初中生物学“眼与视觉”STEM项目教学尝试

徐 婷 （南京外国语学校河西初级中学 江苏南京 210019）

“教育应培养什么样的人？ ”是教育领域乃至社会各界不断追问的永恒主题。2014年，教育部提出的核心素养体系直接指向对这一问题的回答：中国学生核心素养以文化基础、自主发展、社会参与3 个方面构成总框架，旨在培养全面发展的社会主义建设者和接班人，完成“立德树人”的教育任务。其中，生物学学科核心素养包括：生命观念、科学探究、科学思维、社会责任4 个方面。这4 个方面并不是简单的组合，而是学生在富有现实意义的情境学习中，通过自主学习、探究学习、合作学习等方式习得的综合素养。

初中生物学STEM 项目教学是将STEM 教育融于生物学教学，运用数学（mathematics）、科学（science）的知识解决真实情境中的实际问题，基于工程（engineering）知识的运用、技术（technology）的使用达成任务目标，从而有效提高学生的生物学学科核心素养，达到培养全面发展人才的根本目的。

本文以初中生物学7年级下册“眼与视觉”的教学为例，阐述如何进行基于核心素养培养的STEM 项目教学。

1 围绕生物学核心概念，开展跨学科STEM 项目教学

“眼与视觉”是苏教版生物学7年级下册“人体感知信息”中第2 课时的内容。学生需要认识眼球的基本结构及功能，并在此基础上了解视觉形成的过程、近视成因和矫正等知识，从而形成爱护眼睛的意识，养成良好的用眼习惯。但教材中有关眼球结构的教学主要是依据示意图及文字描述，并不能激发学生的感性认识；7年级学生尚未学习凸透镜成像的相关知识，这对于他们理解视觉的形成、近视成因及矫正有一定的难度。

近视是本节内容的重、难点。在近期全国普查中发现，中国近视患者已达6 亿，其中儿童青少年近视率位居全球第一。青少年学生有必要了解眼睛的基本结构、近视的成因等知识，并积极防治近视。在此背景下，笔者以“眼与视觉”内容为例，设计了STEM 项目教学［1］。

1.1 以核心概念为基础，进行深度学习 在日常生活中，与眼球、视力、近视相关的知识很多。教师在备课过程中应重视学科核心概念，引导学生对核心概念进行深入学习。在本节课中，笔者首先与学生围绕核心概念，采用头脑风暴的形式，启迪思维，梳理了项目活动的探究主题（图1）。

图1 以核心概念为载体设计项目活动

在实际教学中，以核心概念为载体设计项目活动主题，并以项目活动的进行为明线，以学生核心知识、能力的发展为暗线，以近视这一常见、具体的情境为切入点，为学生的分组、活动策划与探究等项目活动打下基础。

1.2 以项目实践为载体，亲历探究过程

1.2.1 组织课程内容，制定指导计划 确定了项目主题后，为保证项目活动的有效性，教师需要基于课程内容及课时安排等情况，进一步设计、规划学生的探究活动。学生的项目活动根据需要可贯穿课前、课上及延伸至课外。在备课过程中，为学生做好规划是实现项目教学有序、高效进行的必要保证（图2）。

图2 根据项目主题规划学生探究活动

1.2.2 组建学习小组，开展项目探究

1）组建小组：学习小组的组建采用课前同组学生完成一项任务，课上每组选1 人组成新的学习项目研究小组，该小组也继续完成课后探究的方式；同时遵守组间异质、组内同质的小组分组原则（表1）。

表1 小组分组方式及项目学习分配

2）项目探究：各小组分配到项目任务后进行探究活动。教师在活动中要及时提供学习资料或进行相关技术指导，促进学生利用各种资源，多渠道获取信息并解决问题。

3）成果展示与评价：各组完成项目活动后，以不同形式展示研究过程及成果（图3～图6），并进行多元化的评价。例如，引导学生对项目活动过程进行反思，以自制眼球模型项目活动为例：你在制作模型中用到哪些材料？ 你制作的模型有何创新亮点？遇到了什么问题？是如何解决的？你觉得这个模型还有哪些地方可改进？ 通过小组间的经验交流促进学生对探究过程进行反思。此外，还可从小组实践表现、作品制作成果及展示、小组合作学习等方面进行综合性评价。理学知识；而与物理学教师的交流中发现，学生在8年级学习物理学时，仅记得近视成因的结论，能回答其原因的学生寥寥无几。如何解决此问题？ 笔者进行了基于生物学科的跨学科项目教学的尝试［2］。

