借助STEM項(xiàng)目化學(xué)習(xí)?培養(yǎng)生物學(xué)核心素養(yǎng)

周鑫

［摘要］ STEM項(xiàng)目以完成作品或調(diào)查報(bào)告等特定任務(wù)為目標(biāo)，凸顯學(xué)生的自主探究和實(shí)踐反思能力。借助STEM項(xiàng)目化學(xué)習(xí)，研究以“探究Cu2+脅迫對(duì)菹草光合作用的影響”創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)為載體，在真實(shí)情境中進(jìn)行問題導(dǎo)向的項(xiàng)目化學(xué)習(xí)，通過跨科學(xué)、多維度思考，訓(xùn)練科學(xué)思維。學(xué)生設(shè)計(jì)項(xiàng)目并實(shí)施實(shí)驗(yàn)，在科學(xué)探究的過程中獨(dú)立思考、真實(shí)體驗(yàn)，并應(yīng)用生物學(xué)原理與知識(shí)解決實(shí)際問題，培養(yǎng)社會(huì)責(zé)任與家國(guó)情懷，培養(yǎng)生物學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)。

［關(guān)鍵詞］ STEM教育；項(xiàng)目化學(xué)習(xí)；學(xué)科核心素養(yǎng)；創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)；光合作用

一、因應(yīng)生命安全與健康教育的真實(shí)性項(xiàng)目選擇

青少年學(xué)生是祖國(guó)的未來，他們的健康和安全也是社會(huì)、學(xué)校和家庭的共同期望。而生物個(gè)體是依賴環(huán)境而存在的，自然生態(tài)的污染與破壞無疑與個(gè)體的健康、安全息息相關(guān)?！?022中國(guó)生態(tài)環(huán)境狀況公報(bào)》指出，全國(guó)農(nóng)用地土壤環(huán)境狀況總體穩(wěn)定，影響農(nóng)用地土壤環(huán)境質(zhì)量的主要污染物是重金屬。重金屬銅是組成生物體細(xì)胞的微量元素，但含量過高則會(huì)影響生物體的生命活動(dòng)。人們用被銅重度污染的土地種植農(nóng)作物，會(huì)對(duì)植物的生長(zhǎng)產(chǎn)生影響，重金屬通過生物鏈的富集進(jìn)入人體內(nèi)，最終對(duì)人體產(chǎn)生危害。近年來，隨著冶金、化工、采礦等行業(yè)的快速發(fā)展，部分環(huán)境中重金屬污染日益增加，土壤中含銅量已超過土壤背景值的幾倍甚至幾十倍，這已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出土壤本身的承受能力。

可見，重金屬銅污染對(duì)植物生長(zhǎng)的影響是與社會(huì)熱點(diǎn)問題相關(guān)的生物學(xué)議題。人教版高中生物學(xué)必修1設(shè)置了“探究環(huán)境因素對(duì)光合作用的影響”這一實(shí)驗(yàn)，通常探究的自變量是光照強(qiáng)度，但農(nóng)業(yè)生產(chǎn)時(shí)光照強(qiáng)度是無法控制的，難以直觀地用生物學(xué)原理去解釋和改變環(huán)境。因應(yīng)生命健康與安全教育的目的，選取重金屬Cu2+污染這一現(xiàn)實(shí)環(huán)境問題作為項(xiàng)目主題，引導(dǎo)學(xué)生基于設(shè)計(jì)思維和項(xiàng)目協(xié)作，綜合運(yùn)用STEM多學(xué)科知識(shí)和技能，揭示重金屬Cu2+污染的危害，形成結(jié)構(gòu)功能觀、穩(wěn)態(tài)平衡觀等生命觀念，培養(yǎng)社會(huì)責(zé)任和鄉(xiāng)土情懷，讓高中生物學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)的培養(yǎng)落地生根。

二、落地生物學(xué)核心素養(yǎng)的項(xiàng)目化活動(dòng)過程設(shè)計(jì)

1.滲透社會(huì)責(zé)任意識(shí)的情境項(xiàng)目創(chuàng)設(shè)

