基于STEM理念的初中生物实验设计

吴洪

摘要：STEM是基于项目和问题学习的理念，具有探究性，能解决“是什么”、“为什么”、“做什么”、“怎么做”的问题。生物学是以实验为基础的学科，实验设计中引入STEM理念具有重要意义。本文将以苏科版生物学教材（八年级上册）中“蒸腾作用”概念教学为例，谈谈如何设计、实施基于STEM的初中生物实验活动。

关键词：初中生物；STEM；蒸腾作用；实验

中图分类号：G633文献标识码：A 文章编号：1992-7711（2018）05-083-2

在传统教育的评价制度下，初中生物教学与现实生产、生活、科学、技术等脱节。STEM教育理念集科学、技术、工程与数学于一体，能解决“是什么”、“为什么”、“做什么”、“怎么做”的问题。笔者在“绿色植物的蒸腾作用”实验教学设计中尝试引入STEM教育理念，设计问题串，让学生开展基于STEM的生物实验活动，在系列活动中建构生物重要概念，提升生物学素养，收了良好的效果。

一、问题的提出

“绿色植物的蒸腾作用”是苏科版八年级上册《生物学》第十八章“生态系统的稳定”第1节“绿色植物与生物圈的水循环”第一课时的教学内容。隶属于“人与生物圈”课程主线中“生物圈中的绿色植物”的二级主题“植物的生活需要水和无机盐”。这是一个植物生理学概念，有其特定的生理过程和特有的生理现象。笔者设计通过测定植物的蒸腾作用和观察植物叶表皮气孔的实验引导学生认识植物进行蒸腾作用的主要场所——叶片，理解叶片上与蒸腾作用直接相关的结构——气孔的作用，初步形成生物体的结构与功能相适应的基本观点。整个过程，引导学生从实验感知入手，历经思维加工，进而上升到理性高度，从而建构概念。

二、“绿色植物的蒸腾作用”实验教学设计

1.实验准备。

①选取两枝粗细相近的枝条，一枝去掉叶片，一枝保留叶片，分别插入规格为50mL的两只量筒内（量筒内盛水各40mL，液面上滴加一薄层食用油）。枝条露出量筒外的部分用保鲜袋罩住，袋口用橡皮筋扎紧。将该装置放到有阳光的地方照射1～2h，以备在课堂中进行观察。②选取新鲜的芹菜（茎和叶）8～10根，其中4～5根插入装有红墨水的烧杯中，静置，其余备用。

2.问题导入——水分去哪里了？

一株玉米，从出苗到结实，一生所需的水分约200kg，其中作为植物组成成分的水分约09%，维持植物生理过程的水分约01%，两者的水量加起来仅占玉米吸入体内水分总量的1%，那其余的99%的水分去了哪里了呢？让学生产生疑惑，形成认知冲突，并萌发浓厚的兴趣，引出课题。

3.观察思考——水分通过植物的哪些器官散失？

组织学生观察课前准备的实验装置（如下图），找出实验装置的异同之处，分析实验现象原因，提出一系列问题：①为什么要在清水中加少量食用油。②为什么瓶内的水面下降了，水到哪去了？③塑料袋内壁上的水来自哪个器官？④水以什么形态到达塑料袋内壁上？⑤塑料袋内壁上的水是从植物的哪些器官散失到植物体外？设计系列活动，引导学生观察思考，并逐一解决。

活动一：观察植物水分运输的器官

为了让学生有直观感性认识，笔者指导学生用解剖刀切开插入装有红墨水烧杯中的芹菜茎，与备用芹菜进行比较，观察现象。学生很容易发现插入红墨水烧杯中的芹菜茎内部组织变红色，能分析得出水分可以通过芹菜茎内的输导组织运输，到达叶片部位。

活动二：观察植物叶片的结構

在烧杯中加入温水，将新鲜青菜叶片放入烧杯中，观察现象（如图1）。学生能观察到放入烧杯中的叶片正反面都有小气泡，由此判断叶表面有散失水分的特殊结构，由此过渡到下一个教学环节。

