初中生物學(xué)“眼與視覺”STEM項(xiàng)目教學(xué)嘗試

徐 婷 （南京外國語學(xué)校河西初級中學(xué) 江蘇南京 210019）

“教育應(yīng)培養(yǎng)什么樣的人？ ”是教育領(lǐng)域乃至社會(huì)各界不斷追問的永恒主題。2014年，教育部提出的核心素養(yǎng)體系直接指向?qū)@一問題的回答：中國學(xué)生核心素養(yǎng)以文化基礎(chǔ)、自主發(fā)展、社會(huì)參與3 個(gè)方面構(gòu)成總框架，旨在培養(yǎng)全面發(fā)展的社會(huì)主義建設(shè)者和接班人，完成“立德樹人”的教育任務(wù)。其中，生物學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)包括：生命觀念、科學(xué)探究、科學(xué)思維、社會(huì)責(zé)任4 個(gè)方面。這4 個(gè)方面并不是簡單的組合，而是學(xué)生在富有現(xiàn)實(shí)意義的情境學(xué)習(xí)中，通過自主學(xué)習(xí)、探究學(xué)習(xí)、合作學(xué)習(xí)等方式習(xí)得的綜合素養(yǎng)。

初中生物學(xué)STEM 項(xiàng)目教學(xué)是將STEM 教育融于生物學(xué)教學(xué)，運(yùn)用數(shù)學(xué)（mathematics）、科學(xué)（science）的知識解決真實(shí)情境中的實(shí)際問題，基于工程（engineering）知識的運(yùn)用、技術(shù)（technology）的使用達(dá)成任務(wù)目標(biāo)，從而有效提高學(xué)生的生物學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)，達(dá)到培養(yǎng)全面發(fā)展人才的根本目的。

本文以初中生物學(xué)7年級下冊“眼與視覺”的教學(xué)為例，闡述如何進(jìn)行基于核心素養(yǎng)培養(yǎng)的STEM 項(xiàng)目教學(xué)。

1 圍繞生物學(xué)核心概念，開展跨學(xué)科STEM 項(xiàng)目教學(xué)

“眼與視覺”是蘇教版生物學(xué)7年級下冊“人體感知信息”中第2 課時(shí)的內(nèi)容。學(xué)生需要認(rèn)識眼球的基本結(jié)構(gòu)及功能，并在此基礎(chǔ)上了解視覺形成的過程、近視成因和矯正等知識，從而形成愛護(hù)眼睛的意識，養(yǎng)成良好的用眼習(xí)慣。但教材中有關(guān)眼球結(jié)構(gòu)的教學(xué)主要是依據(jù)示意圖及文字描述，并不能激發(fā)學(xué)生的感性認(rèn)識；7年級學(xué)生尚未學(xué)習(xí)凸透鏡成像的相關(guān)知識，這對于他們理解視覺的形成、近視成因及矯正有一定的難度。

近視是本節(jié)內(nèi)容的重、難點(diǎn)。在近期全國普查中發(fā)現(xiàn)，中國近視患者已達(dá)6 億，其中兒童青少年近視率位居全球第一。青少年學(xué)生有必要了解眼睛的基本結(jié)構(gòu)、近視的成因等知識，并積極防治近視。在此背景下，筆者以“眼與視覺”內(nèi)容為例，設(shè)計(jì)了STEM 項(xiàng)目教學(xué)［1］。

1.1 以核心概念為基礎(chǔ)，進(jìn)行深度學(xué)習(xí) 在日常生活中，與眼球、視力、近視相關(guān)的知識很多。教師在備課過程中應(yīng)重視學(xué)科核心概念，引導(dǎo)學(xué)生對核心概念進(jìn)行深入學(xué)習(xí)。在本節(jié)課中，筆者首先與學(xué)生圍繞核心概念，采用頭腦風(fēng)暴的形式，啟迪思維，梳理了項(xiàng)目活動(dòng)的探究主題（圖1）。