STEM教育理念強(qiáng)調(diào)把知識(shí)用于實(shí)際生活，結(jié)合生活中真實(shí)、有趣的問題設(shè)計(jì)學(xué)習(xí)任務(wù)，通過解決生活中的問題完成教學(xué)。本創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)創(chuàng)設(shè)真實(shí)問題情境作為教學(xué)導(dǎo)入：重金屬銅污染主要是由采礦排放出的廢水和廢氣、城市工業(yè)和生活污水無節(jié)制的排放等致使水質(zhì)或土壤中重金屬含量增加，并造成生態(tài)環(huán)境的嚴(yán)重惡化。菹草對(duì)水體和底泥中的Cu2+有一定的吸收作用，但Cu2+含量過高則會(huì)影響菹草的生長(zhǎng)，因此菹草的生長(zhǎng)狀況可作為環(huán)境監(jiān)測(cè)的指標(biāo)。Cu2+脅迫對(duì)菹草光合作用有怎樣的影響呢？作用機(jī)理可能是什么呢？由此，引導(dǎo)學(xué)生關(guān)注身邊的環(huán)境，并用生物學(xué)原理和方法來研究問題。

本項(xiàng)目中，學(xué)生們利用課余時(shí)間查找重金屬Cu2+污染的現(xiàn)狀，以及重金屬Cu2+對(duì)植物可能存在的危害。教師指導(dǎo)學(xué)生利用周末時(shí)間，采訪與調(diào)查周邊工廠的污水排放渠道，找尋可能存在的重金屬Cu2+污染源，并觀察、拍攝水生植物的生長(zhǎng)情況。學(xué)生們關(guān)注到要探究重金屬Cu2+脅迫對(duì)水生植物生長(zhǎng)的影響，需確定合適的實(shí)驗(yàn)材料。通過調(diào)查發(fā)現(xiàn)，菹草是一種河流中常見的水生植物，且研究表明菹草對(duì)水體和底泥中的Cu2+有一定吸收能力，但含量過高則會(huì)影響菹草的生長(zhǎng)，因此確定課題為“探究Cu2+脅迫對(duì)菹草光合作用的影響”。他們查閱資料，開展小組討論，分析實(shí)驗(yàn)變量，設(shè)計(jì)合理的Cu2+濃度梯度，最后確定實(shí)驗(yàn)方案。

2.關(guān)聯(lián)多維核心素養(yǎng)的教學(xué)目標(biāo)設(shè)計(jì)

關(guān)聯(lián)多維核心素養(yǎng)的教學(xué)目標(biāo)設(shè)計(jì)是指在教學(xué)過程中，將多個(gè)學(xué)科核心素養(yǎng)有機(jī)地結(jié)合在一起，以培養(yǎng)學(xué)生的必備品格與關(guān)鍵能力。STEM項(xiàng)目的探究目標(biāo)與關(guān)聯(lián)多維核心素養(yǎng)的教學(xué)目標(biāo)密切相關(guān)。STEM項(xiàng)目探究目標(biāo)包括引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行真實(shí)的問題解決、實(shí)驗(yàn)和項(xiàng)目設(shè)計(jì)、模擬建模等。這些項(xiàng)目探究目標(biāo)大多能夠推進(jìn)至各學(xué)科核心素養(yǎng)的縱深，也能發(fā)展學(xué)生的跨學(xué)科思維。STEM項(xiàng)目化學(xué)習(xí)經(jīng)常會(huì)涉及其他學(xué)科領(lǐng)域，比如數(shù)學(xué)中的測(cè)量和數(shù)據(jù)分析、物理學(xué)中的原理和實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，甚至藝術(shù)中的外觀設(shè)計(jì)。通過關(guān)聯(lián)多維核心素養(yǎng)的教學(xué)目標(biāo)設(shè)計(jì)，學(xué)生能夠在項(xiàng)目實(shí)踐中獲取學(xué)科特定的知識(shí)和技能，并培養(yǎng)學(xué)科觀念、科學(xué)探究、科學(xué)思維、社會(huì)責(zé)任等素養(yǎng)。因此，為了達(dá)成多維度的教學(xué)目標(biāo)，讓學(xué)生像科學(xué)家一樣思考，形成跨學(xué)科解決問題的思維習(xí)慣，設(shè)計(jì)了如表1所示的STEM項(xiàng)目教學(xué)目標(biāo)。

