STEM教育在初中生物探究活动教学中的渗透

黄东姐

摘   要：本文举例阐述了在STEM教育理念的引领下，优化初中生物学探究活动，有利于学生科学思维的培养和STEM素养的形成。

关键词：STEM;初中生物学教学;课例分析

STEM是科学、技术、工程和数学的英文单词的简称。STEM 教育是科学、技术、工程和数学的综合性教育，它不是这四个学科教育的简单拼凑，而是要求学生在特定问题上，能运用多学科相互关联的知识解决问题，以培养学生对科学技术的兴趣，形成综合的STEM素养。

STEM 教育的兴起缘于20世纪80年代美国对科技人才日益短缺的思考。这几年，STEM教育作为一种新颖的教学方式在我国开始流行，主要渗透在基础教育阶段，意在培养中小学生的STEM素养，为他们成为未来的科技人才奠定基础。在此教育理念下，教师引导学生利用工程设计，进行科学探究实施实验，形成自己的经验，掌握不同的设计思路，体会不同的数学处理方法，最终建构新的科学知识[  1  ]。现以人教版初中生物学八年级下册“探究酒精或烟草浸出液对水蚤心率的影响”一节为例，谈谈在STEM教育理念的引领下，如何优化初中生物学探究活动。

1  基于STEM教育理念的探究性实验的基本环节

“探究酒精或烟草浸出液对水蚤心率的影响”是初中生物学“健康地生活”这一主题课程的一个探究性实验。学习者通过观察酒精（或烟草浸出液）对水蚤心率的影响，从而讨论酗酒（或吸烟）对人体健康的危害。

1.1  明确探究问题

STEM教學策略的核心是探究性学习，而探究必须始于问题，且一般是基于生活情景的真实问题。这个问题可以是学生在生活经验中自己发现的，也可以由教师给定或教材提供的。本节内容教材中提出的问题是：探究酒精（或烟草浸出液）对水蚤心率有什么影响？教师可以通过创设真实情境进一步引导学生，依据生活中的所见所闻及所学知识，提出探究问题。例如：在不同浓度的酒精（或烟草浸出液）中，水蚤心率变化情况如何？酒精（或烟草浸出液）对水蚤的生命活动会造成什么影响？酒精（或烟草浸出液）会导致水蚤死亡吗等问题。

在初中生物探究教学活动中，教师不急于给定学生问题，可以通过创设真实情境引导学生发现问题。例如，展示图片“不吸烟者的肺和吸烟者的肺”、视频“酗酒引发心血管疾病等健康问题”，或提供“酗酒引起交通事故”等生活案例。这样既能充分运用初中学生的知识与能力储备，又能与STEM教学的创新性和开放性相契合。

1.2  作出合理假设

作出假设是指学生应用自身已有的知识，对问题的结论提出可能的设想和解答。它可以使科学研究更有针对性，而不是盲目的尝试。本节内容，学生根据自己提出的探究问题，作出相应的假设：一定浓度的酒精（或烟草浸出液）可能会使水蚤心率加大，浓度太高会导致水蚤死亡。

在教学中，教师鼓励学生基于科学原理和事实，对探究的问题大胆地提出假设。在这过程中 ，学生充分发挥想象力和创造力，批判性思维得到了锻炼。

1.3  设计并实施方案

STEM是一种基于证据的学习。假说是否正确，需要通过设计、实施实验方案得到证据来加以验证。设计方案主要包括列出实验所需的材料和用具，选出实验控制变量，设计对照实验，拟定实验的具体步骤，确定小组成员的分工合作事项等。学生通过小组讨论自主制订实验方案，与教师共同评估方案的可行性，然后按照设计的实验步骤开始操作。即进行观察、实验，收集证据、数据，尝试评价证据、数据的可靠性等。

本实验选择的材料用具主要有：活水蚤、体积分数为95%的酒精（或烟草浸出液）、蒸馏水、显微镜、载玻片、吸管、计时器等。在制订方案时，还需要讨论以下问题：①实验过程，需要用到多少只水蚤？水蚤应该分成几组？每组多少只？为什么？②该实验的变量是什么？③怎么样配制不同浓度的酒精（或烟草浸出液）？④怎样设计对照实验？实验的具体步骤是什么？⑤每次数水蚤心率的时长是应该是多少？怎么数水蚤的心率？怎么样才能减少实验误差？⑥怎么设计实验数据记录表？等。

