STEM理念下的初中生物学主题式教学——以“绿色植物参与生物圈的水循环”为例

杨守菊 梁海燕

（1.山东省东营市教育科学研究院 山东东营 257091）

（2.山东省东营市育才学校 山东东营 257091）

对遗忘的研究表明：骨架支柱的内容不容易遗忘，细微枝节容易遗忘。这就启发教师，教学要善于从宏观处着眼，使学生从整体上把握所学内容的框架和结构。主题式教学是基于整体论进行教学设计，注重教学内容和思维的完整性，关注的是一个相对完整的“话题”，避免教学过度碎片化，促进持久性理解。这与当下引起人们普遍关注的STEM理念不谋而合。STEM是科学、技术、工程、数学四门学科英文首字母缩写的合称，其主要特征是整合性，即能将它们整合到学生在真实世界获得的学习经验中，通过多元融合的方式，促进学生掌握知识与技能，在解决实际问题的过程中培养学生的科学素养、创新思维和实践能力。

笔者以“绿色植物参与生物圈的水循环”为例，先后经历了知识点零散教学、内容适度整合教学、STEM理念教学3个阶段的探索，实践证明STEM理念下的初中生物学主题式教学，是提升学生生物学学科核心素养，提高生物教学有效性的有效途径。

1 初次教学设计

“绿色植物的蒸腾作用”一节是济南版初中《生物学》七年级上册第二单元内容。从教材安排来看，本节重点是蒸腾作用的过程，难点是通过蒸腾作用的意义，进一步说明植物的生活需要水。由于学生在小学科学课中已经学过“蒸腾作用”的概念，因此本节教材直接给出概念。为了使学生理解蒸腾作用主要通过叶片进行，教材安排了实验“观察叶片的结构”，使学生发现和认识叶片中气孔的组成及作用。最后，教材以一株玉米为例，总结蒸腾作用的意义。

笔者的大致教学过程如下：教师首先从学生的生活感受出发，提出烈日下的炙热、皮肤被灼伤的痛苦、进入森林中倍感凉爽，激发学生思考：大树为人们撑起了遮阳的绿伞，大树为什么不会被阳光灼伤呢？并根据学生回答，引出课题——绿色植物的蒸腾作用。接着，教师追问：如何观察植物的蒸腾现象呢？各小组展示课前准备的蒸腾作用实验：在一株生长健壮的绿色植物上选取3根相似的枝条。一根枝条不做处理，一根去掉部分叶片，一根去掉全部叶片，再用无色塑料袋包住枝条，阳光下照射1～2 h。学生观察塑料袋内壁出现的现象，感知植物蒸腾现象，并尝试对实验现象做出科学解释。由此，学生可以轻松概括出蒸腾作用是水分以气体状态从植物体内散失到体外的过程。教师继续追问：蒸腾作用主要是通过叶片进行的。那么，水通过叶片上的什么结构离开植物体的呢？学生完成“观察叶片的结构”实验，并进一步观察叶片表皮的气孔，认识气孔是植物蒸腾失水的“门户”，也是气体交换的“窗口”。最后，教师展示一株玉米从出苗到结实的需水量，其中只有1%～5%的水参与组成植物体和用于维持生理过程。教师再次追问：其余绝大部分水都通过蒸腾作用散失掉了，是不是一种浪费呢？这样从而引导学生总结出蒸腾作用的意义，即促进植物体从土壤中吸收水分，促进水分和无机盐从根部输送到茎、叶等器官，使植物体有效地散热。

通过本节课的学习，学生对蒸腾作用的概念、蒸腾作用的门户、蒸腾作用的意义等知识了然于心。然而，蒸腾作用散失的水分从哪里来？水分如何进入植物体内？水分在植物体内如何运输？水分怎样到达叶肉细胞？这些有关水分散失的重要前提性知识，学生也许不能自己关联起来，不会整体认知，不利于系统把握。另外，难道仅仅完成教材内容就落实了本节课的目标了吗？教材内容和课程目标之间的关系是什么？课堂教学要给予学生零散的小概念，还是整体的大观念？思考之后，笔者发现，本节课若从生物圈水循环的视角，将植物根对水分的吸收、水分在植物体内的运输、水分的散失等统整起来，进行整合设计，更利于学生从整体上理解植物在水循环中的意义。

2 教学设计的改进

主题式教学具有整合性，可将学科内纷繁复杂的片段化的零散知识组织起来，形成知识结构化。STEM理念强调为学生提供逼近真实且富有现实意义的问题情境，并以真实问题解决为任务驱动来获得知识，培养学生的创新思维和问题解决能力。在本课例教学中，教师先采用了内容适度整合的主题式教学，后又融入STEM理念，使学习成为整体的、真实的意义构建。