图3 课前项目活动——自制眼球模型

图4 课前项目活动——全校近视人数及成因等调查

图5 课前项目活动——调查视觉相关眼部疾病

图6 课后项目活动——采访医院专家及宣传视频拍摄

1.3 以跨学科STEM 学习为核心，实现学科融通 学生在学习“眼与视觉”时，并不了解相关的物

1.3.1 寻找知识融合的焦点 经过梳理，生物学内容包括眼球的结构、视觉的形成、近视的成因及矫正、保护视力的方法等；物理学内容包括凸透镜与凹透镜、焦点和焦距、凸透镜成像的规律、视力的缺陷与矫正、光线会聚和发散等。基于生物科学的跨学科项目教学，首先应以生物学科知识为核心知识，以生物学科教学目标作为核心目标而重点关注，在此原则下，笔者将以下内容进行知识点的融合（表2），并在生物学课上淡化焦点、焦距等内容。

表2 “眼与视觉”一节中生物学与物理学知识点融合焦点

1.3.2 关注学科方法的融合 眼睛是学生比较熟悉的器官，但晶状体如何成像？晶状体凸度变化对视力有何影响？ 这些抽象的知识加大了学生理解的难度，而物理学中“探究凸透镜成像的规律”实验，正好可弥补此缺憾。为引导学生主动构建视觉形成、近视成因及矫正等知识，笔者在本节课结合模型开展了STEM 项目教学。

1）利用光具探究视觉的形成及调节。

实验器材：光具，4 组凸度不同的凸透镜。

实验指导：①思考光具中的凸透镜和光屏，相当于眼球中的什么结构？ ②保证凸透镜和光屏位置不变，调节物体距离，直到光屏上呈现清晰物像（图7A、图7C）；③观察清晰物像的特点，并记录此时物体与“晶状体”之间的距离（图7B、图7D）；④比较每组距离是否相同，思考原因。

图7 利用光具探究视觉的形成及调节实验

通过以上实验，学生首先通过类比，将眼球结构与物理模型搭建联系，同时通过实验认识到在视网膜上呈现倒立的物像，再经过大脑处理后成为正立的像。其次，学生在比较数据时发现，每组物像清晰时记录的数据并不相同，这是为什么？通过小组之间进一步探究，他们推测出因为凸透镜的凸度不同，影响了看清物体的距离。这就是正常人眼的晶状体在睫状肌的调节下改变凸度大小，使人能看清楚远、近处物体的原因。

2）利用光具探究近视的成因及矫正。

实验材料：光具，凸透镜、凹透镜等。

探究实验：①提出问题：近视是由于什么原因造成的？②作出假设：近视是由于晶状体凸度变大造成的；③设计并实施实验：看一看：换用凸度更大的凸透镜，观察物像变化。找一找：移动光屏，找到此时清晰物像的位置。探一探：探究还有哪些办法可使得光屏上重新呈清晰的物像？

通过以上探究实验，学生不仅了解到晶状体凸度变化会影响视觉，也可通过探究发现近视矫正的方法。通过模型构建的方式进行STEM 教学，学生要经历以下探究过程：

①模型准备：通过观察、分析模型，建立模型与眼球的关系，并探索视觉形成的过程及特点；收集相关数据，构建“人看远、近不同物体与晶状体凸度变化关系”的数学模型。

②模型假设：通过理性分析，结合模型提出假设：“晶状体凸度变大会引起近视”。

③模型构建：利用模型构建近视形成的原因，并尝试构建近视眼矫正的模型。

④模型检验与应用：通过远视眼的形成与矫正的类比探究，检验构建的模型；并进一步讨论模型在研究其他眼部疾病中的使用。

2 结语

本节课结合模型开展了STEM 教学，通过完成项目探究的方式培养学生动手实验能力。学生首先要理解生物学相关科学知识（science），并在此基础上搭建模型（engineering），在探究过程中处理不同数据、分析数据并进行假设（mathematics），还需要尝试各种方法探究如何矫正近视，同时进一步利用模型探究其他眼部疾病成因（technology）。在项目活动探究过程中，科学、技术、工程和数学有机结合，使学生在实践中探究、学习跨学科核心知识，有效提高了科学探究素养。学生在收集、分析、交流数据的过程中，有效提升了科学思维的能力；在调查眼部疾病、身边近视人数及原因、采访医院专家及拍摄宣传短片等多种基于社会与生活实际的项目活动中，践行生命观念、增强了社会责任意识。

STEM 课程的教学目标是引导学生亲历STEM实践活动过程，并逐步形成正确的价值观、必备品格和关键能力。STEM 素养包含了知识的融通与应用、设计与创新、文化体验与认同、科学态度与责任担当等。这个培养目标和素养与生物学学科核心素养中提出的培养学生的生命观念、科学探究、科学思维、社会责任等必备品格和关键能力的目标不谋而合。生物学作为典型的科学课程，教师在教育教学中应积极尝试围绕生物学核心概念、运用STEM 理论的项目教学研究。