STEM视角下实践型生物课堂科学探究能力的培养

摘 要：实践型生物课堂注重科学探究能力的培养，将STEM理论融入实践型生物课堂，能够让学生在实践活动中提升科学探究的能力，让学生的生物学习逐步走向综合、动态和开放。本文以“有关叶绿体中色素的提取和分离的实验探究”课为例，阐述了STEM視角下实践型生物课堂中科学探究能力的培养思路。

关键词：实践型;生物课堂;科学探究;STEM理论

“生物科学探究能力”是指能够发现现实世界中的生物学问题，针对特定的生物学现象进行观察、提出问题、做出假设、实验设计、方案实施以及结果的交流与讨论的能力。实践型生物课堂是以学生为中心，在生物课堂教学中有机地将生物课堂教学与学生实践活动相整合，优化教学过程。在课程改革不断地深入过程中，科学探究能力的培养是生物实践活动中一项重要内容，要求学生能够针对特定情境，以生命观念为指导，分析和解释生命现象，探讨生命活动的规律。

STEM教育理论是科学（Science）、技术（Technology）、工程（Engineering）、数学（Mathematics）教育的统称。STEM通过把这四个领域的学科知识和相应的技能将教与学整合到教学中;STEM相当于是在众多的学科中建立一座新型桥梁，使学生能把学习到的零碎知识融会贯通，形成一个互相联系、统一的整体，消除了传统教学中各学科知识零散、割裂，不利于学生利用综合知识解决实际问题的障碍。STEM是一种跨学科的学习方法，能够为学生提供整体认识世界的机会。其形式包括课内和课外。

许多科学探究本身是一种STEM研究过程，探究生命现象、生命规律、生命事实等科学探究活动不仅需要生物学知识，还应用到相应的生物技术（如显微镜技术）、数学知识（如数据统计）、工程学（研究方案、模型制作）。基于上述观念，要求在生物实践探究的过程中能够将科学、技术、工程学和数学（STEM）知识，以学科整合的教学方式，培养学生掌握相应的知识和技能，并能将所学到的知识和技能灵活地应用在解决实践活动的问题当中。

《2017年普通高中生物学课程标准》指出在必修课程.模块1.分子与细胞的模块教学中，要求教师要组织好观察、实验等探究性学习活动，帮助学生增加感性认识，克服对微观结构认识的困难，使学生领悟科学研究的方法并习得相关的操作技能。为了帮助学生达成对概念2（细胞的生存需要能量和营养物质，并通过分裂实现增殖）的理解，应开展相应的实验探究教学活动。其中，“提取和分离叶绿体色素”这个实验有助于学生从物质与能量视角，探索光合作用，阐明细胞生命活动过程中贯穿着物质与能量的变化。而在实验过程中往往会出现很多因素影响到实验结果，使实验结果与预期的不统一，那么，影响实验结果的因素有哪些呢？这些因素对实验又有哪些影响呢？因此，可以引导学生开展有关“叶绿体中色素的提取和分离”的科学探究实验。

一、 STEM的情境性，引导学生提出问题，做出假设

STEM教学注重问题的情境性创设，将学生引导至特定的有探究性的问题情境中，创造乐于思考、勇于探究的学习环境，激发学生的学习兴趣。

教师展示学生完成的“色素的提取和分离”实验的优秀结果——含有色素带的滤纸条。

教师通过从色素带颜色的种类、色素带的分布、色素带的宽度及色素带颜色的深浅四个方面进行引导，推出相应的实验结论，再由结论入手，让学生根据学习过程中所了解的影响色素的提取和分离的因素，通过分组讨论，选择其中一种因素以及利用我校生物实践基地的萝卜及当地的一些蔬菜为实验材料，提出要探究的问题，并做出假设。

如，学生提出的探究问题有：探究（同种）绿叶的新鲜程度对色素的种类和含量是否有影响;探究绿叶的种类对色素的分离和提取是否有影响;探究CaCO3的有无对色素提取的影响;探究无水乙醇的用量对色素提取的影响等等。

