借助STEM项目化学习 培养生物学核心素养

周鑫

［摘要］ STEM项目以完成作品或调查报告等特定任务为目标，凸显学生的自主探究和实践反思能力。借助STEM项目化学习，研究以“探究Cu2+胁迫对菹草光合作用的影响”创新实验为载体，在真实情境中进行问题导向的项目化学习，通过跨科学、多维度思考，训练科学思维。学生设计项目并实施实验，在科学探究的过程中独立思考、真实体验，并应用生物学原理与知识解决实际问题，培养社会责任与家国情怀，培养生物学学科核心素养。

［关键词］ STEM教育；项目化学习；学科核心素养；创新实验；光合作用

一、因应生命安全与健康教育的真实性项目选择

青少年学生是祖国的未来，他们的健康和安全也是社会、学校和家庭的共同期望。而生物个体是依赖环境而存在的，自然生态的污染与破坏无疑与个体的健康、安全息息相关。《2022中国生态环境状况公报》指出，全国农用地土壤环境状况总体稳定，影响农用地土壤环境质量的主要污染物是重金属。重金属铜是组成生物体细胞的微量元素，但含量过高则会影响生物体的生命活动。人们用被铜重度污染的土地种植农作物，会对植物的生长产生影响，重金属通过生物链的富集进入人体内，最终对人体产生危害。近年来，随着冶金、化工、采矿等行业的快速发展，部分环境中重金属污染日益增加，土壤中含铜量已超过土壤背景值的几倍甚至几十倍，这已经远远超出土壤本身的承受能力。

可见，重金属铜污染对植物生长的影响是与社会热点问题相关的生物学议题。人教版高中生物学必修1设置了“探究环境因素对光合作用的影响”这一实验，通常探究的自变量是光照强度，但农业生产时光照强度是无法控制的，难以直观地用生物学原理去解释和改变环境。因应生命健康与安全教育的目的，选取重金属Cu2+污染这一现实环境问题作为项目主题，引导学生基于设计思维和项目协作，综合运用STEM多学科知识和技能，揭示重金属Cu2+污染的危害，形成结构功能观、稳态平衡观等生命观念，培养社会责任和乡土情怀，让高中生物学学科核心素养的培养落地生根。

二、落地生物学核心素养的项目化活动过程设计

1.渗透社会责任意识的情境项目创设

STEM教育理念强调把知识用于实际生活，结合生活中真实、有趣的问题设计学习任务，通过解决生活中的问题完成教学。本创新实验创设真实问题情境作为教学导入：重金属铜污染主要是由采矿排放出的废水和废气、城市工业和生活污水无节制的排放等致使水质或土壤中重金属含量增加，并造成生态环境的严重恶化。菹草对水体和底泥中的Cu2+有一定的吸收作用，但Cu2+含量过高则会影响菹草的生长，因此菹草的生长状况可作为环境监测的指标。Cu2+胁迫对菹草光合作用有怎样的影响呢？作用机理可能是什么呢？由此，引导学生关注身边的环境，并用生物学原理和方法来研究问题。

本项目中，学生们利用课余时间查找重金属Cu2+污染的现状，以及重金属Cu2+对植物可能存在的危害。教师指导学生利用周末时间，采访与调查周边工厂的污水排放渠道，找寻可能存在的重金属Cu2+污染源，并观察、拍摄水生植物的生长情况。学生们关注到要探究重金属Cu2+胁迫对水生植物生长的影响，需确定合适的实验材料。通过调查发现，菹草是一种河流中常见的水生植物，且研究表明菹草对水体和底泥中的Cu2+有一定吸收能力，但含量过高则会影响菹草的生长，因此确定课题为“探究Cu2+胁迫对菹草光合作用的影响”。他们查阅资料，开展小组讨论，分析实验变量，设计合理的Cu2+浓度梯度，最后确定实验方案。

2.关联多维核心素养的教学目标设计

关联多维核心素养的教学目标设计是指在教学过程中，将多个学科核心素养有机地结合在一起，以培养学生的必备品格与关键能力。STEM项目的探究目标与关联多维核心素养的教学目标密切相关。STEM项目探究目标包括引导学生进行真实的问题解决、实验和项目设计、模拟建模等。这些项目探究目标大多能够推进至各学科核心素养的纵深，也能发展学生的跨学科思维。STEM项目化學习经常会涉及其他学科领域，比如数学中的测量和数据分析、物理学中的原理和实验设计，甚至艺术中的外观设计。通过关联多维核心素养的教学目标设计，学生能够在项目实践中获取学科特定的知识和技能，并培养学科观念、科学探究、科学思维、社会责任等素养。因此，为了达成多维度的教学目标，让学生像科学家一样思考，形成跨学科解决问题的思维习惯，设计了如表1所示的STEM项目教学目标。

