基于核心素養(yǎng)培養(yǎng)的高中生物STEM項(xiàng)目活動(dòng)開展

STEM項(xiàng)目活動(dòng)是通過(guò)實(shí)踐探究，將科學(xué)（Science）、技術(shù)（Technology）、工程（Engineering）和數(shù)學(xué)（Mathematics）有機(jī)地整合，增強(qiáng)學(xué)生發(fā)現(xiàn)問(wèn)題的意識(shí)，提高其解決問(wèn)題的能力，提升團(tuán)隊(duì)合作能力，激發(fā)其科學(xué)探究能力與創(chuàng)新能力，促進(jìn)學(xué)生生物學(xué)核心素養(yǎng)的提升。STEM項(xiàng)目活動(dòng)如何在生命觀念、理性思維、科學(xué)探究、社會(huì)責(zé)任四個(gè)維度方面得到體現(xiàn)，值得思考與探索。

以獲得第30屆廈門市青少年科技創(chuàng)新大賽項(xiàng)目“花生根莖水煮液對(duì)小鼠血糖的影響”活動(dòng)的開展為例，從實(shí)驗(yàn)探究、數(shù)據(jù)分析、假設(shè)檢驗(yàn)、結(jié)果展示四個(gè)方面簡(jiǎn)述高中生物STEM項(xiàng)目活動(dòng)的開展。

1 實(shí)驗(yàn)探究——培養(yǎng)科學(xué)探究能力

STEM項(xiàng)目活動(dòng)關(guān)注學(xué)生的動(dòng)手與實(shí)驗(yàn)?zāi)芰Γ诨顒?dòng)探究過(guò)程將科學(xué)、技術(shù)、工程和數(shù)學(xué)有機(jī)地整合，依托前期科學(xué)、規(guī)范的項(xiàng)目活動(dòng)設(shè)計(jì)，創(chuàng)造性地完成科學(xué)探究活動(dòng)，在實(shí)踐中探究、學(xué)習(xí)科學(xué)知識(shí)，認(rèn)識(shí)科學(xué)的本質(zhì)和真諦，有助于培養(yǎng)科學(xué)探究能力。

1.1 實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備

項(xiàng)目預(yù)實(shí)驗(yàn)的結(jié)果提供了實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備的依據(jù)，細(xì)致的實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備工作是順利完成實(shí)驗(yàn)探究的基礎(chǔ)。

高中生物STEM項(xiàng)目實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備包括：① 采集與處理生物材料，選擇和處理實(shí)驗(yàn)材料，使項(xiàng)目研究操作方便、實(shí)驗(yàn)效果明顯；② 基本設(shè)備和常用儀器用具，實(shí)驗(yàn)儀器和用具能否正常使用直接關(guān)系到項(xiàng)目研究的成敗；③ 配制化學(xué)試劑，符合實(shí)驗(yàn)要求的試劑配制直接影響著實(shí)驗(yàn)的結(jié)果；④ 安排實(shí)驗(yàn)組與對(duì)照組，正確設(shè)置對(duì)照實(shí)驗(yàn)才能消除無(wú)關(guān)變量影響，獲得科學(xué)有效實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

案例中準(zhǔn)備了動(dòng)物血糖測(cè)試儀、四氧嘧啶等儀器與試劑以及體重為18～22 g的普通小鼠（雌雄兼用）。小鼠飼料主要成分配比為：標(biāo)準(zhǔn)飼料中蛋白質(zhì)21%，碳水化合物51%，脂肪3%，采用新鮮花生根莖加8倍水浸泡2 h，兩次（分別煮2 h和1h）水煮取濾液，靜置過(guò)夜再過(guò)濾，濾液加熱濃縮至500 g/500 mL。將100只重18～22 g的糖尿病模型小鼠隨機(jī)分成5個(gè)實(shí)驗(yàn)組、5個(gè)對(duì)照組，每組各10只。

1.2 實(shí)驗(yàn)開展

實(shí)驗(yàn)的開展是整個(gè)STEM項(xiàng)目活動(dòng)的核心環(huán)節(jié)，通過(guò)綜合運(yùn)用STEM知識(shí)探究、發(fā)現(xiàn)并解釋未知的現(xiàn)象。在活動(dòng)中，學(xué)生要對(duì)出現(xiàn)的未預(yù)見(jiàn)的問(wèn)題及時(shí)反饋與修正，對(duì)研究方案和策略進(jìn)行合理的調(diào)整，使活動(dòng)盡可能往既定方向發(fā)展。實(shí)驗(yàn)時(shí)，教師應(yīng)特別注意安全性，主要體現(xiàn)在儀器設(shè)備的安全與生物安全兩方面，同時(shí)還要關(guān)注操作細(xì)節(jié)、操作順序的合理性、操作標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)范性等問(wèn)題，使學(xué)生在探究中充分體驗(yàn)科學(xué)研究的嚴(yán)謹(jǐn)性和規(guī)范性。