圖1 以核心概念為載體設(shè)計(jì)項(xiàng)目活動(dòng)

在實(shí)際教學(xué)中，以核心概念為載體設(shè)計(jì)項(xiàng)目活動(dòng)主題，并以項(xiàng)目活動(dòng)的進(jìn)行為明線，以學(xué)生核心知識、能力的發(fā)展為暗線，以近視這一常見、具體的情境為切入點(diǎn)，為學(xué)生的分組、活動(dòng)策劃與探究等項(xiàng)目活動(dòng)打下基礎(chǔ)。

1.2 以項(xiàng)目實(shí)踐為載體，親歷探究過程

1.2.1 組織課程內(nèi)容，制定指導(dǎo)計(jì)劃 確定了項(xiàng)目主題后，為保證項(xiàng)目活動(dòng)的有效性，教師需要基于課程內(nèi)容及課時(shí)安排等情況，進(jìn)一步設(shè)計(jì)、規(guī)劃學(xué)生的探究活動(dòng)。學(xué)生的項(xiàng)目活動(dòng)根據(jù)需要可貫穿課前、課上及延伸至課外。在備課過程中，為學(xué)生做好規(guī)劃是實(shí)現(xiàn)項(xiàng)目教學(xué)有序、高效進(jìn)行的必要保證（圖2）。

圖2 根據(jù)項(xiàng)目主題規(guī)劃學(xué)生探究活動(dòng)

1.2.2 組建學(xué)習(xí)小組，開展項(xiàng)目探究

1）組建小組：學(xué)習(xí)小組的組建采用課前同組學(xué)生完成一項(xiàng)任務(wù)，課上每組選1 人組成新的學(xué)習(xí)項(xiàng)目研究小組，該小組也繼續(xù)完成課后探究的方式；同時(shí)遵守組間異質(zhì)、組內(nèi)同質(zhì)的小組分組原則（表1）。

表1 小組分組方式及項(xiàng)目學(xué)習(xí)分配

2）項(xiàng)目探究：各小組分配到項(xiàng)目任務(wù)后進(jìn)行探究活動(dòng)。教師在活動(dòng)中要及時(shí)提供學(xué)習(xí)資料或進(jìn)行相關(guān)技術(shù)指導(dǎo)，促進(jìn)學(xué)生利用各種資源，多渠道獲取信息并解決問題。

3）成果展示與評價(jià)：各組完成項(xiàng)目活動(dòng)后，以不同形式展示研究過程及成果（圖3～圖6），并進(jìn)行多元化的評價(jià)。例如，引導(dǎo)學(xué)生對項(xiàng)目活動(dòng)過程進(jìn)行反思，以自制眼球模型項(xiàng)目活動(dòng)為例：你在制作模型中用到哪些材料？ 你制作的模型有何創(chuàng)新亮點(diǎn)？遇到了什么問題？是如何解決的？你覺得這個(gè)模型還有哪些地方可改進(jìn)？ 通過小組間的經(jīng)驗(yàn)交流促進(jìn)學(xué)生對探究過程進(jìn)行反思。此外，還可從小組實(shí)踐表現(xiàn)、作品制作成果及展示、小組合作學(xué)習(xí)等方面進(jìn)行綜合性評價(jià)。理學(xué)知識；而與物理學(xué)教師的交流中發(fā)現(xiàn)，學(xué)生在8年級學(xué)習(xí)物理學(xué)時(shí)，僅記得近視成因的結(jié)論，能回答其原因的學(xué)生寥寥無幾。如何解決此問題？ 筆者進(jìn)行了基于生物學(xué)科的跨學(xué)科項(xiàng)目教學(xué)的嘗試［2］。