虽然在制订方案过程作了充分的准备，但在实施方案的过程中，学生还是会遇到很多问题。如载玻片上的水太多导致水蚤无法固定在一个位置;水蚤心跳太快导致学生数数出现问题;实验结果与实验预期不相符等。这时，教师可以指导学生查阅资料或提供解决办法的方案，并鼓励学生进一步优化实验方案，重复实验。在设计和实施实验方案的过程中，学生能够把工程、技术与科学原理系统地、创造性地运用于科学实践中，面对挑战，灵活地分析问题，大大提升了技术素养与工程素养。

1.4  处理结果得出结论

对实验现象进行描述、分析与判断实验数据等都需要运用到学生的数学素养。数学是STEM教育的辅助性工具，运用于科学、技术和工程之中，能帮助学生更好地分析实验结果，更科学地推导相应的结论。在实验过程中，学生设计实验结果记录表，教师引导学生根据实验结果填写真实数据，计算平均值，并画出相应的变化曲线。学生运用数学知识对实验数据进行不同方式的处理，深刻地体会到表格有利于实验结果的记录，而曲线更能直观反映变化趋势。

例如，学生设计了“水蚤在清水和不同体积分数酒精中的心率记录表”（表1）和“水蚤在不同体积分数酒精中活动状态记录表”（表2），并将表格转化为相应的曲线图（略）。学生从图表信息推导得出以下结论：短时间内，一定浓度的酒精（或烟草浸出液）会使水蚤心率加大，在一定浓度范围内随浓度增加水蚤心率越大;30 min后，在一定浓度的酒精（或烟草浸出液）水蚤的生命活动受到影响甚至死亡。表明酒精（或烟草浸出液）对水蚤有一定的毒害作用。

表1  水蚤在清水和不同体积分数酒精中的心率记录表

表2  水蚤在清水和不同体积分数酒精中的活动状态记录表

备注：摇晃后平放试管观察水蚤，以15秒内不动判定为死亡。

学生在实验过程中设计表格及绘制曲线图，并与其他实验小组比较，从而进行适当的修正。在生物学科中进行构建数学模型思维的渗透，巧妙地把生物科学与数学有机地融合，使学生认识到数学方法是STEM教育中不可或缺的工具，能较好地解决一些生物学科问题。

1.5  分享反思

STEM教育理念指导下的探究性学习不只是一个科学研究过程，还应该有一个反思分享环节。实验小组呈现探究问题，探究方案，测量的结果，得出的结论等，并对科学研究的过程，各个步骤的成功与不足进行分析，说出实验方案中哪些地方可行，哪些地方不可行，如何改进。教师进行指导与点评，鼓励学生适当修正甚至重新设计实验方案与重新进行实验，给足时间让学生充分探究。在这个环节中，学習者与同学们分享成功的经验，进一步优化方案，体会到STEM教育中反思的重要性，能促进问题解决方法的迁移并发现新的问题。

2  基于STEM教育理念的探究性实验的几点启示

2.1  注重跨学科的整合

STEM课程的核心是跨学科的整合性，在于综合运用各门学科的知识解决现实问题[ 2 ]。在现实生活中没有一个问题，用一个学科知识就能解决的。科学探究缘于生活问题，科学探究的过程需要学生综合运用各科知识，有效地进行创新与解决实践问题。因此，进行初中生物探究实验教学时，教师不能只局限于本学科的知识，应从发展学生的角度出发，引导学生整合学科知识，促进学生综合素养的形成。

2.2  强调“以学生为中心”的理念

STEM理念下的科学探究，强调的是学生的自主学习。发现问题，作出假设，制订方案，处理数据、表达分析成果等各个环节都是以学生为主体。但是由于知识、能力的局限，初中学生对于科学探究会产生畏难情绪，这就要求教师在进行每一个教学环节时，应以学生为中心选择适当的教学策略。例如，课题探究应贴近生活，适度讲解背景知识与核心概念，实验条件的提供应较为充足，实验任务应当明确，能正面激励、评价学生等。

2.3  强调迭代、开放性的探索

STEM是以工程设计为主线，强调在设计与实施中探究，不在乎探索的结果，而是注重探索方式的多样化。因此，STEM理念下的科学探究是开放性的。在教学过程中，教师应鼓励学生自主探究，开放思维，大胆想象，创新地设计实验，并提供给学生完善方案和重复实验的机会。迭代的科学探究，能实现学生对问题的充分探索，以达到找到解决问题的方式，有利于学生科学思维的培养和STEM素养的形成。

综上所述，将STEM教育渗透到初中生物探究活动教学中，学生才真正经历一个充分的探索过程，主动习得科学概念，能力、素养得到全面的锻炼与提升。

参考文献：

[1]马晨晨， 解凯彬. STEM教育理念下的生物学教学案例分析与启示[J]. 生物学教学， 2017（5）：9-11.

[2]吕延会. STEM教育的核心精神[J].当代教育科学， 2017（5）：16-19.