本案例中首先建立了糖尿病小鼠的模型，使學(xué)生體驗(yàn)?zāi)Ｐ徒?gòu)的特點(diǎn)與應(yīng)用：選擇100只實(shí)驗(yàn)小鼠，將其隨機(jī)分組喂養(yǎng)7 d以確保其適應(yīng)性，禁食24 h后再稱重；每只小鼠從腹腔注射用pH為4.4的檸檬酸緩沖液溶解的四氧嘧啶（濃度為14 mg/mL）進(jìn)行造模（劑量為0.1 mL/10 g），空白組按等量蒸餾水注射腹腔；實(shí)驗(yàn)7 d，小鼠禁食不禁水4 h后采血；測(cè)定血糖值高于11.1 mmol/L者定為造模實(shí)驗(yàn)小鼠。第二階段對(duì)高血糖模型小鼠進(jìn)行實(shí)驗(yàn)分組與給藥，將100只重18～22 g的糖尿病模型小鼠隨機(jī)分成5個(gè)實(shí)驗(yàn)組，每組10只：空白對(duì)照組（生理鹽水）；模型對(duì)照組（生理鹽水）；花生根莖水煮液高劑量組（30 g/kg）；花生根莖水煮液中劑量組（20 g/kg）；花生根莖水煮液低劑量組（10 g/kg）。每天分別用不同劑量花生根莖水煮液，生理鹽水對(duì)兩組小鼠按每只0.2 mL灌胃，連續(xù)14 d。第二階段進(jìn)行血糖測(cè)定，由社區(qū)醫(yī)療衛(wèi)生所醫(yī)生協(xié)助取血，采用血糖儀檢測(cè)。

1.3 數(shù)據(jù)收集

數(shù)據(jù)的收集是STEM項(xiàng)目活動(dòng)的重要環(huán)節(jié)。本環(huán)節(jié)的重點(diǎn)是現(xiàn)象的觀察和記錄，包括過(guò)程變化材料、定量數(shù)據(jù)的采集等。收集數(shù)據(jù)可采用直接靠感官感知觀察記錄——現(xiàn)象的定性描述、借助現(xiàn)有的儀器或設(shè)計(jì)新的儀器記錄——圖片（視頻、數(shù)值）記錄、理化方法檢測(cè)獲得的定量數(shù)據(jù)、設(shè)計(jì)特定的交互方案——綜合材料收集等方式完成數(shù)據(jù)收集工作。

案例中主要收集用花生根莖水煮液灌胃后小鼠運(yùn)動(dòng)、取食、精神等變化的定性描述和取食量、體重、排泄量、血糖值等定量數(shù)據(jù)。

2 數(shù)據(jù)分析——提升理性思維水平

教師將學(xué)生利用科學(xué)的統(tǒng)計(jì)方法對(duì)收集的數(shù)據(jù)進(jìn)行整理與分析，獲取足夠的證據(jù)，可增強(qiáng)學(xué)生的數(shù)據(jù)意識(shí)，提高其數(shù)據(jù)處理能力和數(shù)據(jù)交流能力。學(xué)生通過(guò)嘗試解釋和說(shuō)明待解決的問(wèn)題，培養(yǎng)了嚴(yán)謹(jǐn)科學(xué)研究態(tài)度，有效地提升理性思維。

2.1 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)

學(xué)生學(xué)習(xí)和運(yùn)用科學(xué)的統(tǒng)計(jì)方法，避免統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)時(shí)采用經(jīng)驗(yàn)法則，學(xué)會(huì)處理原始數(shù)據(jù)與缺失數(shù)據(jù)，解決錄入或統(tǒng)計(jì)錯(cuò)誤等問(wèn)題，剔除無(wú)效數(shù)據(jù)，選擇有用數(shù)據(jù)，合并、整合分析有效數(shù)據(jù)。

2.2 數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換

將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成圖表形式展示研究結(jié)果是高中生必備的一項(xiàng)數(shù)學(xué)理性思維。