3.逐層進(jìn)階科學(xué)探究的學(xué)習(xí)任務(wù)延伸

逐層進(jìn)階科學(xué)探究的學(xué)習(xí)任務(wù)延伸是指在掌握基礎(chǔ)知識(shí)和實(shí)驗(yàn)技能的基礎(chǔ)上，通過逐步提高難度和復(fù)雜性的學(xué)習(xí)任務(wù)來拓展學(xué)生的科學(xué)探究能力。在逐層進(jìn)階科學(xué)探究的學(xué)習(xí)任務(wù)延伸中，學(xué)生將面臨更具挑戰(zhàn)性的問題或?qū)嶒?yàn)設(shè)計(jì)，需要更深入地思考、分析和解決科學(xué)問題。這種延伸任務(wù)可以包括如下四個(gè)方面：第一，選擇一個(gè)與原始實(shí)驗(yàn)相關(guān)的特定方面或因素，讓學(xué)生進(jìn)行更深入的研究；第二，通過設(shè)計(jì)涉及多個(gè)變量的實(shí)驗(yàn)，讓學(xué)生研究它們對(duì)所選問題的影響；第三，學(xué)生可以使用計(jì)算機(jī)模型或虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)來模擬所研究問題的相關(guān)過程，這種方法可以幫助學(xué)生更好地理解和預(yù)測(cè)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，并提供一種便捷、安全和高效的研究手段；第四，學(xué)生可以將學(xué)習(xí)任務(wù)延伸到實(shí)際應(yīng)用領(lǐng)域，探索所研究的問題在現(xiàn)實(shí)生活中的意義和應(yīng)用。

因此，從學(xué)習(xí)者特點(diǎn)、學(xué)習(xí)環(huán)境等因素出發(fā)設(shè)計(jì)教學(xué)過程，能使學(xué)生在完成挑戰(zhàn)任務(wù)的過程中，不斷提高運(yùn)用工程學(xué)方法解決實(shí)際問題的能力。該STEM項(xiàng)目從實(shí)驗(yàn)材料、觀測(cè)指標(biāo)等方面進(jìn)行創(chuàng)新，指導(dǎo)學(xué)生運(yùn)用工程設(shè)計(jì)的方式進(jìn)行實(shí)驗(yàn)探究過程，同時(shí)對(duì)指標(biāo)進(jìn)行觀測(cè)，以期提高學(xué)生利用跨學(xué)科知識(shí)解決實(shí)際問題的能力（主要教學(xué)過程見表2）。

4.促進(jìn)科學(xué)思維涵養(yǎng)的工程任務(wù)實(shí)踐

通過參與實(shí)際的工程任務(wù)實(shí)踐，學(xué)生將直接接觸到真實(shí)的問題，并且親身體驗(yàn)科學(xué)思維的應(yīng)用和實(shí)踐過程，從而加深對(duì)研究方法和科學(xué)原理的理解。同時(shí)，工程任務(wù)實(shí)踐通常涉及多個(gè)學(xué)科領(lǐng)域的知識(shí)和技能，這就要求學(xué)生在實(shí)踐中整合不同學(xué)科的知識(shí)，如數(shù)學(xué)、物理、化學(xué)等，以解決實(shí)際問題。這樣的綜合應(yīng)用培養(yǎng)了學(xué)生的系統(tǒng)思考能力和跨學(xué)科思維能力。尤為重要的是，工程任務(wù)實(shí)踐鼓勵(lì)學(xué)生積極尋找解決問題的思路和方法。他們需要提出假設(shè)，設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案，并根據(jù)結(jié)果進(jìn)行調(diào)整和改進(jìn)。這樣的實(shí)踐過程培養(yǎng)了學(xué)生的創(chuàng)新能力和解決問題的能力。