本环节设计意图：基于STEM的科学性，由实验结果的不同角度一一推出相应的实验结论，不但能引导学生正确区分实验结果与结论的区别，培养学生分析实验的能力;还能让学生正确分析造成不同结果的影响因素有哪些。该实验的取材来自学生自己种的萝卜和当地的蔬菜，让学生从现实生活出发，发现身边的生物学问题，从而使学生学会善于观察生活中的生物现象和规律。该实验结果中色素带的分布（溶解度不同）、宽度（色素所占的比例）和各种色素带颜色的深浅（色素含量的不同），需要学生结合化学和数学的知识进行理解，才能得到正确的结论，体现了STEM的跨学科性，通过学科的融合，培养学生运用科学的方法解决问题的能力。

二、 STEM的协作性，小组分工设计实验方案

STEM教育理念强调在学习过程中学生群体的协作性，学习内容的设计要求要包括“情境”“协作”“会话”“意义建构”四个要素，让学生以小组为单位，在特定的问题情境下，学习者通过会话商讨、规划本小组的学习任务，合作完成学习。

根据各小组提出的探究的问题，学生以小组为单位，选择适宜的实验材料，进行实验设计。教师提供相应的实验器具和有关实验设计的资料，引导学生完成实验设计，并和学生讨论方案的可实施性，纠正和评价不正确的思路和方法，使后面实验能有效地进行。该实验设计的主要要素包括以下几个方面：

本环节设计意图：实验方案的设计体现了STEM的工程实践，让学生能够将色素提取和分离的科学原理系统性、创造性地应该于实践的过程。培养学生科学思维和设计方案的能力。

三、 STEM的体验性，实验方案的实施

STEM教育不仅主张学习概念、原理，更强调动手做，注重学生实践能力的培养，让学生在做中学，在亲自体验中听科学、看科学、做科学。使学生能够在参与、体验中习得知识并深刻理解。

各小组根据实验设计方案分工合作，进行实验。并及时观察和记录实验现象和有关数据。在实验过程中，教师要观看并指导学生实验，使实验能够规范、有序地进行。教师在实验过程中可以引导学生根据各组选择的探究内容和实验现象设计一个表格，并将实验现象记录在上面。表格设计参照：

由于不同的组探究问题的角度不同，结果的分析角度也应不同，可以从以下几个方面对实验结果进行分析：

1. 你们的实验结果与预期相吻合吗？如果实验结果与预期不相同，请分析实验过程，并针对你的实验结果做出相应的解释。

2. 为确保实验成功，你们组在实验操作过程中要注意哪些事项？

3. 通过这个探究实验，你们组能得出什么结论？

本环节设计意图：在实验探究的过程中，各组可能会遇到很多没有预期的问题，如小组参与之间的操作差异、实验过程单一变量的控制误差等都会影响到实验结果，这就需要小组成员共同参与，用化学、数学、生物学等跨学科知识对实验结果进行分析，让学生在参与中、体验中习得知识，培养学生动手实践、归纳总结和交流的能力。

四、 STEM的开放性，实验成果的表达和交流

学生学习知识的过程就是融入科学、技术、工程和数学等方面的知识与能力，开放性探究问题的过程。STEM教学从现实的生活实际出发，探究学生身边的现实问题。在问题分析的过程中应鼓励学生大胆发表个人的看法和见解，充分发挥学生的主观能动性、创造力和开放性思维，巧妙的运用生物学知识解决现实生活的问题。

以小组为单位，利用投影仪和手机拍照等教学辅助设备，将各自组的实验结果和结论进行展示，与其他小组交流探究的过程和结论，听取其他同学的质疑，进行必要的答辩、反思和修改。同时，对各小组实验现象、结果进行分析。掌握实验分析的技巧，培养分析问题、合作与表达交流的能力。

本节课涉及的STEM素养：

通过将STEM融入实践型生物课堂，让学生在实践过程中掌握学习的主动权，能够主动的对未知的问题进行探究，提高科学探究的能力，更好地提升学生的生物思维能力和综合解决问题的能力。

参考文献：

[1]庞春丽.基于STEM教育培养高中生生物科学探究能力的实践研究[D].广州：广州大学，2019（5）.

[2]朱素娟，黄敏华.实践型生物课程资源的开发和应用[J].中學理科园地，2015（12）：69.

[3]黄晶晶.STEM理论视角下学生生物核心素养的培育[J].教师通讯，2017（17）.

作者简介：

池秋景，福建省南平市，福建省建瓯第一中学。