圖3 課前項(xiàng)目活動(dòng)——自制眼球模型

圖4 課前項(xiàng)目活動(dòng)——全校近視人數(shù)及成因等調(diào)查

圖5 課前項(xiàng)目活動(dòng)——調(diào)查視覺相關(guān)眼部疾病

圖6 課后項(xiàng)目活動(dòng)——采訪醫(yī)院專家及宣傳視頻拍攝

1.3 以跨學(xué)科STEM 學(xué)習(xí)為核心，實(shí)現(xiàn)學(xué)科融通 學(xué)生在學(xué)習(xí)“眼與視覺”時(shí)，并不了解相關(guān)的物

1.3.1 尋找知識融合的焦點(diǎn) 經(jīng)過梳理，生物學(xué)內(nèi)容包括眼球的結(jié)構(gòu)、視覺的形成、近視的成因及矯正、保護(hù)視力的方法等；物理學(xué)內(nèi)容包括凸透鏡與凹透鏡、焦點(diǎn)和焦距、凸透鏡成像的規(guī)律、視力的缺陷與矯正、光線會(huì)聚和發(fā)散等?；谏锟茖W(xué)的跨學(xué)科項(xiàng)目教學(xué)，首先應(yīng)以生物學(xué)科知識為核心知識，以生物學(xué)科教學(xué)目標(biāo)作為核心目標(biāo)而重點(diǎn)關(guān)注，在此原則下，筆者將以下內(nèi)容進(jìn)行知識點(diǎn)的融合（表2），并在生物學(xué)課上淡化焦點(diǎn)、焦距等內(nèi)容。

表2 “眼與視覺”一節(jié)中生物學(xué)與物理學(xué)知識點(diǎn)融合焦點(diǎn)

1.3.2 關(guān)注學(xué)科方法的融合 眼睛是學(xué)生比較熟悉的器官，但晶狀體如何成像？晶狀體凸度變化對視力有何影響？ 這些抽象的知識加大了學(xué)生理解的難度，而物理學(xué)中“探究凸透鏡成像的規(guī)律”實(shí)驗(yàn)，正好可彌補(bǔ)此缺憾。為引導(dǎo)學(xué)生主動(dòng)構(gòu)建視覺形成、近視成因及矯正等知識，筆者在本節(jié)課結(jié)合模型開展了STEM 項(xiàng)目教學(xué)。

1）利用光具探究視覺的形成及調(diào)節(jié)。

實(shí)驗(yàn)器材：光具，4 組凸度不同的凸透鏡。

實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)：①思考光具中的凸透鏡和光屏，相當(dāng)于眼球中的什么結(jié)構(gòu)？ ②保證凸透鏡和光屏位置不變，調(diào)節(jié)物體距離，直到光屏上呈現(xiàn)清晰物像（圖7A、圖7C）；③觀察清晰物像的特點(diǎn)，并記錄此時(shí)物體與“晶狀體”之間的距離（圖7B、圖7D）；④比較每組距離是否相同，思考原因。

圖7 利用光具探究視覺的形成及調(diào)節(jié)實(shí)驗(yàn)

通過以上實(shí)驗(yàn)，學(xué)生首先通過類比，將眼球結(jié)構(gòu)與物理模型搭建聯(lián)系，同時(shí)通過實(shí)驗(yàn)認(rèn)識到在視網(wǎng)膜上呈現(xiàn)倒立的物像，再經(jīng)過大腦處理后成為正立的像。其次，學(xué)生在比較數(shù)據(jù)時(shí)發(fā)現(xiàn)，每組物像清晰時(shí)記錄的數(shù)據(jù)并不相同，這是為什么？通過小組之間進(jìn)一步探究，他們推測出因?yàn)橥雇哥R的凸度不同，影響了看清物體的距離。這就是正常人眼的晶狀體在睫狀肌的調(diào)節(jié)下改變凸度大小，使人能看清楚遠(yuǎn)、近處物體的原因。

2）利用光具探究近視的成因及矯正。

實(shí)驗(yàn)材料：光具，凸透鏡、凹透鏡等。

探究實(shí)驗(yàn)：①提出問題：近視是由于什么原因造成的？②作出假設(shè)：近視是由于晶狀體凸度變大造成的；③設(shè)計(jì)并實(shí)施實(shí)驗(yàn)：看一看：換用凸度更大的凸透鏡，觀察物像變化。找一找：移動(dòng)光屏，找到此時(shí)清晰物像的位置。探一探：探究還有哪些辦法可使得光屏上重新呈清晰的物像？

