指向技术工程素养发展的STEM 教学——以高中生物学STEM 教学为例

李纪聪

（泉州市培元中学，福建 泉州 362000）

STEM 是科学（Science）、技术（Technology）、工程（Engineering）和数学（Mathematics）英文单词首字母的组合。STEM 教育整合了科学、技术、工程和数学等学科要素，强调多学科交叉融合解决真实情境中的实际问题。［1］技术工程素养指理解技术工程设计与开发，具有使用、管理及评价技术的能力。当今信息时代，要求培养具备科学及技术工程素养的复合型人才。传统教学按具体学科进行划分，虽然有利于知识的体系化，但导致学科彼此分离，缺乏相互联系。现实生活中的问题一般复杂程度高，需要综合运用多学科知识才能解决。这就要求教师充分挖掘STEM 教学资源，注重学科的整合，以解决真实问题为任务驱动，培养学生的综合运用跨学科知识解决问题能力及创新能力，促进学生发展技术工程素养。

生物学是一门自然科学，是农业科学、医药科学、环境科学及其他有关科学的基础。生物学的发展与技术、工程的发展密不可分。高中生物学教学不仅引导学生获取生物学知识，领悟生物学家解决问题的思路和方法，而且要引导学生参与科学实践，提升解决实际问题的实践能力及创新能力。笔者尝试在高中生物学教学中，应用STEM 教育理念探索提升学生技术工程素养的有效路径。

一、探索STEM 教学资源开发途径

高中生物学所涉及的技术主要指应用物理学、化学及生命科学研究的成果，开展生命科学的研究、对生物或生物成分、产物或对生态系统进行改造和利用的技术。工程学是运用数学、物理学及其他自然科学的原理来开展设计有用物体、优化系统的一门应用学科。当前中学生大部分时间主要在学校学习，较少参与生产与劳动，工程技术方面的实践较少，有必要开发STEM 教学资源，促进学生提升技术工程素养。

（一）开发教科书所蕴藏的STEM 教学资源

人教社2019 版高中《生物学》教科书（下文简称《生物学》）虽然部分栏目涉及有关技术工程内容，但资料不够丰富、内容相对简单、教学要求低，易被忽视。教师要以STEM 教育的视角，发现、挖掘、整合与积累教科书所蕴藏的有关教学资源。例如，指导学生分析《生物学》选择性必修1 教科书提供的“器官移植所面临的问题”资料，并通过观看有关心脏移植纪录片，帮助学生直观地认识心脏移植技术、流程、要求及其意义。又如，指导学生围绕《生物学》选择性必修2“科学技术社会”栏目提供的有关“生态农业”资料，开展小组讨论：如果你是农场工作人员，在大棚建设、作物生产过程中可能会遇到什么问题？如何解决？激发学生主动参与科学探究与实践，学以致用。

（二）拓展生物科学史所蕴含的STEM 教学资源

生物科学史蕴含丰富的STEM 教学资源，有必要拓展应用生物科学史。例如，根据分泌蛋白的帕拉德实验，指导学生思考与讨论：如果你是帕拉德，你会选择什么细胞进行研究？胰腺分泌的蛋白分子很小，如何追踪蛋白质的合成、分泌途径？如果胰腺细胞吸收3H 标记的亮氨酸后不分泌或分泌量且分泌速度很慢，有没有什么方法促使其加速分泌？同位素的放射性会不会伤害细胞？同时，指导学生观察帕拉德实验过程，探讨该实验是如何运用技术手段解决问题的。又如，进行有关兴奋在神经纤维上传导的教学时，根据生物电发现史，介绍科学家发现：改变神经细胞外K+浓度，静息电位发生改变，动作电位不变；而改变神经细胞外Na+浓度，静息电位不变，动作电位发生改变。指导学生分析确定K+外流和Na+内流是维持静息电位和产生动作电位的主要原因，并探讨科学家选用枪乌贼巨大神经纤维为实验材料的缘由，认识实验材料的选择对实验成功的重要性。同时通过配置不同离子溶度的体外细胞培养液，分析膜片钳设计特点，进行电流检测等活动，促进学生提高综合运用生物学、物理学及化学等学科知识分析问题、解决问题的能力。

