基于STEM理念的初中生物学实践活动探索

袁平平 杨守

摘要 通过“自制反射弧模拟演示器”实践活动，让学生亲历搜集资料、绘制草图、完善方案、合理选材、调试检测等活动的全过程。在活动实施中，学生承担真实任务，体验真实角色，学会合作与取舍，懂得学科间融合的基础上，全面锻炼能力，提升科学素养。

关键词 STEM理念 实践活动 生物学教学

中图分类号 G633.91文献标志码 B

《义务教育生物学课程标准（2011年版）》更加突出对学生实践能力的培养，明确要求教师应该提供更多的机会让学生实践。在初中生物学教学中开展实践活动能跨越书本与现实的鸿沟，打通学科知识关联，打破学科间的知识壁垒。这与 STEM 教育所强调的以跨学科融合为特征，以问题为载体，以学生自主参与为主内核的创新性、综合性、实践性理念相一致。

STEM教育以真实问题的解决为切入点，将科学、技术、工程、数学等学科有机融合，注重锻炼学生对跨学科知识整合的能力和运用跨学科知识解决实际问题的能力。“自制反射弧模拟演示器”这一实践活动将生物学、物理学知识融为一体，最终实现学生跨学科思维、科学思维、工程思维的提升。

1 活动确立的背景

我国教育学家陈鹤琴提出“做中学，做中教，做中求进步”。生物学作为一门以实验探究为基础的自然科学，其学科特征要求教师要引导学生主动参与，积极动手，帮助学生领悟科学的本质。“人的生长发育及对环境的适应都受神经系统和内分泌系统的调节”，是课程标准中50个重要概念之一。要落实这一重要概念，教师需要引导学生理解神经调节的基本方式——反射，反射的实现需要有完整的反射弧。教学中，教师通常采取图片、动画、视频等多种方式，力图突破难点，帮助学生理解反射弧的组成及功能。但是，学生往往会出现反复记、反復忘的现象。即便教师利用习题训练进行强化巩固，学生的知识掌握情况也不如人意，距离落实“概述神经调节的基本方式”这一目标相差甚远。为帮助学生深度理解概念，笔者开展了“自制反射弧模拟演示器”的实践活动，将生物学知识与STEM教育进行融合，以帮助学生理解重点、突破难点，最终提升学生的生物学学科核心素养，促进学生个性化发展的目标。

2 活动准备

2.1活动介绍，确立目标

教师联系生活，使学生回忆“手碰到热的物体迅速缩回”“沙滩上脚踩到利物迅速抬起”等切身感受，引出这些反应都与反射有关，明确告知学生制作反射弧模拟演示器的任务。

2.2搜集资料，了解反射

活动开展前，学生分组，合理分工，小组成员通读教材了解“反射”和“反射弧”的基本知识，利用平板对教师推送的网址进行知识检索，进一步加深对“反射”和反射弧”等知识的理解。

2.3动态拆解，探究作用

小组成员平板动画拆解反射弧5部分组成，在阻断与整合反射弧的过程中探究某部分的作用。通过动态拆解，学生得出：①反射弧由感受器、传入神经、神经中枢、传出神经、效应器组成。②感受器能受刺激产生神经冲动;效应器能接收神经冲动，作出反应。传入神经和传出神经都能传导神经冲动。③完整的反射弧是完成反射的结构基础。要想完成反射，反射弧必须完整，任何一部分出现障碍反射活动都无法完成。 2.4清晰绘图，详尽描述

组内成员选择一种熟悉的简单反射类型（如缩手反射、膝跳反射），以第一人称的形式详尽叙述该反射完成的全过程。然后，画出所选反射的反射弧，标明各部分结构的名称和作用。

3 活动实施

STEM 教育注重学生的动手能力，强调探究与工程设计相结合。这种结合一般以任务进行驱动，学生开展小组合作学习，最终实现产品的设计与制作。

3.1搜集资料，设计方案

以小组为单位利用平板进一步检索学习：串并联电路的定义特点、连接方法;电磁开关（干簧管）的连接原理和使用方法等跨学科知识。对学习中出现的疑难问题，小组利用网络连线物理学教师或连线专业技术强的家长的方式进行突破。教师或家长答疑解惑后，小组成员整合与取舍相关内容，争辩与商议确定出本小组与自制反射弧模拟演示器有关的备选方案。

3.2绘制草图，论证方案

小组成员依据方案绘制出反射弧模式草图。在方案论证前期，小组选代表结合草图将自己小组所选取的材料、用途、制作原理等形成书面文字，注意重点阐述自己的难点突破方案和运用到的制作原理。

在论证环节，各小组聚焦“如何实现神经冲动的动态传递”展开讨论。经过激烈的讨论，2个小组聚焦用串并联电路为突破点解决此问题;2个小组聚焦用磁力磁场与电路知识结合的方式对难点问题进行突破;1个小组聚焦物理压强相关知识，决定用液体流动突破神经冲动传递一难点。

聚焦物理压强知识小组选取的材料有表示反射弧各部分的卡片、去掉针头的一次性塑料注射器、输液管（大、小）、防水胶带、带颜色的液体（红墨水）、红色橡皮泥。他们用带颜色液体流动模拟信号传递，塑料管模拟神经，注射器模拟感受器。当推动注射器时（感受器接受刺激），就能看到红色液体（信号）随塑料管先传导到效应器，再看到信号传达到脑部。

聚焦磁力与电路结合组选取的材料是无线磁控灯，主要体现的是生物学与物理学知识的融合。磁控灯在磁力作用下会发出闪烁的灯光，灯光闪烁代表神经冲动信号的传递，灯光依次闪烁代表神经冲动传递的方向。

