STEM教育在發展高中生物學核心素養中的應用

石進德

（廈門第一中學集美分校，福建廈門361023）

STEM教育在發展高中生物學核心素養中的應用

石進德

（廈門第一中學集美分校，福建廈門361023）

應用STEM教育理念開展高中生物學教學，學習場所不再局限于教室和學校，有助于學生嘗試用生命觀念去認識生命世界、解釋生命現象；在解決現實問題中綜合應用所學的生物學、數學、物理等知識，提高學生的理性思維；在探究實驗、實踐活動中學習科學知識，增強社會責任感，提高分析問題、解決問題的能力、科學探究能力與創新能力，促進學生的生物學核心素養發展。

STEM教育；生物學核心素養；科學探究；實踐活動

STEM最初是由美國政府提出的，它是指科學（Science）、技術（Technology）、工程（Engineering）和數學（Mathematics）以跨學科的形式在教學中整體呈現。STEM教育重視實施開放與動態的課程，要求學生利用已有知識解決現實問題，同時拓展和完善知識體系，具有生命性。強調跨學科整合的思維解決真實情境中的問題，具有融合性。關注實驗探究與實踐，具有科學性。強調社會的共同參與，具有社會性等特點。筆者嘗試在高中生物學教學中應用STEM教育理念，探索發展學生生物學核心素養的途徑。

一、踐行生命觀念，體現生命性

不同學生的思維品質、個性特征、知識儲備、經驗積累具有較大的差異性，STEM教育強調學生的個性發展是開放和動態的，學習場所不應局限于教室和學校，開放式的學習有助于學生理解或解釋生命過程和生命現象。

人教版《高中生物·必修3·穩態與環境》的第四章“種群和群落”一節學習后，教師指導學生開展“探究土壤中的動物類群豐富度”的探究性學習。學生通過理論學習、實驗操作、校園內外指示動物生境調查、研究成果交流、展示及拓展延伸等活動，走出課本與教室，融入大自然和社會，以實驗室、校園、校外場地等為研究、學習的場所，靈活運用科學知識，積極尋求高校或科研機構專家的理論指導和技術支持，學習指示值法、不同理化性質對土壤動物群落的影響、土壤動物的監測、大型土壤指示動物生態毒理實驗等動物生態學原理與研究方法，主動探索解決有關生命活動具體問題的方法。

“探究土壤中的動物類群豐富度”的探究性學習內容是開放的、活動過程是動態的，是對課堂知識的拓展和延伸。在這個動態的活動過程中，學生嘗試用生命觀念去認識生命世界、解釋生命現象，提升認識能力和解決現實生活問題的能力，體現STEM教育活動的生命性。

二、提高理性思維，體現融合性

STEM教育強調科學、技術、數學、工程等跨學科整合，在解決現實問題中促進學生的理性思維。

學生學習高中微生物學知識后，基于DNA水平的非培養方法開展“杏林灣微生物群落組成及多樣性研究”活動，通過查閱資料→實驗準備→樣本采集→實驗處理→細菌多樣性分析→水質檢測、分析→結果分析處理等研究過程，學習科學研究的文獻法、采樣分析法、實驗檢測法、16SrDNA測序和PCR克隆技術，繪制研究水體微生物的S型、J型曲線，建立其數學模型，通過歸納與概括、演繹與推理，構建水體分離細菌系統發育樹，發現和分離研究水域中未知細菌，為新型微生物資源的開發提供依據。通過研究發現研究水體的水質安全性較差，不適宜與人類肌膚直接接觸（如游泳等），應加強水體管理，尤其要減少周邊養殖廢水、生活垃圾以及工業污水的隨意排放，從源頭上做好水體的保護工作。由此論證了水體安全性這一生物學社會議題，為城市規劃建設中環境保護建設提供水體監測依據。

