基于STEM教育理念的高中生物教學實踐模式探究

李首智

(遼陽市第一高級中學 遼寧遼陽 111000)

科學課程教育，注重運用科學的教育模式及教學手段，核心導向在于提升學生科學思維、創(chuàng)新意識、實踐能力以及科學素養(yǎng)等。STEM教育理念緣起于20世紀80年代美國，誕生之理念旨在提升青少年創(chuàng)新能力與實踐能力的教育教學有效性[1]。其教學課程重點培養(yǎng)四點：科學素養(yǎng)、技術(shù)素養(yǎng)、工程素養(yǎng)、數(shù)學素養(yǎng)。強調(diào)將科學、技術(shù)、工程、數(shù)學等有機融合，運用跨學科的綜合知識及手段解決現(xiàn)實問題。該理念與生物課程教學相結(jié)合，可可促進學生從單一的書面知識理解的初級學習思維，轉(zhuǎn)變?yōu)橹R與技能同行培養(yǎng)的創(chuàng)新創(chuàng)效的學習思維模式及習慣，有助于培養(yǎng)其獨立思考能力、邏輯思維轉(zhuǎn)化能力以及實踐能力等[2]。本文以高中生物教學為主題，基于前人學者研究基礎，分析STEM理念應用于教學工作中的實踐模式，如下：

一、基于現(xiàn)實而創(chuàng)設真實問題情境，激發(fā)學生積極性

STEM教育理念以項目課程為核心內(nèi)容，強調(diào)從學生生活遇到的現(xiàn)實問題出發(fā)而促使學生從實際案例中深入學習理論知識并將其實踐運用。教學過程中，教師應充分了解各個學生的學習特點、知識水平以及認知能力，構(gòu)建良好的教學情境，以鍛煉學生學會在生活中挖掘問題、判斷問題、分析問題以及解決問題，以培養(yǎng)學生獨立思考能力、邏輯思維轉(zhuǎn)化能力以及實踐動手能力。例如分析環(huán)境因素對光合作用強度的影響，以培育養(yǎng)蟹田中的黑藻而言，黑藻是養(yǎng)蟹田的首選水草，將其種植于蟹田亦屬于生態(tài)養(yǎng)蟹的新技術(shù)。常言道“蟹大小或蟹多少全得看水草?！笨梢哉f養(yǎng)好蟹的前提即必須提升黑藻產(chǎn)量。因此基于課本內(nèi)容，從如何提高產(chǎn)量的視角出發(fā)，引導學生進入研究情境，同時利用信息化手段播放光合作用的動畫視頻，結(jié)合實際例子促使學生更切實、淺顯易懂的理解光合作用的實際應用原理及過程，最后可提出相關(guān)任務：如要求學生根據(jù)課本知識及觀看視頻的講解，分析影響光合作用強度的各種因素。

相比于單純講解課本內(nèi)容，以實際例子出發(fā)并結(jié)合動態(tài)視頻講解，并結(jié)合任務引導，有助于學生更高效益理解知識并知悉其在現(xiàn)實生活中的實踐應用，對培養(yǎng)學生邏輯思維轉(zhuǎn)化能力及理論知識實踐應用能力具有一定積極作用。

二、短視頻演示作參考，規(guī)范實驗操作技術(shù)

規(guī)范標準化的實驗操作是探索科學的基礎，亦是提升生物教學的重要保障[3]。以“酵母細胞固定化”這一節(jié)實驗課程為例，實驗操作往往可有效激發(fā)學生參與積極性，該例子實驗現(xiàn)象也較為明顯、操作過程充滿趣味，但該課程部分技術(shù)操作也存在一定難度，如要求在40min內(nèi)完成實驗，對于學生而言也并非易事。對于實操活動來說，演示實驗操作步驟盡管直觀可視化，但可見深度不明顯，可控性亦存在局限性。如《酵母細胞固定化》這一課，筆者聯(lián)合其他教師及實驗員將其整個過程拆解化展現(xiàn)給學生，包括“酵母細胞活化、海藻酸鈉加熱融化(小火分階段式加熱)、固定化酵母細胞(設置注射器推射的距離及角度)、凝膠珠顏色與形狀以及彈性檢驗、觀察分析固定化酵母細胞發(fā)酵的葡萄糖溶液(聞酒味方法、氣泡產(chǎn)生觀察法)”等，將各關(guān)鍵環(huán)節(jié)的操作步驟拍成短視頻，為學生提供便捷的學習形式。作為理科學科的生物課程，具有微觀性、復雜性、多樣性等特點，開展實驗教學中，相較于抽象化而操作難度較大的演示性實驗而言，以短視頻觀看為主再行實操為輔可為學生創(chuàng)設更直觀、簡易的實驗氛圍，優(yōu)勢在于打破時空限制，且將抽象化的問題直觀化、繁雜的問題簡明化，的“微”視頻替代抽象、操作要求高的演示實驗，能為學生創(chuàng)造更加直觀真實的實驗氛圍，將抽象問題直觀化、煩瑣問題簡單化，有助于提升實驗活動的可見度及可控性，且短視頻具有反復觀看的特點，可幫助學生更快打破實驗操作的困境。此外其通過更直觀仔細的觀察、體會及感受，有利于在實驗活動中進一步規(guī)范技術(shù)操作，提升技術(shù)素養(yǎng)[4]。