（三）优化高中生物学实验教学所蕴含的STEM 教学资源

高中生物学实验教学时，可以指导学生讨论、分析实验方案、实验效果是否存在的不足及其原因，尝试优化探究实验的材料选择及研究方法改进等，以此开发STEM 教学资源。例如，制作有丝分裂模型、减数分裂模型时，使用不同颜色的“毛根”（铁丝外面包不同颜色的塑料丝）模拟染色体，比用橡皮泥更方便，且可以很好地表征染色体交叉互换。探究细胞大小与物质运输效率实验所使用的方形琼脂块不易翻动，若利用乒乓球为模具制作球形的琼脂块，则有利于实验顺利进行。进行探究酵母菌的呼吸方式及探究酵母菌种群数量等实验时，指导学生比较分析两个实验在培养基的配置、培养基是否灭菌等方面的区别，明确相关技术在应用时任何细微的差异都可能带来截然不同的实验结果。

（四）挖掘有关试题所蕴含的STEM 教学资源

近年来，各地生物学质检试卷及高考试卷以科学研究论文、生产生活实际等为背景创设试题情境，涉及有关工程技术手段的应用，蕴含丰富的STEM 教学资源。例如，血糖检测、唐氏筛查、新冠病毒检测、PCR、基因探针、DNA 测序及CRISPR-Cas9 基因编辑技术等。试题讲评前，教师应充分了解各项技术的基本原理、技术设计是否科学、准确、方便等特点。讲评时，可以播放有关视频，并进行适当讲解，促进学生直观地认识研究思路、研究方法及技术手段等，深刻理解科学、技术、社会及环境之间的相互关系。

在高中生物学教学中充分开发STEM 教学资源，一方面促进学生了解工程技术的进展及其对社会、科学的影响，开阔眼界，提高学习的兴趣；另一方面促进学生跨学科知识的融合，拓宽思路，提高发现问题和解决问题的能力，发展技术工程素养。

二、探索STEM 教学方式

2014 年国际技术与工程协会（ITEEA）提出“引导、探究、解释、工程、拓展、评价”等6E 教学模式。［2］“引导”是指根据学生学习需求及课程教学要求，激发学生探究学习的热情，明确学习任务，鼓励学生提出问题。“探究”是指学生在一定的情境下通过阅读获取信息、小组交流、学习有关技术。“解释”是学生交流所学内容，进一步内化知识及技术，并运用于解决实际问题。“工程”是基于教师提供的情境，确定需解决的工程学问题，根据整体观念、资源和人力价值等要求设计解决方案。“拓展”是指学生在解决问题、获得知识的同时，形成一定的世界观、认识观和思维习惯等。“评价”是指学生通过分析、推理、展示、交流及讨论，整理实验结果、得出实验结论的过程。笔者尝试将6E教学模式与高中生物学教学相结合，探索STEM 教学方式。

（一）创设真实的问题情境，激发学生探究学习兴趣

开展“生物技术实践”及“现代生物科技”等内容教学时，根据《生物学》教科书“与生物学有关的职业”“课外实践”“技能训练”及“课后拓展”等栏目提供的STEM 教学资源，创设真实的问题情境，指导学生以技术、工程的视角讨论分析、解决实际问题。例如，“免疫学的应用”教学时，指导学生开展“探究疫苗的制备”学习活动，创设问题情境：打完疫苗以后有哪些感受？有不适症状吗？你知道疫苗是如何保存？打完疫苗后需要注意什么问题等。引导学生交流个人所注射的疫苗及体验，以此激发学生的探究欲望。接着介绍我国科学家研制的灭活疫苗与美国科学家研究的RNA 疫苗在保存、使用方法及效果等方面的区别，引导学生探究疫苗的制备流程、技术及作用原理。

