融合STEM理念的初中生物学实验教学实践与思考

2019-06-26张锋

生物学教学 2019年6期

张锋

(福建省普通教育教学研究室福州 350003)

越来越多的国家将教育视角投向了STEM教育，学科交叉和知识融合已经成为教育教学改革的关键词。但是，课程如何设置、教学如何开展也是摆在学者和教师面前亟待厘清和解决的两大问题，这也是STEM教育的落脚点和突破口。

1 STEM理念融入初中生物学实验教学中的价值思考

长久以来的分科教育造成了学科人才培养的分离局面，教师的教育专业化和从教专门化的结果就是：让他们丧失学科的整合能力或者从心理上抗拒学科的整合。但教育的发展趋势昭示着这样的抗拒是不利于人才的培养的。在美国《下一代科学课程标准》中，跨学科概念、学科概念以及科学与工程实践一起被作为课程的三大维度。其中，跨学科概念是搭建各个学科之间的桥梁，它主要包括系统和系统模型、物质与能量、结构与功能、稳定性与变化、模式、规模、比例和数量等。作为科学课程的组成部分，生物学越来越从定性、观察性的学科发展为定量、预测性的学科，新生物学的学科范畴已经覆盖了物质科学、计算机科学和工程学等内容。因此，生物学教师应该要做适当前瞻。

将STEM的理念适当地融入学科教学，特别是融入初中生物学实验的教学具有其必要性和可操作性。其一，就初中生的心理特征而言，他们的学科分离意识较高中生弱，其学习习惯的可塑性更好，尽管知识网络的完整性弱一些，但是学科兼容性会更好，教学中可根据初中生的认知层次设计问题和研究项目，对初中生的学习评价也应该基于他们的能力基础。其二，就课程标准和教学设计而言，《普通高中生物学课程标准(2017年版)》可以作为初中生物学教学的风向标，其在“基本理念”中明确提出“教学过程重实践”，要求学生通过探究性学习活动或完成工程学任务，加深对生物学概念的理解，提升应用知识的能力等[1]。因此，在初中生物学实验中融入STEM理念，有助于学生从学习生物学之初就带着大科学视角审视学科本质。

2 基于STEM理念的初中生物学实验教学一般流程

流程建立在学生任务驱动式合作学习的基础上，主要为发展学生解决实际问题能力而设计。生物学实验教学中，可以适当渗透STEM的理念，拓展和改进实验的研究目的、材料、步骤等，将数学、技术和工程整合进科学教育中。STEM研究大致分为：生成研究主题，制定研究计划，了解研究主题，撰写研究方案，准备并开展实验，统计分析，解释数据，报告结果8个阶段[2]。结合初中生物学实验教学的现状，我们将具体流程做了适当简化(图1)，可在教学中进行简单操作。

图1 基于STEM理念的初中生物学实验教学流程图

在STEM研究中被广泛关注的三个核心要素：情境学习、工程设计和科学探究[3]，可在上述流程中逐步体现，其中师生共同寻找研究对象对应“情境学习”，主张通过教师或学生的情境设置、问题凸显来引发学生的深度思考。以真实世界的问题情境为线索，建立教学与真实世界的链接，调动学生的探究兴趣，并使之有效维持。需要学生的个体反思和团队的互助，以便整合更多的智慧参与；从科学、技术、工程和数学四个维度进行研究方案设计指向“工程设计”，在传统的生物学实验教学中，“工程设计”往往是被隐藏的，师生按照教材既有的方案实施实验，进行验证或者探究，寻求原理的理解和认同。而基于核心素养的发展的教学，应该更强调学生在新情境中利用对原理、规律的认知来解决生物学问题。因此，凸显“工程设计”环节，让学生在教师的引导下尝试自主设计实验、设计方案和科学建模等，有利于其高阶思维的发展。解释实验所涉及的科学与技术原理并适当改进与从实验中获得数据、证据和反思主要指向“科学探究”，其过程包含着实验的实施、科学论证和反思的过程，涉及收集、分析和解释数据，提出基于证据的预测和解释、分享实验成果等内容。

3 案例分析

3.1 案例1：探究绿色植物呼吸作用的过程本实验包括探究绿色植物六大器官的呼吸作用以及探究温度对果实呼吸作用的影响。首先，学生分小组利用生活废弃物品自制一套实验装置，分别探究植物根、茎、叶、花、果实的呼吸作用；其次，利用DIS实验技术探究温度对果实呼吸作用的影响：利用二氧化碳传感器和平板电脑，观察对比单位时间内常温组和低温组二氧化碳的释放量。

