利用STEAM教学理念帮助学生理解生态平衡的动态性特征

杨晶晶 李秀壮

【摘要】STEAM教育就是集科学、技术、工程、艺术、数学多学科融合的综合教育。生态平衡是初中生物课程中重要概念，而生态平衡动态性具体的实现过程学生往往难以理解。因此，教师基于学科融合的STEAM的课程理念，通过亚洲鲤鱼入侵美国事件，激发学生的学习兴趣，学生在头脑风暴环节中设计解决该问题的方案，并通过小游戏建立捕食者模型，理解维持生态平衡的重要意义。课堂中，学生思维活跃、课堂参与度高，形成了以学生为中心的“做中学，学中思”的课堂氛围，达成了预期的教学目标。

【关键词】生态平衡捕食者模型做中学

STEAM教育就是集科学（Science），技术（Technology），工程（Engineering），艺术（Art），数学（Mathematics）多學科融合的综合教育。生态平衡是初中生物课程中重要概念，生态平衡的结果性学生比较容易理解，而其动态性的具体实现过程由于比较抽象，需要学生借助想象而使得学生往往难以理解。为解决这一难点，教师基于学科融合的STEAM的课程理念，通过亚洲鲤鱼入侵美国事件激发学生的学习兴趣，学生在头脑风暴环节中设计解决该问题的方案，并通过小游戏建立捕食者模型，理解维持生态平衡的动态过程，有效地帮助了学生理解这一重要概念。下面内容为具体的教学设计。

一、课程目标

科学与工程实践：培养学生形成通过构建模型的方法解决问题、合理预测的能力。

学科核心概念：通过鲤鱼入侵的实例帮助学生理解维持生态平衡的重要性。

跨学科概念：鼓励学生跨越学科界限思考问题，提高收集数据、整理数据、分析数据的能力，培养数形转换的科学思维。

二、学情分析

初中七年级学生在生物课堂上已经学习了生态系统中生物与环境的关系、食物链等内容，对于生物入侵现象具有浓厚的兴趣，这些为本节STEAM课程的开展打下基础。但是，七年级学生在数学课堂中没有学习直角坐标系的知识，只有少数学生简单了解图表的绘制，不具备相应的数学知识作为背景，这是本节课的难点，需要教师适当的引导才能突破。同时，七年级学生在课堂中积极思考，主动发言，思维发散性和创新能力较强，而在团队合作上，则需要教师给予明确的分工，进一步引导，逐步培养其分工合作能力。

三、教学环节

1.情境导入

上世纪70年代，美国为了控制鱼塘里藻类和水草的生长，从亚洲进口了亚洲鲤鱼，所谓的亚洲鲤鱼其实是青鱼、草鱼、鲢鱼、鳙鱼、鲤鱼等8种淡水鱼的统称。很快，治理结果就显现出来了，鱼塘中不仅水草和藻类没有了，就连美国本土鱼也所剩无几了。引入的亚洲鲤鱼在美国没有天敌，简直就是到了天堂，它们繁殖力极强，一下子就到了不可控制的地步，成为了臭名昭著的入侵生物。

身在异乡的亚洲鲤鱼恰好赶上上世纪90年代美国的一场洪水，亚洲鲤鱼成功越狱，进入密西西比河，并且一路向北，很快分散到了各大支流中。如今，正在向最重要的淡水湖群五大湖逼近。在行进途中，亚洲鲤鱼所向披靡，把途中所有食物吃了个精光，还仗着自己体型庞大，欺负本土鱼类。据统计，如今很多水域中90%的鱼都是亚洲鲤鱼，这给美国的自然生态环境和渔业市场带来了毁灭性的打击。从2010年至今，为了对付亚洲鲤鱼已经花费了3.88亿美元。

今年，美国密歇根州发出邀请，邀请全世界具有“有创新头脑”的人来解决亚洲鲤鱼入侵的问题。

2.头脑风暴

开展头脑风暴，请同学们想办法阻止亚洲鲤鱼入侵五大湖，提出方案，阐述该方案的优点。

学生讨论美国人已经采取的办法：（1）投放毒药，投了整整2吨的剧毒毒素，结果亚洲鲤鱼几乎毫发无损，反而中毒身亡的鱼类都是美国本土公民。（2）安装电网，美国政府花了几百万建造电网，想把这些鱼给电死。但耗费了整个密歇根州1个月的电量，杀了不到1%的亚洲鲤鱼。（3）架网拦截，架设防护网，在水坝上安装闸门，想要阻挡亚洲鲤鱼渗透到其他水域，但没有效果。（4）有奖杀鱼，美国政府鼓励民众组织弓箭射鱼竞赛。（5）鼓励美国民众食用，美国人不擅长烹饪淡水鱼，也不喜食用淡水鱼。