通過以上探究實(shí)驗(yàn)，學(xué)生不僅了解到晶狀體凸度變化會(huì)影響視覺，也可通過探究發(fā)現(xiàn)近視矯正的方法。通過模型構(gòu)建的方式進(jìn)行STEM 教學(xué)，學(xué)生要經(jīng)歷以下探究過程：

①模型準(zhǔn)備：通過觀察、分析模型，建立模型與眼球的關(guān)系，并探索視覺形成的過程及特點(diǎn)；收集相關(guān)數(shù)據(jù)，構(gòu)建“人看遠(yuǎn)、近不同物體與晶狀體凸度變化關(guān)系”的數(shù)學(xué)模型。

②模型假設(shè)：通過理性分析，結(jié)合模型提出假設(shè)：“晶狀體凸度變大會(huì)引起近視”。

③模型構(gòu)建：利用模型構(gòu)建近視形成的原因，并嘗試構(gòu)建近視眼矯正的模型。

④模型檢驗(yàn)與應(yīng)用：通過遠(yuǎn)視眼的形成與矯正的類比探究，檢驗(yàn)構(gòu)建的模型；并進(jìn)一步討論模型在研究其他眼部疾病中的使用。

2 結(jié)語

本節(jié)課結(jié)合模型開展了STEM 教學(xué)，通過完成項(xiàng)目探究的方式培養(yǎng)學(xué)生動(dòng)手實(shí)驗(yàn)?zāi)芰?。學(xué)生首先要理解生物學(xué)相關(guān)科學(xué)知識（science），并在此基礎(chǔ)上搭建模型（engineering），在探究過程中處理不同數(shù)據(jù)、分析數(shù)據(jù)并進(jìn)行假設(shè)（mathematics），還需要嘗試各種方法探究如何矯正近視，同時(shí)進(jìn)一步利用模型探究其他眼部疾病成因（technology）。在項(xiàng)目活動(dòng)探究過程中，科學(xué)、技術(shù)、工程和數(shù)學(xué)有機(jī)結(jié)合，使學(xué)生在實(shí)踐中探究、學(xué)習(xí)跨學(xué)科核心知識，有效提高了科學(xué)探究素養(yǎng)。學(xué)生在收集、分析、交流數(shù)據(jù)的過程中，有效提升了科學(xué)思維的能力；在調(diào)查眼部疾病、身邊近視人數(shù)及原因、采訪醫(yī)院專家及拍攝宣傳短片等多種基于社會(huì)與生活實(shí)際的項(xiàng)目活動(dòng)中，踐行生命觀念、增強(qiáng)了社會(huì)責(zé)任意識。

STEM 課程的教學(xué)目標(biāo)是引導(dǎo)學(xué)生親歷STEM實(shí)踐活動(dòng)過程，并逐步形成正確的價(jià)值觀、必備品格和關(guān)鍵能力。STEM 素養(yǎng)包含了知識的融通與應(yīng)用、設(shè)計(jì)與創(chuàng)新、文化體驗(yàn)與認(rèn)同、科學(xué)態(tài)度與責(zé)任擔(dān)當(dāng)?shù)?。這個(gè)培養(yǎng)目標(biāo)和素養(yǎng)與生物學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)中提出的培養(yǎng)學(xué)生的生命觀念、科學(xué)探究、科學(xué)思維、社會(huì)責(zé)任等必備品格和關(guān)鍵能力的目標(biāo)不謀而合。生物學(xué)作為典型的科學(xué)課程，教師在教育教學(xué)中應(yīng)積極嘗試圍繞生物學(xué)核心概念、運(yùn)用STEM 理論的項(xiàng)目教學(xué)研究。