2.1 探索主题式教学

主题式教学以学生知识背景为基础，着眼于学生已有认知结构，用系统论的方法对教材中“具有某种内在关联性”的内容进行分析、重组、整合，从而形成相对完整的教学主题。教师要将教学诸要素有序规划，使学习者获得综合系统的知识和能力，以优化教学效果。

2.1.1 知识的整合

首先，教师以“绿色植物参与生物圈的水循环”为主题，将根对水分的吸收、水分在植物体内的运输、水分的散失等统整起来，使学生从整体上把握和理解知识。教师播放塞罕坝林场的视频，创设适切情境：植树造林为什么能够改变生态环境？绿色植物如何增加降水？水分如何参加生物圈的水循环？并结合水循环图示，引导学生理解绿色植物在水循环中的作用，并促进学生构建“绿色植物参与生物圈的水循环”的路径。学生讨论后，得出结论：成熟区的根毛吸收水，茎中有导管运输水，绿色植物经由根、茎、叶的路径参与生物圈的水循环。教师追问：导管的结构及其分布是怎样的？植物体内的水分是如何散失的？水分为什么能够自下往上运输？最后，要求学生以拟人化形式思考：如果你是一滴水，请你为大家介绍你进出植物体的具体路径是怎样的？想象你在生物圈中是如何循环流转的。

2.1.2 实验的整合

各学习小组合作完成3个实验。①观察植物蒸腾作用。取两根形态相同的枝条，其中一根保留叶片，一根去掉叶片，分别插入盛有相同刻度红墨水的量筒中（用植物油密封水面），用无色塑料袋包住枝条，阳光下照射1～2 h，观察塑料袋内壁的现象，计算红墨水散失量，感知植物蒸腾现象。②探究植物体内水分运输通道。取几株新鲜芹菜插入盛有红墨水的烧杯中，阳光下照射一段时间后，观察芹菜植株的变化。并通过横切和纵切，直观感知根、茎、叶中变红的导管；继续探究芹菜的其他器官中是否也有运输水分的通道；观察叶脉标本、西红柿果实、染红的花瓣等，理解导管贯穿于植物的各个器官，构成了水分在植物体内的运输管网。③观察叶片表面的气孔。将新鲜叶片放入盛有70℃热水的烧杯中，观察叶片表面的气泡，比较叶片上表皮和下表皮的气泡数。制作叶片下表皮临时装片，在显微镜下观察气孔及其组成，质壁分离及复原的实验。用长气球、Y型玻璃管、打气筒或者注射器，制作气孔模型。

在本次教学中，相比于之前的“知识点零散教学”，教师以“绿色植物参与生物圈的水循环”为主题，对相关教材内容就行了适度整合，使零散的知识结构化，完善了学生的知识结构体系。但这种整合教学仍然是就知识而学习，强化了学生对知识的理解，锻炼了学生分析问题的能力，无非是使学生学习的书本知识更扎实。然而，当学生面对不确定的未来生活时，教师需要交给学生的难道仅仅是一张张“知识地图”，还是解决真实问题的关键能力，让他们学会迁移和创造？思考之后，发现STEM理念可以解决教学中的这些问题。

2.2 STEM理念下的主题式教学

核心素养被喻为基础教育的DNA，是基础教育改革的灵魂。《普通高中生物学课程标准（2017年版）》明确指出“生物学核心素养是学生后天习得的终身受益成果，是公民基本素养的重要组成之一，是学生在解决真实情境中的生物学问题时所表现出来的必备品格和关键能力”。STEM教育正是以发展学生的问题解决能力和创新能力等高阶思维能力为目标，在对真实问题的解决中，实现知识的意义建构和迁移应用，从而促进学生学习的有效进行。

据此，笔者尝试在课例“绿色植物参与生物圈的水循环”的主题式教学中融入STEM理念，其中涉及的学习内容主要有：①S（science）——生物学知识主要有蒸腾作用的概念、蒸腾作用的意义、根的结构和功能、茎的结构和功能和叶片的基本结构；②T（technology）——蒸腾作用的实验设计，用显微镜观察气孔的开闭，制作气孔模型；③E（engineering）——设计“植物空调”；④M（mathematics）——计算一株玉米一生中，自身生命活动水分利用率。

