基于STEM教育理念的初中生物教学设计与实践研究——以包头市第四十六中学为例

内蒙古科技大学包头师范学院 赵 艳 高 颖 刘雅萍*

目前，我国的初中生物课堂普遍存在一些问题，主要表现为以教师教授知识为主，学生过分被动；蕴含在生物学科中的理性思维、探究等科学方法没有得到学生的重视等等。在这样的环境下，学生学习的主动性很难发挥出来，思维没有得到很好的拓展延伸。为解决这些教学问题，我国引入STEM教育，并将其应用于生物教学中。STEM教育是有机融合了Science（科学）、Technology（技术）、Engineering（工程）和Mathematics（数学）四门课程的综合性教育。在此过程中，学生需要运用平时学到的多门学科的知识，自己动手操作。学生不仅可以获得科学知识，还可以习得工程设计以及一些技术的操作方法，以此提高学生各方面的综合素质。

一、绪论

（一）研究综述

自STEM教育被提出以后，很多国家纷纷开展了STEM教育。各个国家开展STEM教育的初衷都是为了国家的发展，但在具体落实STEM教育的过程中，各国又结合自身的实际情况采取了不同的政策与措施。例如，英国在STEM教育中加大了资金的投入，以便更多的学生可以参与其中。同时为了使学生热衷于STEM教育的学习，政府特别鼓励开发STEM活动和项目。1998年，日本由于实施了“宽松教育”政策，学生学业成绩有些下滑。因此，日本加强了STEM教育。芬兰是一个特别具有创新精神的国家。20世纪90年代，芬兰提出了LUMA（芬兰语自然学科和数学的缩写）项目。这个计划的目的是促进国家科学教育水平的发展，主要通过改进传统教学实践的方式来提高学生对创新和技术的兴趣。

我国对于STEM教育的研究相对来说开始得晚一些，但发展速度比较快，研究成果非常具有实用价值。我国学者朱学彦、杨明全等人分别在不同时期对STEM教育进行了研究。朱学彦等阐述了STEM战略在美国的发展和组织保障，由此认为STEM教育可以促进科技人力的发展。2011年，杨明全介绍和分析了二战后美国重要的教育改革。最近的一次并且比较重大的教育改革就是STEM教育。该文章详细阐述了当前美国中小学STEM教育体系，对中国小学科学教育启发很大。

综上，美国、英国等西方发达国家对STEM教育的研究比较超前并且均强调发挥学生的主体性，有利于培养创新型人才。从STEM教育引入中国至今，我国对于STEM教育的研究内容比较多，但大多数比较宽泛，不够深入聚焦，在教学设计方面的内容比较薄弱。因此，我们要继续深入研究STEM教育，使其形成一个完整的体系。

（二）研究目的及意义

本研究旨在通过梳理国内外STEM教育文献，结合初中生物学教材，进行基于STEM教育理念的初中生物课程的设计，希望能够有效地促进STEM教育理念与初中生物课程的融合，并针对所设计的课程进行实践研究，提升学生的学习兴趣，同时也期望此研究能够有助于初中生物教师做好以STEM教育为核心的课程设计，进一步贴近新课改所提倡的“核心素养”这一主题。

本研究利用课程论、教育学原理与教育心理学的相关原理，呈现了完整的STEM教育理念下初中生物课程的设计与实施方案。通过该课程的实施，提高了学生的STEM素养水平，增加了学生对生物学科的学习兴趣。教师通过对课程理论的学习、教学内容的编写与组织，增加了专业素养，提高了课程理论水平，锻炼了教学能力。

（三）研究方法

本研究采用文献研究法、案例分析法和问卷调查法。通过查阅有关文献，了解STEM教育的研究现状，熟悉STEM教育的教学模式，结合实习学校的实际情况，有机融入STEM教育理念进行教学设计，并将其实施。课后收集学生的学习心得获得课程反馈，反馈内容主要包括对开展STEM课程的体验。