通過此活動，學生所學的高中生物學、數學、物理等理論知識得到有機的融合與應用，學生在解決現實問題中提高了思維能力。

三、開展科學探究，體現科學性

STEM教育關注學生的動手實驗，在實踐中探究、學習科學知識，認識科學的本質和真諦，這與高中生物學倡導科學探究的理念相吻合。

在開展高中生物“比較H2O2在不同條件下的分解”實驗時，學生觀看該經典實驗微課視頻后發現實驗存在科學性問題：一是滴加氯化鐵和肝臟研磨液是分步進行的，不利于同時比較氣泡產生的情況；二是帶火星木條也是先后插入兩支試管中，對帶火星木條的助燃效果比較也沒有同步進行；三是帶火星木條易接觸到試管壁導致木條熄滅；四是使用兩個火星木條無法滿足對照實驗中單一變量原則。實驗的準確性、科學性和可靠性等受到影響。同時學生還提出在對比試管中產生的氧氣（或二氧化碳、氨氣、氯氣等）濃度等生物學或化學實驗中，同樣存在類似的問題。教師啟發學生進一步思考能否嘗試設計一種對兩支試管中化學反應產生氣體的濃度進行定性同步比較的實驗裝置？如何讓比較實驗同步進行？如何更科學合理地設計實驗過程？接著師生共同研討解決問題的方案。通過查閱資料，對探究實驗的要求、對比實驗單一變量原則有了進一步的理解和認識，激發了學生探究實驗的興趣，分組設計改進實驗的方案。在眾多的方案中，Z同學的方案最有創意，在同伴互助、教師指導下，她反復改進方案，最終設計出一種對兩支試管中化學反應所產生氣體的濃度進行定性比較的、能進行同步實驗操作或演示實驗裝置。

通過“比較H2O2在不同條件下的分解”探究實驗，學生認真分析實驗現象與實驗結果，從中發現問題，并嘗試應用生物學知識解決問題，促進了科學探究能力、實踐能力與創新能力的提高。

四、增強社會責任，體現社會性

STEM教育是圍繞社會熱點、難點問題展開研究的。例如“體驗古法釀醬技藝、傳承中華醬文化”實踐活動是源于學生的生活和體驗，基于中華文化的傳承而設計的，是“關于生活的教育”，也是“為了生活的教育”。通過此活動，學生學會識別有毒（劣質）醬油，踐行健康飲食理念，體驗釀醬技藝，體會“誰知盤中餐粒粒皆辛苦”的含義及父母培養子女的辛勞，讓學生學會感恩和養成熱愛勞動的思想品質。“花生根莖水煮液對糖尿病小鼠血糖的影響”實踐活動是基于社會的發展和人類生活方式改變使得糖尿病發病率逐年遞增，成為第三大非傳染性疾病，嚴重威脅人類健康。而閩南地區盛產花生，每年花生收割后，花生根莖卻被丟棄在農田里做肥料。通過本實踐活動研究表明花生根莖水煮液確實能降低血糖，既能將花生根莖變廢為寶，又能節約就醫用藥的開支問題。

這些實踐活動均與學生的生活息息相關，學生在參與實踐活動、解決問題的過程中，大大增強社會責任感。

STEM教育理念指導下的高中生物學教學，讓學生通過“發現問題→提出問題→作出假設→制定計劃→實施計劃→分析結果→得出結論”等科學探究實踐活動，增強了學生發現問題的意識，提高了解決問題的能力、團隊合作能力、科學探究能力與創新能力，有利于促進學生生物學核心素養的提升。

［1］蔣桂林.基于高中生核心素養培養的生物學科素養的思考［J］.中學生物學.2015（10）.

［2］楊曉哲.數字化時代的STEM教育與創客教育［J］.開放教育研究.2015（5）.

［3］黃曉.論STEM教育的特點［J］.江蘇教育研究.2014（15）.

（責任編輯：陳欣）

本文系福建省教育科研“十二五”規劃2014立項課題“‘翻轉課堂’——高中生物‘慕課’實踐研究”（項目編號：FJJK14-404）研究成果。