詳細(xì)說來，本項(xiàng)目分為4大組，每組各確定一個(gè)觀測(cè)指標(biāo)進(jìn)行探究，具體的課題分別為“探究不同濃度Cu2+下菹草凈光合作用速率的變化”“光學(xué)顯微鏡下觀察細(xì)胞中的葉綠體”“葉綠體中的色素提取與分離”“葉綠素a、葉綠素b的定量監(jiān)測(cè)”。各小組按方案中確定的實(shí)驗(yàn)流程，對(duì)菹草進(jìn)行Cu2+脅迫培養(yǎng)，并進(jìn)行相關(guān)檢測(cè)，觀察記錄結(jié)果。各組根據(jù)自己的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，及時(shí)整理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。之后，教師再引導(dǎo)學(xué)生利用Excel軟件繪制曲線圖，分析數(shù)據(jù)，得出相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)結(jié)論。最后，組內(nèi)討論，利用已有的生物學(xué)知識(shí)嘗試解釋實(shí)驗(yàn)結(jié)論，探究生命現(xiàn)象背后的生物學(xué)原理。各組分享實(shí)驗(yàn)探究心得，在交流過程中體驗(yàn)探究的樂趣，提高合作學(xué)習(xí)能力，通過反思實(shí)驗(yàn)過程提出改進(jìn)措施，訓(xùn)練科學(xué)思維。

5.踐行核心素養(yǎng)內(nèi)化的項(xiàng)目遷移應(yīng)用

在高中生物學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中應(yīng)用STEM項(xiàng)目化學(xué)習(xí)是教學(xué)改革的積極探索，其本質(zhì)還是希望學(xué)生能將生物學(xué)知識(shí)應(yīng)用于生活實(shí)際，能利用工程學(xué)的思維解決生產(chǎn)實(shí)踐的問題。在這個(gè)過程中，通過設(shè)計(jì)適合學(xué)科特點(diǎn)的學(xué)習(xí)遷移項(xiàng)目，促進(jìn)學(xué)生深入理解知識(shí)，并將其內(nèi)化為學(xué)科核心素養(yǎng)。一方面，項(xiàng)目化的遷移應(yīng)用能夠幫助學(xué)生將學(xué)科核心素養(yǎng)轉(zhuǎn)化為具體行動(dòng)，應(yīng)用于學(xué)科項(xiàng)目的不同階段和任務(wù)；另一方面，項(xiàng)目遷移應(yīng)用可以創(chuàng)造出更具互動(dòng)性和合作性的學(xué)習(xí)環(huán)境，有助于學(xué)科核心素養(yǎng)的內(nèi)化。這種協(xié)作和互動(dòng)過程促使學(xué)生積極參與學(xué)科學(xué)習(xí)，相互借鑒，以培養(yǎng)學(xué)科交流和合作的能力。此外，項(xiàng)目遷移應(yīng)用還為學(xué)生提供了更多自主學(xué)習(xí)的機(jī)會(huì)，讓他們不斷評(píng)估和調(diào)整自身的學(xué)習(xí)策略和方法，促進(jìn)學(xué)生進(jìn)一步將知識(shí)內(nèi)化為學(xué)科核心素養(yǎng)。

對(duì)于探究Cu2+脅迫對(duì)菹草光合作用的影響，可以通過STEM項(xiàng)目化學(xué)習(xí)引導(dǎo)學(xué)生遷移設(shè)計(jì)其他探究實(shí)驗(yàn)。例如，學(xué)生可以進(jìn)一步配制不同濃度的Cu2+溶液，將其加入植物細(xì)胞樣本中并觀察細(xì)胞核結(jié)構(gòu)的變化。通過顯微鏡觀察和圖像分析，學(xué)生可以評(píng)估Cu2+脅迫對(duì)植物細(xì)胞核形態(tài)、大小和染色質(zhì)結(jié)構(gòu)的影響，從而了解其在細(xì)胞水平上的作用機(jī)制。此外，學(xué)生還可以通過數(shù)據(jù)收集、數(shù)據(jù)分析和結(jié)果討論等科學(xué)探究活動(dòng)，培養(yǎng)科學(xué)思維方法和實(shí)踐技能。總之，在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中借助STEM項(xiàng)目化學(xué)習(xí)，能夠使學(xué)生在理解科學(xué)原理、掌握實(shí)驗(yàn)技能的同時(shí)，逐步達(dá)成“像科學(xué)家一樣思考”，培養(yǎng)生物學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)。

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周 鑫? ?江蘇省奔牛高級(jí)中學(xué)。