4.观察植物叶表皮气孔。

活动一：观察植物叶下表皮气孔

指导学生分组展开实验：①明确目的要求；②阅读方法步骤；③讲解操作要领；④合作展开实验。教师通过数码显微镜展示植物叶下表皮气孔的图像。让学生通过实验明确气孔确实存在，进而通过植物叶片上下表皮气孔的数目对比，总结气孔主要分布在下表皮。通过图片分析，使学生明确气孔是由一对半月形的保卫细胞围成的空腔。保卫细胞控制气孔的张开和闭合。

活动二：比较不同状态植物叶片的气孔

选取新鲜、萎蔫两种状态的植物叶片，继续观察、比较表皮气孔。指出不同状态的植物叶片表皮的气孔，有的张开，有的闭合，继而引导学生思考气孔的张开和闭合的原理。

活动三：模拟气孔开闭

①取两个长条形的气球，一侧粘贴透明胶带，分别用塑料管插人将两气球用透明胶带粘紧；②向塑料管内吹气，两气球空隙增大停止吹气，空气从气球内跑出，气球瘪了，两气球间的空隙减小甚至合拢③讨论：气球相当于什么？两气球间的空隙相当于什么？吹气相当于什么状态？放气相当于什么状态？④结论：当细胞吸水膨胀时气孔张开；反之，气孔闭合。

5.建构蒸腾作用概念，阐述蒸腾作用意义

让学生以概念图（如图2）的形式进行梳理归纳，引导学生阐述气孔与蒸腾作用的关系，初步树立生物体结构与功能相适应的生物学观点，并归纳总结出气孔的作用“蒸腾失水的门户，也是气体交换的窗口”。在阐述蒸腾作用的意义时，前后首尾呼应，回归到开始导入的问题，植物体内99%的水分用于蒸腾作用是不是一种极大的浪费呢？在学生不置可否的情况下，组织学生阅读教材。

三、基于STEM的初中生物实验教学的反思

本节课从创设问题情景入手，以问题串引导的方式激发学生探究欲望，设计基于STEM的实验活动，淡化了学科之间的界限，以生物为基础学科，学习生物知识的过程要求学生联系科学、技术、工程、数学学科的知识与技能解决问题。教师就“绿色植物的蒸腾作用”这一重要概念设计了系列实验活动，引导学生主动参与、积极动手动脑、创新设计，通过探究从而达到概念的建构，提高了学生的核心素养。

本节课引入STEM教育理念，更强调同伴、师生之间的合作学习。合作学习时学生之间有明确的责任与分工，且进行互助学习，这也是思想碰撞的学习。当然，这里的合作性不也仅仅是师生、学生之间的，也有学校与社会、学校与企业等的合作，使得学生将知识转化为实际生活。基于STEM的初中生物实验教学使得教师在课程内容的选择、实施、评价过程中表现出多样性，同时学生在参与学习的过程中解决问题的方式多样，在解决问题的过程中大胆创新。

在国际科学教育改革的背景下，基于STEM的初中生物实验教学或将成为研究热点，笔者希望通过此研究促进生物教学与科学、技术、工程、数学的深层次融合，摸索初基于STEM的初中生物实验设计的策略，丰富初中生物实验探究活动，为课程改革实现学科的综合化提供一些思路，增添一些实证材料，真正提高学生的核心素养。

[参考文献]

[1]叶兆宁，杨元魁.集成式STEM教育：破解综合能力培养难题[J].人民教育，2015.

[2]张树岭，王菲菲.“绿色植物的蒸腾作用”的教学设计[J].生物学教学，2014，39（01）.

[3]万小荣.“绿色植物的蒸腾作用”的教学设计[J].生物学教学，2013，38（11）.

[4]叶兆宁，杨元魁.集成式STEM教育：破解综合能力培养难题[J].人民教育，2015.

（该文系江苏省“十二五”规划初中专项重点资助课题“优化初中生物实验教学策略的实践研究”的阶段成果，课题编号：Ea/2015/03）