三、多視角即時性糾錯，提升工程素養(yǎng)

Stem教育理念中中強調(diào)融合工程素養(yǎng)進行學習，旨在力爭提升課堂所傳授知識內(nèi)容應用于現(xiàn)實生活的實踐性，促進學生在復雜而具有現(xiàn)實價值意義的情境中展開學習，以更有效培養(yǎng)其批判性思考能力及邏輯思維轉(zhuǎn)化能力。

再如上文提及“酵母細胞固定化”這一課，短視頻中針對海藻酸鈉稱取量及操作步驟等有細致講解，學生也在實驗前觀看數(shù)次，但實際操作中仍發(fā)現(xiàn)有部分學生在“操作順序、攪拌方式、溶化程度、加熱方式、混合時間、注射頻率”等幾大關(guān)鍵事項方面產(chǎn)生一系列問題，如有學生攪拌速度過慢，致使海藻酸鈉融化過程中殘留部分于燒杯壁，直接影響結(jié)果精確性。對于實操性錯誤，事后反省糾正往往實效性不高，因而每當出現(xiàn)差錯筆者即暫停活動，指導學生挖掘錯誤成因，并讓其與其他成員協(xié)作思考如何分析解決之法。在如此互評交流、反思糾正的基礎上，教師可再同步播放關(guān)鍵操作步驟的即時短視頻，要求認真觀看，以“參考糾錯、細致探錯、靈活用錯、積極改錯”而解決實驗操作困境，以科學的工程素養(yǎng)開展實踐操作，并反復實驗形成可靠結(jié)果，力爭發(fā)揮在開展重復工程實踐活動中的“新工科”潛能及適應性。而教師若有效掌握且開發(fā)利用好學生實驗活動的錯誤集錦，對培養(yǎng)學生批判性思維、自省總結(jié)能力亦可起到有效輔助，有利于全方位鍛煉學生工程素養(yǎng)，培養(yǎng)其切實、可靠、實際的科學態(tài)度及精神。

四、多學科融合，培養(yǎng)數(shù)學多樣化運用能力

STEM教育教學理念強調(diào)將科學、技術(shù)、工程、數(shù)學等有機融合，運用跨學科的綜合知識及手段解決現(xiàn)實問題，以做帶學，強化其動腦與動手能力，同時也有助于提升其豐富的感性認知，以培養(yǎng)其知識總結(jié)能力。數(shù)學知識作為生物研究的必備工具之一，可分析描述、計算及推導生物研究項目，以定性到定量而更全方位、深入化地認識化學變化及其規(guī)律，有助于將把生物問題轉(zhuǎn)化為數(shù)學問題而高效解決。

例如“花生果實大小的變異”，研究內(nèi)容主要包括花生取樣、測定果實長軸長度、數(shù)據(jù)記錄與整理、繪制曲線圖等?！盎ㄉ又饕獙嵭须S機取樣，數(shù)量＞30粒；測定果實長軸長度即考驗測量技能；將所采集的數(shù)據(jù)繪制為曲線圖，則涉及坐標軸知識”等等諸如此類活動的實踐過程中直接涉及數(shù)學知識，對提升學生問題分析能力、推導歸納能力以及解決能力等均可起到積極作用。再如制作生態(tài)瓶，學生需核算各種動物、植物每日的呼吸活動所需的氧氣量及各種植物每日光合作用可產(chǎn)生的氧氣量；而若要促使生態(tài)瓶中不同植物可產(chǎn)生充分維持動物及自身安全存貨的氧氣量，則同時還需核算植物與動物的體積比例或重量比等，這對數(shù)學的融合運用即提出高要求，亦與上述所言培養(yǎng)學生問題分析能力及解決能力等存在同質(zhì)性。而如此教學通過積極融合各個學科的知識，進一步豐富課堂教學內(nèi)容，促進學生充分認識到各種知識的相連特性與科學規(guī)律，實現(xiàn)其科學素養(yǎng)的有效培養(yǎng)。

五、結(jié)束語

STEM教育理念以實踐能力培養(yǎng)為核心導向，將知識問題化且再將問題項目化，積極培養(yǎng)學生科學觀的理性思維、實踐應用能力、團隊協(xié)作意識，有效打破傳統(tǒng)生物教學存在的知識運用形式呆板、實踐應用效果不佳等困境。其強調(diào)學生實踐操作，亦同時與現(xiàn)階段教育界及學術(shù)界強調(diào)多專多能的實踐型人才需求相對應，對于新工科背景下的科技理工型、創(chuàng)新型人才培養(yǎng)具有重要顯示意義。從大環(huán)境來看，越來越多的研究者與一線教師逐步將STEM教育理念融入至實踐課堂教學中，但對于STEM教育的高中生物及相關(guān)課程的教育應用，主要體現(xiàn)在北京、上海、江蘇等教育發(fā)達的地區(qū)，STEM教育理念的普及性應用以及更高效益的應用形式、策略等研究仍任重而道遠。