二、理论基础

（一）建构主义理论

建构主义认为，学生在学习新知识前，就已经具备了一些经验，教师要在此基础上，找到新旧知识的连接点，从而帮助学生建构出新的知识。建构主义的学生观强调学生在日常学习生活中已经形成了丰富的经验，因此教师在备课时，特别是在学情分析方面，一是要找到学生原有知识经验中有利于教学的内容，并将它充分利用起来；二是要纠正学生原有经验中的一些不正确的认识，以便学生顺利且准确地对新知识进行建构。教学活动的设计应该是相互联系的，不浪费学生有效学习的每一分钟。

（二）探究学习理论

探究性学习是一种通过探究来引导学生获得真正的知识和人格发展的教育。探究性学习无固定的教学模式，总的来说，就是分三步：明确问题、深入探究、得出结论。探究学习的过程需要学生主动地参与其中，在动手操作的过程中获得科学知识，这些知识是认识自然的基础，有了良好的基础，学生就更有兴趣更积极地对未知世界进行探索。

三、基于STEM教育理念的初中生物教学案例设计与实践

（一）课程目标的分析与确立

撰写基于STEM教育理念的初中生物教学案例的课程目标时，笔者参照了我国《义务教育生物学课程标准（2011年版）》的要求。

根据要培养的学生的综合素养，结合人教版生物学八年级下册第七单元第二章第四节的具体内容制定三维教学目标。具体目标如下。

1.知识目标：（1）通过观察男、女成对染色体排序图，能够辨别性染色体；（2）通过制作染色体模型，描述染色体、DNA和基因的关系；（3）通过实施模拟实验，阐明生男生女机会均等的原因。

2.能力目标：（1）通过区分X、Y染色体，能够正确书写遗传图解；（2）通过参与模拟实验，发展合作和交流的精神；（3）通过计算性别比，锻炼计算能力。

3.情感与价值目标：（1）通过学习人的性别取决于哪种类型的精子与卵细胞结合，用科学的态度看待生育的问题，摒弃重男轻女的不良风气；（2）通过联系性别比例失调的潜在危害，理解国家制定相关政策的原因，认同国家相关规定。

（二）课程内容的选择与组织

在人教版生物学八年级下册第七单元和第八单元中，利用STEM要素分析，对生物学内容进行选择，结合内容选择与组织的科学性、逻辑性原则，最后决定本研究采用第七单元第二章第四节“人的性别遗传”的内容。性别是一种特殊的性状，学生对此有一种神秘感，由此产生强烈的好奇心，并且具有浓厚兴趣。本节内容可以满足学生对于性别决定和性别遗传知识的需求。生命延续的奥秘就是亲子代间遗传信息的传递。遗传信息在传递的过程中会发生复杂的变化，使亲子代之间产生一些差异，致使物种在稳定的基础上进化。

（三）课程活动的设计

为了将STEM教育的各个元素与教材内容有机结合，设计了三个教学环节。第一个教学环节是在男女染色体的差别板块设计了制作染色体模型的活动。制作染色体模型所用到的材料是超轻黏土。活动的要求是学生小组合作，制作出来的染色体模型要能够正确反映基因、DNA、染色体之间的关系。这部分内容虽然简单，但是由于染色体的微观性，学生不能直观地理解三者之间的关系，往往靠死记硬背记住三者之间的关系。因此，本研究设计了“制作染色体模型”作为第一个科学活动，通过制作染色体模型将微观的染色体结构具体地表现出来，将复杂的知识简单化，同时学生通过对这一问题的思考，深化了对染色体结构的认识。这个科学活动是以制作模型为任务，注重锻炼学生的动手操作能力，通过完成模型制作任务深化对科学知识的理解，不仅是科学与技术的相互渗透，还是对工程设计思维形成的促进过程。

第二个教学环节是模拟实验，用黑白棋子分别表示精子与卵细胞来演示它们的随机结合。教师提出问题：如何重新制定模拟实验？任务要求学生采用容易获得的材料来设计实验用具，设计出来的实验用具要保证实验的科学性。首先，三位学生在教师的引导下完成教材上的模拟实验；然后教师组织学生设计并完成实验用具的制作；最后学生展示作品，讨论实验用具的合理性与科学性。这个科学活动是以制定模拟实验为任务，注重锻炼学生的动手操作能力，通过完成模拟实验制定任务深化对重要概念的理解，不仅是技术与工程的相互渗透，还是对创造性思维形成的促进过程。