美国人尝试过很多方法，但是都收效甚微。最终，美国只得使用生物方法，即引入捕食者。鳄雀鳝，被称为世界十大凶猛淡水鱼之一，平均体长两米，身呈长筒形，上下颚密布利齿，形似鳄口。但是，雄性鳄雀鳝要到6岁才成年，雌性鳄雀鳝要到11岁才成年，因此美国近几年投入的都是鳄雀鳝鱼苗，因此鳄雀鳝作为捕食者是否能遏制亚洲鲤鱼的入侵还不为人知。

3.游戏建模

运用小游戏来模拟鳄雀鳝的捕食过程。游戏规则：用一张蓝色的A4纸来代表密西西比河河流中一片二十平米的水域，用大鱼代表鳄雀鳝，用小鱼代表亚洲鲤鱼，每组还将得到一张数据统计表。已知，亚洲鲤鱼大量繁殖，二十平米的区域中随机分布着二十条亚洲鲤鱼。现往该区域中投放两条鳄雀鳝，鳄雀鳝进行首轮捕食，如果一条鳄雀鳝能够触碰到三条或者三条以上的亚洲鲤鱼，那么它就能存活下来。亚洲鲤鱼被吃掉，从该生态系统中消失，如果鳄雀鳝没有触碰到三条亚洲鲤鱼，那么它摄入的能量不足以维持生命，它就会被饿死，此时，该鳄雀鳝和它所捕食的亚洲鲤鱼都从该生态系统中消失。记录第一轮游戏数据，捕食的起始数量：鲤鱼20，鳄雀鳝2，幸存者数量：鲤鱼14，鳄雀鳝4。第二轮捕食，考虑到鳄雀鳝和鲤鱼进行繁殖，规定幸存的鳄雀鳝和鲤鱼的数目翻一倍，作为下一轮的起始数量。即第二轮捕食鳄雀鳝起始数目是4，鲤鱼是28。

学生尝试进行游戏，4～5轮后会遇到问题，游戏暂停，学生交流与分享。

当捕食进行到某一轮时，可能会出现这种情况：鳄雀鳝和鲤鱼数目出现0，游戏无法继续进行。引导学生结合真实的河流生态系统的情况提出解决办法。补充游戏规则：（3）当鳄雀鳝和鲤鱼数目出现0时，会有鳄雀鳝和鲤鱼迁入该水域，规定鳄雀鳝迁入1条，鲤鱼迁入10条。（4）至少完成15轮捕食，尽可能多的记录数据。

游戏继续，每组学生完成至少15轮捕食，并记录数据。

4.拓展——数型转换

进行多轮捕食后，得到数据，教师引导学生明确问题，提取并分析有意义的数据（起始数量和幸存者数量都有意义，幸存者数量更直接体现规律）。思考有没有什么方法能够使规律更为直观的体现出来。教师提供方格纸和彩笔，学生用图形表示数据。

5.交流与分享

Ipad同屏，展示学生绘制的图表。各组之间分享与交流，寻找规律，预测结果。教师评价各组完成情况，评价标准：（1）图表中随着鳄雀鳝的引入，亚洲鲤鱼的数量显著下降。（2）图表中鳄雀鳝和亚洲鲤鱼的数量呈现此消彼长的趋势。（3）捕食环节不少于15轮，数据充分，有可靠性。（4）图表清晰，代表捕食者和被捕食者的图例清晰，结果直观，具有美观性。（5）分享者语言表达流畅，条理清晰。

6.总结提升

引导学生思考我们建立的捕食者模型与真实的生态系统相比，是否有哪些因素是没有考虑充分。该模型还存在哪些问题？培养学生的辩证思维，渗透科学研究的严谨性。

最后，倡导学生在利用科学技术改造自然，造福人类的同时，尊重科学，尊重自然规律。

四、结果和反思

纵观整体教学设计我们不难发现，利用steam课程理念，学生不但能够理解生态平衡的动态性，同时也在数学统计与分析预测方面得到了宝贵的实践机会。学生对课堂的参与性强，学习效果明显。

参考文献：

[1]严文蕃.美国STEAM课程的实践和启示.教育家，2017，（48）.