3.逐层进阶科学探究的学习任务延伸

逐层进阶科学探究的学习任务延伸是指在掌握基础知识和实验技能的基础上，通过逐步提高难度和复杂性的学习任务来拓展学生的科学探究能力。在逐层进阶科学探究的学习任务延伸中，学生将面临更具挑战性的问题或实验设计，需要更深入地思考、分析和解决科学问题。这种延伸任务可以包括如下四个方面：第一，选择一个与原始实验相关的特定方面或因素，让学生进行更深入的研究；第二，通过设计涉及多个变量的实验，让学生研究它们对所选问题的影响；第三，学生可以使用计算机模型或虚拟实验平台来模拟所研究问题的相关过程，这种方法可以帮助学生更好地理解和预测实验结果，并提供一种便捷、安全和高效的研究手段；第四，学生可以将学习任务延伸到实际应用领域，探索所研究的问题在现实生活中的意义和应用。

因此，从学习者特点、学习环境等因素出发设计教学过程，能使学生在完成挑战任务的过程中，不断提高运用工程学方法解决实际问题的能力。该STEM项目从实验材料、观测指标等方面进行创新，指导学生运用工程设计的方式进行实验探究过程，同时对指标进行观测，以期提高学生利用跨学科知识解决实际问题的能力（主要教学过程见表2）。

4.促进科学思维涵养的工程任务实践

通过参与实际的工程任务实践，学生将直接接触到真实的问题，并且亲身体验科学思维的应用和实践过程，从而加深对研究方法和科学原理的理解。同时，工程任务实践通常涉及多个学科领域的知识和技能，这就要求学生在实践中整合不同学科的知识，如数学、物理、化学等，以解决实际问题。这样的综合应用培养了学生的系统思考能力和跨学科思维能力。尤为重要的是，工程任务实践鼓励学生积极寻找解决问题的思路和方法。他们需要提出假设，设计实验方案，并根据结果进行调整和改进。这样的实践过程培养了学生的创新能力和解决问题的能力。

详细说来，本项目分为4大组，每组各确定一个观测指标进行探究，具体的课题分别为“探究不同浓度Cu2+下菹草净光合作用速率的变化”“光学显微镜下观察细胞中的叶绿体”“叶绿体中的色素提取与分离”“叶绿素a、叶绿素b的定量监测”。各小组按方案中确定的实验流程，对菹草进行Cu2+胁迫培养，并进行相关检测，观察记录结果。各组根据自己的实验结果，及时整理实验数据。之后，教师再引导学生利用Excel软件绘制曲线图，分析数据，得出相应的实验结论。最后，组内讨论，利用已有的生物学知识尝试解释实验结论，探究生命现象背后的生物学原理。各组分享实验探究心得，在交流过程中体验探究的乐趣，提高合作学习能力，通过反思实验过程提出改进措施，训练科学思维。

5.践行核心素养内化的项目迁移应用

在高中生物学实验教学中应用STEM项目化学习是教学改革的积极探索，其本质还是希望学生能将生物学知识应用于生活实际，能利用工程学的思维解决生产实践的问题。在这个过程中，通过设计适合学科特点的学习迁移项目，促进学生深入理解知识，并将其内化为学科核心素养。一方面，项目化的迁移应用能够帮助学生将学科核心素养转化为具体行动，应用于学科项目的不同阶段和任务；另一方面，项目迁移应用可以创造出更具互动性和合作性的学习环境，有助于学科核心素养的内化。这种协作和互动过程促使学生积极参与学科学习，相互借鉴，以培养学科交流和合作的能力。此外，项目迁移应用还为学生提供了更多自主学习的机會，让他们不断评估和调整自身的学习策略和方法，促进学生进一步将知识内化为学科核心素养。

对于探究Cu2+胁迫对菹草光合作用的影响，可以通过STEM项目化学习引导学生迁移设计其他探究实验。例如，学生可以进一步配制不同浓度的Cu2+溶液，将其加入植物细胞样本中并观察细胞核结构的变化。通过显微镜观察和图像分析，学生可以评估Cu2+胁迫对植物细胞核形态、大小和染色质结构的影响，从而了解其在细胞水平上的作用机制。此外，学生还可以通过数据收集、数据分析和结果讨论等科学探究活动，培养科学思维方法和实践技能。总之，在实验教学中借助STEM项目化学习，能够使学生在理解科学原理、掌握实验技能的同时，逐步达成“像科学家一样思考”，培养生物学学科核心素养。

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［4］张锋.融合STEM理念的初中生物学实验教学实践与思考[J].生物学教学，2019，44（06）.

［5］马香华，王林玲.因应生命科学进展的中学生物学课程实施方略探讨[J].中小学班主任，2022（06）.

周 鑫   江苏省奔牛高级中学。