环节1：学生通过微课自学萌发的种子进行呼吸作用释放出热量、产生二氧化碳、消耗氧气这三个实验，初步建构呼吸作用的概念。部分学生质疑：绿色植物的其他器官能不能进行呼吸作用？针对学生的疑问，教师布置探究任务，要求各小组利用生活中的废弃物品制作一套实验装置，整合教材中的三个实验，五个小组自选一种实验材料分别探究植物其他五种器官的呼吸作用。

环节2：小组合作，并分别从科学、技术、工程和数学四个维度进行研究方案设计(表1)，进而确定实验操作步骤、科学获取实验证据和数据的方法以及小组成员的具体分工等。

表1 探究绿色植物呼吸作用的过程涉及的STEM资源

注：案例提供者——厦门大学附属实验中学吴呈香

环节3：小组成员在教师的指导下，利用生活废弃物品分别设计实验装置，将教材探究呼吸作用的三个演示实验装置整合成一个实验装置，分三个步骤探究绿色植物五种器官的呼吸作用，学生利用温度计检测呼吸作用的热量变化，利用溴麝香草酚蓝检测释放出的气体是二氧化碳，利用燃烧的蜡烛来检测装置中的氧气含量变化。最后利用DIS实验技术中的二氧化碳传感器和平板电脑检测常温组与低温组单位时间内释放出的二氧化碳含量。

环节4：小组成员分别观察到实验组温度计温度升高、溴麝香草酚蓝溶液由蓝色变成黄色、燃烧的蜡烛熄灭，而对照组不变，进而得出呼吸作用释放热量、呼出二氧化碳、消耗氧气，建构呼吸作用的概念；观察到小番茄在单位时间内低温组呼出的二氧化碳气体远低于常温组，进而得出果实低温下呼吸作用较弱。在实验过程中，各小组利用科学、技术、工程、数学等知识解决问题，学生的核心素养培养得以有效地落实。

3.2 案例2：水污染对生物的影响以及生物的净化作用本实验共包括两部分，首先探究水污染对生物的影响：家庭洗涤类污水是学生最常见的污水，在学生讨论的基础上，选取洗涤剂溶液(洗衣粉、洗手液、洗洁精)模拟洗涤污水，同时选取水蚤作为水污染指示生物，观察水蚤在家庭洗涤类污水中的心率变化；随后探究生物对污染水质的净化作用：学生结合家庭养鱼的经验，选取沉水植物、硝化细菌制剂对模拟污水进行净化，观察水蚤的心率变化[4]。

环节1：受人教版七年级《生物学》下册第4单元第7章第2节“酸雨对生物的影响”探究实验的启发，不少学生要求再试一试水污染对生物的影响。为了满足学生的探究热情，教师组织学生小组合作设计并实施实验“探究水污染对生物的影响”。有一组学生在实验方案中提出“水草能不能净化污水？”的问题，受到该组学生的启发，教师将实验拓展到“生物对污染水质的净化作用”，这有利于帮助学生深刻理解生物与环境的关系。在实验生物的选取过程中，师生共同查阅资料发现，沉水植物能够有效降低污水中的氮、磷等营养物质含量水平，对污水净化效果显著；另外，硝化细菌是一类自养好氧型细菌，其中亚硝化细菌能将水体中的氨氮转化成亚硝酸氮，硝化细菌则能将亚硝酸氮最终转化为硝酸氮，从而净化水体水质。

环节2：小组成员根据兴趣选择模拟洗涤污水的种类及净化生物，并分别从科学、技术、工程和数学四个维度进行研究方案设计(表2)，进而确定实验操作步骤、科学获取实验数据的方法以及小组成员的具体分工等。

表2 水污染对生物的影响以及生物的净化作用涉及的STEM资源

注：案例提供者——厦门第一中学黄春晓

环节3：为突破水蚤心率计数难点，师生运用数码显微镜的实时拍摄技术完成实验观察，并借助计数器进行单位时间内的准确计数，分别收集水蚤在培养液、模拟污水及净化水中的心率变化，进一步在Excel中完成作图分析。

环节4：实验数据显示，随着洗衣粉溶液浓度的增加，水蚤心率受抑制的程度逐渐加深，而经过净化的洗衣粉溶液对水蚤心率的抑制作用明显减弱。其他模拟洗涤污水(如洗洁精、洗手液等)对水蚤心率的影响与洗衣粉溶液相似，生物净化效果也相似。学生受“酸雨对生物的影响”探究实验的启发，提出“探究水污染对生物的影响”的探究设想，在教师的指导下，合作设计解决方法，进而利用科学、技术、工程、数学等知识解决问题，并运用理性方法验证解决效果。从实验设计到实施，班级成员汇聚集体的理解、努力和分工来寻求问题的解决。