本次教学设计在前面的“探索主题式教学”的基础上，主要进行了如下改进：

①课始直面真实问题。教师联系学生生活，简要介绍“空调病”，创设问题情境：采取什么措施既能让房间自然降温加湿，又能保护、美化环境呢？

②聚焦思考方向。根据“大树底下好乘凉”以及树林中倍感凉爽的生活经验，学生很容易想到绿色植物的蒸腾作用可以降温加湿，能够很好解决“空调病”的困扰，同时还能保护美化环境，于是制作“植物空调”的想法浮于脑中。而在设计“植物空调”的过程中，“水”的循环供应是植物体降温增湿的关键性问题，至此，自然引出课题“绿色植物参与生物圈的水循环”。

③成果激活思维。学生在设计“植物空调”时，头脑风暴，各抒己见。学生认为“植物空调”的“安装”位置分为室外（种植爬墙植物，如爬山虎）和室内（种叶片相对较大的且比较耐阴的植物，如绿萝、大青叶）两类。室内“植物空调”的制作方式可以摆放种植；也可是集中种植，即以“植物绿墙”的形式呈现。其中，对于“植物绿墙”，学生可谓创意颇多，如在植物绿墙上提前搭好各种自己喜爱的形态“骨架”（心形、山水图画形、古典图案形等），由此为“植物空调”又增添了些许艺术气息，学生的审美与创造性也跃然于设计之中。升级版“植物空调”很快问世，如面对居室装修的甲醛污染等问题，学生建议可适当种植芦荟、吊兰、常春藤等可以吸附有害气体的植物。

本次教学相比于之前内容适度整合的主题式教学，从真实生活中的问题出发，更加注重使学生联系实际生活，培养学生的发散思维和创新思维，达到对知识的意义建构和深度理解。

3 教学反思

STEM理念强调整合，注重从整体思维的角度去探究问题，解决问题。在生物学教学中，教师可以通过以下几种策略来梳理知识内部的逻辑关系，帮助学生把零散的知识以整合态、情景化的方式纳入原有的知识系统中，实现整合教学。

3.1 重构教学新主题

“重构教学新主题”是指将教材及其以外的相关内容有机取舍重组，或将零碎的知识点“穿针引线”整合成一个整体，即对教学内容寻找知识脉络、凸显教学逻辑，进行析出、添加、整合，形成相对完整的教学主题。教师利用“绿色植物参与生物圈的水循环”这一主题，将水与植物关联起来；以“降水——根——茎——叶——水蒸气——降水”为线索，添加“根的结构和功能”“茎的结构和功能”和“生物圈中的水循环”等相关教学内容；并从生物圈水循环的视角，将植物根对水分的吸收、水分在植物体内的运输、水分的散失等统整起来，进行整合教学。这样将原来孤立、零散的教学内容“聚零为整”，连接构成一个有意义的整体。

3.2 建立“学习任务群”

“学习任务群”是指在真实情境下，教师组织教学内容，设计多样的学习任务，让学生通过自主体验、小组讨论、成果展示等活动进行自主思考、自主体验、合作与交流、评价与反思。在本课例中，围绕“绿色植物参与生物圈的水循环”这一主题，教师设计了学习任务群，实现零散知识点的相互整合与统一，帮助学生构建知识体系。①教师设计了关于水分进入植物体内的途径的一系列问题串。②教师设计了关于绿色植物参与生物圈的水循环的一系列问题串。③教师安排了设计“植物空调”的活动，促进学生迁移运用所学。教师依据渐进性原则，将整体内容以任务群的形式，逐步呈现给学生，让学生从整体上理解学习内容，并促进学生通过充分、完整的自主学习，找出疑点，小组内讨论，互相解决，锻炼学生的科学思维。

3.3 创设“一例多情境”

“一例多情境”是指教师在组织课堂教学时，利用“一例”设置多个教学情境，设计多个具有一定联系的任务，将所学内容联系成一个统一整体。相比于同一个主题设计多种情境，这种方式过渡自然，教学结构紧凑，不会给人“东一榔头西一棒槌”的感觉。例如，从制作“植物空调”这一真实需求，教师以“绿色植物参与生物圈的水循环”这一线索将相关的核心内容呈现出来，并依次设计了3个情境：观察植物蒸腾现象；探究植物体内水分运输通道；设计“植物空调”。教师创设真实的任务情境，促使学生在尽力解决真实情境问题的过程中逐渐养成生物学学科核心素养。这里的任务情境不是教学中的一个导入环节，而是结合学习的主题，将整个教学内容、学习进程置于情境之中，使之具有一定的综合性、开放性和挑战性。

STEM理念下主题式教学的价值在于将学科内纷繁复杂的片段化的零散知识组织起来，使学习者大脑中的“知识地图”更趋丰富和牢固，赋予知识以现实的意义和社会的价值，从而促进“生命观念、科学探究、科学思维和社会责任”等核心素养的达成，助力学生实现可持续发展。