學與人類生產(chǎn)、生活密切相關，生物工程的作用日益顯著。高中生物學教學時，結(jié)合具體教學內(nèi)容，指導學生密切聯(lián)系生產(chǎn)生活實踐構建工程模型。例如，分析桑基魚塘生態(tài)系統(tǒng)中桑樹、蠶、魚之間的相互關系，構建生態(tài)農(nóng)業(yè)模型；分析大麥發(fā)芽、焙烤、碾磨、糖化、蒸煮、發(fā)酵及消毒等啤酒工業(yè)化生產(chǎn)流程，了解各階段的操作要點及原理，構建發(fā)酵工程模型；分析從血清提取抗體的缺點、免疫學相關知識及動物細胞培養(yǎng)技術，構建不同單克隆抗體制備模型等。通過這些模型分析、構建、評價及修正，幫助學生明確形成問題、確定特征因素及模型結(jié)構、構建模型、真實性檢驗等模型構建知識，發(fā)展建模思維。

（四）開展項目式學習，滲透STEM 教育

項目式學習是一種以制作作品，并將作品的呈現(xiàn)作為目的，借助多種資源在真實世界中開展的探究活動。［3］項目式學習要求學生融合各學科知識，多角度地分析問題，進行技術和工程的應用和創(chuàng)新。例如，利用學?？萍脊?jié)活動，開展“修復冠狀動脈”為主題的項目式學習活動，以心血管疾病患者的生活創(chuàng)設學習情境，引導學生檢索內(nèi)環(huán)境、心臟解剖實驗技術操作、構建心臟模型相關資料，以“清理血管”為目標設計方案，制作解決血管堵塞的工具模型。并利用有關裝置進行模擬實驗，檢測裝置的合理性。最后，學生將學習成果以視頻、幻燈片或展板等形式進行展示交流。該項目式學習能夠幫助學生加深對內(nèi)環(huán)境相關知識的系統(tǒng)認知，重視心血管疾病的預防，理解生物學、醫(yī)學與工程學之間的密切聯(lián)系。

三、高中生物學STEM 教學反思

（一）拓展教師學科視野

在高中生物學教學中，如何善于從工程和技術的角度，引導學生剖析科學事例、體驗科學實踐，提升學生的技術和工程素養(yǎng)，需要教師要有寬廣的視野、扎實專業(yè)知識、熟練的實驗技能。教師要保持一顆好奇心，學習相關生物學等自然科學史，關注生物科學前沿問題，了解相關學科進展及技術應用情況。善于查閱文獻資料，關注有關生物學社會新聞報道，爭取更多的參觀考察機會，多與其他學科教師、專業(yè)人士進行交流，拓展自己的生物科學視野。

（二）提升教師信息技術及現(xiàn)代生物技術、設備的使用技能

近年來，隨著各地教育投入的增加，許多中學實驗室添置數(shù)碼顯微鏡、傳感器、電泳儀及PCR 儀等現(xiàn)代生物技術設備。作為當代高中生物學教師，要積極參加有關技能培訓，掌握新儀器、新設備的使用方法，這樣才能更好地指導學生開展實驗探究與科學實踐。此外，信息技術飛速發(fā)展，教師也應該緊跟時代發(fā)展步伐，學會利用相關的手機APP、虛擬實驗軟件等進行教學，加強信息技術與STEM 教學的有機融合。

（三）及時給予學生指導與評價

通過科學探究、科學實踐及項目式學習開展STEM 教育時，學生會遇到很多困難。這就要求教師要善于設計與組織學習活動，多與學生進行交流溝通，給予必要的指導和幫助，并及時進行反饋評價，激發(fā)學生的積極性和創(chuàng)造性，培養(yǎng)學生的自信心和克服困難的決心，實現(xiàn)深度學習，提高生物學學科核心素養(yǎng)。

綜上，教師要不斷拓寬學科視野，加強不同學科知識的融合滲透，提高有關技術技能和工程實踐能力，充分開發(fā)、利用各種教學資源進行STEM 教學，勇于探索STEM 教學方式，培養(yǎng)學生的創(chuàng)新精神和實踐能力，促進學生發(fā)展技術工程素養(yǎng)，以適應社會對人才培養(yǎng)的需要。