（二）指导科学探究，开展实践活动

引导学生主动参与科学探究实践活动，面对新的、复杂的探究情境，优化、改进实验方案，加深对有关科学、技术及工程学知识的认识与体验。例如，学生完成探究土壤中小动物类群丰富度的实验后，要求学生进一步研究池塘浮游生物类群的丰富度。由于土壤与池塘环境因素的差异，调查研究池塘中浮游生物时，学生将面临诸多新的问题，包括如何设计新的采集工具采集样本、浮游生物分类依据是什么、如何确保实验数据的可靠性等。通过科学实践活动，指导学生学习获取科技文献资料的途径，从合理性、科学性乃至经济角度分析采集技术的可行性，鼓励学生拓宽思路，尝试设计、实施多种实验方案，促进学生提升技术工程素养。

（三）构建工程模型，发展科学建模思维

模型是人们为了某种特定的目的而对认识对象所做的一种简化的概括性的描述。发展学生的科学思维，提高学生的生物学核心素养，离不开模型与建模的教学。生物学与人类生产、生活密切相关，生物工程的作用日益显著。高中生物学教学时，结合具体教学内容，指导学生密切联系生产生活实践构建工程模型。例如，分析桑基鱼塘生态系统中桑树、蚕、鱼之间的相互关系，构建生态农业模型；分析大麦发芽、焙烤、碾磨、糖化、蒸煮、发酵及消毒等啤酒工业化生产流程，了解各阶段的操作要点及原理，构建发酵工程模型；分析从血清提取抗体的缺点、免疫学相关知识及动物细胞培养技术，构建不同单克隆抗体制备模型等。通过这些模型分析、构建、评价及修正，帮助学生明确形成问题、确定特征因素及模型结构、构建模型、真实性检验等模型构建知识，发展建模思维。

（四）开展项目式学习，渗透STEM 教育

项目式学习是一种以制作作品，并将作品的呈现作为目的，借助多种资源在真实世界中开展的探究活动。［3］项目式学习要求学生融合各学科知识，多角度地分析问题，进行技术和工程的应用和创新。例如，利用学校科技节活动，开展“修复冠状动脉”为主题的项目式学习活动，以心血管疾病患者的生活创设学习情境，引导学生检索内环境、心脏解剖实验技术操作、构建心脏模型相关资料，以“清理血管”为目标设计方案，制作解决血管堵塞的工具模型。并利用有关装置进行模拟实验，检测装置的合理性。最后，学生将学习成果以视频、幻灯片或展板等形式进行展示交流。该项目式学习能够帮助学生加深对内环境相关知识的系统认知，重视心血管疾病的预防，理解生物学、医学与工程学之间的密切联系。

三、高中生物学STEM 教学反思

（一）拓展教师学科视野

在高中生物学教学中，如何善于从工程和技术的角度，引导学生剖析科学事例、体验科学实践，提升学生的技术和工程素养，需要教师要有宽广的视野、扎实专业知识、熟练的实验技能。教师要保持一颗好奇心，学习相关生物学等自然科学史，关注生物科学前沿问题，了解相关学科进展及技术应用情况。善于查阅文献资料，关注有关生物学社会新闻报道，争取更多的参观考察机会，多与其他学科教师、专业人士进行交流，拓展自己的生物科学视野。

（二）提升教师信息技术及现代生物技术、设备的使用技能

近年来，随着各地教育投入的增加，许多中学实验室添置数码显微镜、传感器、电泳仪及PCR 仪等现代生物技术设备。作为当代高中生物学教师，要积极参加有关技能培训，掌握新仪器、新设备的使用方法，这样才能更好地指导学生开展实验探究与科学实践。此外，信息技术飞速发展，教师也应该紧跟时代发展步伐，学会利用相关的手机APP、虚拟实验软件等进行教学，加强信息技术与STEM 教学的有机融合。

（三）及时给予学生指导与评价

通过科学探究、科学实践及项目式学习开展STEM 教育时，学生会遇到很多困难。这就要求教师要善于设计与组织学习活动，多与学生进行交流沟通，给予必要的指导和帮助，并及时进行反馈评价，激发学生的积极性和创造性，培养学生的自信心和克服困难的决心，实现深度学习，提高生物学学科核心素养。

综上，教师要不断拓宽学科视野，加强不同学科知识的融合渗透，提高有关技术技能和工程实践能力，充分开发、利用各种教学资源进行STEM 教学，勇于探索STEM 教学方式，培养学生的创新精神和实践能力，促进学生发展技术工程素养，以适应社会对人才培养的需要。