3.3完善方案，修改图纸

小组成员继续讨论，订正图纸，完善设计方案。例如，聚焦物理压强知识的小组所涉及的最初方案无法实现神经冲动先到达效应器再传导到大脑。在完善环节，小组成员最终决定采用图片剪辑的方式凸显反射弧和大脑，借助针管推动时的压力实现反射神经冲动的传导方向诠释，通过在脊髓向脑部传递的部位设置塑料“关卡”解决神经冲动先传达到效应器后传向大脑的问题。“关卡”打开后，能看到红色液体代表的信号传递过去。

3.4合理选材，进行制作

小组成员仔细甄别选取自己所需的材料——无线磁控灯、普通小灯泡、电路、开关、针管、注射器，合理分工，制作模拟演示器。

3.5调试检测，迭代优化

在演示器调试检测环节，各小组发现自己组的不足及提升改进点。

①将物理学电学串并联知识应用到生物演示器的制作中的小组因取材传统，电路连接繁琐且不易挪动，神经冲动传递过程演示时受材料和电路操作熟练程度的限制，演示神经冲动传导环节有断层且演示器较笨重繁琐，不适合大面积推广和制成成品。

②将物理学压强知识应用到模拟演示器的不足之处是，在神经中枢与效应器和神经中枢与大脑皮层之间用了塑料“关卡”，显得很刻意，只有“关卡”打开墨水才能传到效应器和大脑皮层。信号传导到效应器和大脑皮层后墨水量和墨水的处理是要进一步解决的问题。小组模型及模拟演示如图1所示。

③将无线磁控灯应用到模拟演示器制作中的小组，能实现边讲解边演示，讲到哪儿，神经冲动就传导到哪儿，特别适合在对某一反射的详细讲解和剖析环节中应用。其模型的提升改进点为：若想实现快速动态演示，可以推出有线 LED 小彩灯模拟演示器的制作。小组模型及模拟演示如图2所示。

4 成果与推广

小组成员出谋划策将自己团队制作的反射弧模拟演示器的性能、选材、优势等拍成视频资料。为了便于推广，小组成员还设计了专属Logo和广告语。

5 活動反思

陶行知先生曾经说过：“强行把知识灌给学生，学生是不情愿的，即便学也是不消化，早晚要把知识还给老师。学的过程中充分发挥学生的主观能动性效果会好很多。”“自制反射弧模拟演示器”这一基于 STEM 理念的实践活动从真实情境中的真实问题出发，鼓励学生参与制作模拟演示器。该活动在开展时采取任务驱动，以现有学科知识为基础，小组成员群体协作，解决多组问题。无论是画简单的反射弧还是演示器制作草图，都是为了能顺利完成核心任务“模拟演示器的制作”。在活动实施过程中，学生始终是活动的主体，经历从理论到实践、从无到有的完善过程。

5.1真实情境是活动载体

STEM教育中以学生为中心，通过创设真实情境、学生组建团队的方式，解决开放式问题。例如，反射弧模拟演示器制作就是以学生切身体会到的反复记、反复忘的问题为切入点展开的。学生在真实的情境下开展学习，展开探究。随着解决螺旋式上升的问题，学生由浅入深地思考，产生新的疑问，有利于对现实生活中的问题保持敏感。STEM教育下的真情境让学生不仅会学以致用，更学会用以致学，学中生疑。

5.2学科融合是必要基础

学科融合是STEM理念下初中生物学教学中开展实践活动教学的必要基础。反射弧模拟演示器的设计以学生原有的知识经验为基础，符合认知规律。反射弧模拟演示器制作将S（科学）、T（技术）、E（工程）、M（数学）四要素有机融合为一个整体。此实践活动STEM要素具体体现为：S（科学）要素包括反射的概念、反射弧的组成及各部位的作用、串并联电路中的电流电压关系，以及磁力、磁场、电磁能。根据材料的特点，对材料进行甄别与筛选，熟练连接电路，体现了T（技术）要素。设计方案，绘制改进图纸，体现了E（工程）要素。导线长短的测量、截取、取舍体现M（数学）要素。

模拟演示器的制作需要生物学反射及反射弧组成的知识，也需要物理学中串并联电路和磁力磁场等知识。因此，要达成活动目标就需要进行学科知识的有效融合。在模拟演示器制作过程中，学生更深入地理解和掌握了生物学知识和物理电学、力学知识。活动也让物理学中原本枯燥生涩的电路、磁场等知识借助自制反射弧模拟演示器的实施变得鲜活起来。

5.3发展性评价是有效保障

教师无需事事评价，处处设限。教师要允许学生在活动过程中犯错、走偏、焦躁、失落，要明确引导学生、评价学生、参与讨论、进行里程碑式的成果汇报、展示反思等的时机。学生在活动实施过程中不断复盘，不断反思，在布局、复盘、反思中，获得成功。该活动从科学性、艺术性、创新性、合作学习等方面，采用自评、互评、师评三者结合的评价方式。“自制反射弧模拟演示器”发展性评价量规见表1。

STEM 教育强调“动手”“思考”“融合”。STEM 理念下的实践活动让学生在真实任务的引领下解决真实问题，锻炼学生如何取舍寻求最优，使学生学会任务拆分完成目标，真正实现“做中学”“学中做”。在实践活动中，学生承担真实任务，体验真实角色，有效地锻炼了能力，提升了素养。

参考文献：

[1]蔡海云.STEM 教学模式的设计与实践研究[D].上海：华东师范大学，2017.

[2]宋巧颖.基于STEM教育理念的中学化学教学设计与实践——以制作一面镜子为例[D].漳州：闽南师范大学，2018.