第三个环节是计算性别比活动。关于性别比的问题，如果教师直接告诉学生男女人口的比例，有违教师的引导教学。因此，教师依次给出了包头市、内蒙古自治区、中国的男女人口数，请同学们计算性别比，同时展示相关数据的图表，并讲解了与生男生女机会均等相同原理的统计概率、数学概率以及大数法则等数学知识。这个科学活动是以计算性别比为任务，注重锻炼学生的计算能力，通过完成性别比计算任务深化对科学知识的理解，不仅是学习内容与学生实际生活的相互渗透，还是对跨学科整合性思维形成的促进过程。

（四）教学实践

授课对象为包头市第四十六中学八年级1、2、3、4班的学生。在课程结束后，收集了学生们的学习心得，了解学生对本节课程的真实感受。

四、结论与展望

（一）研究结果

基于STEM教育理念的初中生物学教学效果良好。开放式问卷设置了两道题目：（1）在STEM课程上提高了哪些方面的能力？（2）对开展STEM课程的认识。

根据问卷中第一个问题的调查结果，得出的结论如下。

1.STEM教学可以提高学生学习的积极性。调查问卷反映，STEM课程的课堂内容丰富，学生反应积极，师生互动良好。86%的学生在问卷中提到“提高了学习的积极性”。

2.STEM教学可以锻炼学生的动手能力和团队合作意识。本次STEM课程实践以小组合作的形式进行,所有活动都由学生自己动手实践，小组内成员分工明确，完成方案的设计后，学生进行汇报，并交流讨论。在反馈中，73%的学生表示通过动手实践加强了对知识的掌握，并且协作能力也得到了提升。

3.STEM教学可以促进对知识的深入理解和有意义的建构。84%的同学认为STEM课堂教学促进了对知识的深入理解和有意义结构。如，有学生提到感受到了知识与知识之间的联系，加深了对于染色体、DNA和基因三者关系的理解，以及想起模拟实验就想到男女比例为1：1等。

根据问卷中第二个问题的调查结果，得出的结论如下。

1.学生中以STEM课堂代替传统课堂教学的意愿很高。81%的同学愿意以STEM课堂教学课代替传统的课程安排；15%的同学没有提到自己是否愿意以STEM课堂教学课代替传统的课程安排；只有4%的同学不愿意替换课堂教学方式。

2.学生对开展STEM教育的体验良好，尤其是平时上课注意力不集中的学生。有一位同学提到，自己作为“学渣”竟然一整节课都能学下来，中途也没有搞小动作或者做一些与学习无关的事情。还有一部分同学表示，这样的课堂增强了师生之间的互动，学生的学习意愿比较强烈，上课时的专注力更高。

（二）研究不足

本研究对八年级下册可开发STEM教学案例的内容进行了筛选，仅详细设计并实践了1个STEM教学案例，初中阶段还有许多内容资源有待整合和发掘。本次研究设计的STEM课程较为基础，各学科的融合应用还不够深入。若把活动中心放在完成一个具体作品上，或许能更贴近融合运用多学科知识的本质。

受研究时间的限制，对于学生动手能力、思维能力等方面的目标缺乏衡量标准。未能大范围、长期地实施，所以无法武断地肯定STEM教育在中学实施的实际效果。

（三）研究展望

近年来STEM教育已成为我国的教育热点，国内有关STEM教育的研究主题越来越广泛，并且对同一主题研究得越来越深入。基于STEM理念的教学实践活动会得到持续的推进。笔者对STEM教育的发展做出如下展望。

第一，构建STEM课程体系，合理安排课时。笔者经过本研究的实践后发现，基于STEM教育理念的教学案例实施起来比较耗时。若没有完善的STEM课程体系的安排，直接在普通课程中穿插STEM教学案例，会严重挤压传统课程的课时安排。

第二，加强STEM课程资源开发与利用。组建专业的STEM课程资源开发团队，结合多门学科教师的经验与智慧，不断进行教学实践，对课程资源进行完善和更新。

第三，建立健全STEM教师培养体系。单科教师准备和实施STEM教育的工作量极大，为应对STEM教育在中学推广出现的教师缺口，提高STEM课程开展效率，高校应加强对专业STEM综合教师的培养，或是需要为一线教师提供丰富的培训资源与项目，通过培训完成转化。