教師指導(dǎo)學(xué)生學(xué)習(xí)平均數(shù)差異檢驗(yàn)、方差分析、回歸分析等原理，會(huì)利用相關(guān)系數(shù)或回歸系數(shù)描述變量間的關(guān)系，會(huì)使用散點(diǎn)圖、折線圖、曲線圖等闡述或推斷統(tǒng)計(jì)結(jié)果，通過(guò)圖表的使用和繪制，能清晰地展示定量和定性信息，并從圖表分析中獲得重要的發(fā)現(xiàn)。

在案例中以數(shù)學(xué)模式來(lái)展現(xiàn)，用表格來(lái)展示受試小鼠灌胃前后各組血糖值比較，可從中發(fā)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)組與對(duì)照組的顯著性差異。

2.3 模式構(gòu)建

學(xué)生通過(guò)圖表轉(zhuǎn)換，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析推斷，嘗試尋找規(guī)律性模式，構(gòu)建出規(guī)范模型，避免過(guò)度依賴于結(jié)果的主觀預(yù)測(cè)，利于理性分析問(wèn)題，也有助于科學(xué)、技術(shù)、數(shù)學(xué)、工程有機(jī)整合。學(xué)生比較數(shù)據(jù)差異性，從對(duì)比中分析可能的原因或能佐證的結(jié)論、數(shù)據(jù)如何體現(xiàn)變量間的關(guān)系，從數(shù)據(jù)提煉出問(wèn)題的本質(zhì)。

通過(guò)與模型對(duì)照組比較，花生根莖水煮液低、中、高劑量組的血糖值均低于模型對(duì)照組，不過(guò)花生根莖水煮液低劑量組血糖值與模型對(duì)照組比較差異顯著，而花生根莖水煮液中、高劑量組與模型對(duì)照組比較差異顯著；從血糖差值來(lái)看，花生根莖水煮液低、中、高劑量組血糖均為負(fù)值，而且中、高劑量組的血糖差值與模型對(duì)照組比較血糖下降，差異顯著，說(shuō)明花生根莖水煮液中、高劑量組均具有較好的降血糖效果。

3 假設(shè)檢驗(yàn)——踐行生命觀念

學(xué)生通過(guò)數(shù)據(jù)的分析來(lái)驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)假設(shè)正確與否，選擇一定的檢驗(yàn)方法，明確統(tǒng)計(jì)結(jié)果對(duì)預(yù)設(shè)假設(shè)的認(rèn)可度，進(jìn)一步踐行生命觀念。

3.1 方法選擇

檢驗(yàn)是為了確定研究變量間的因果關(guān)系，檢驗(yàn)研究策略、研究結(jié)果的準(zhǔn)確性和可靠性，并據(jù)此對(duì)研究策略進(jìn)行調(diào)整和改進(jìn)的一種方法。研究的類型、變量的分布類型、研究目的，都決定著所選擇的檢驗(yàn)方法的差異。因此確定合適的檢驗(yàn)方法，并分析統(tǒng)計(jì)結(jié)果至關(guān)重要。

本案例中以SPSS統(tǒng)計(jì)軟件對(duì)樣本進(jìn)行分析，先統(tǒng)計(jì)樣本是否符合正態(tài)分布，進(jìn)而分析其顯著性差異情況，通過(guò)差異性比較獲取對(duì)結(jié)論的支撐。

3.2 假設(shè)驗(yàn)證

學(xué)生要依據(jù)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)分析誤差產(chǎn)生的可能原因，進(jìn)一步明確差異的性質(zhì)，排除誤差干擾進(jìn)行排除，對(duì)假設(shè)進(jìn)行驗(yàn)證，從而對(duì)個(gè)體特征做出正確的判斷，綜合歸納出本次研究結(jié)果對(duì)假設(shè)的支持度，判斷接受或是推翻假設(shè)。

3.3 價(jià)值體現(xiàn)

項(xiàng)目研究及結(jié)果在本領(lǐng)域或其他領(lǐng)域是否有一定的價(jià)值，其價(jià)值體現(xiàn)是否有局限性與通用性。

案例中發(fā)現(xiàn)一定濃度的花生根莖水煮液對(duì)高血糖小鼠有一定的降血糖作用。因而，天然植物對(duì)降血糖作用機(jī)理和有效成分開發(fā)值得研究。

4 結(jié)果展示——增強(qiáng)社會(huì)責(zé)任意識(shí)

STEM項(xiàng)目是基于社會(huì)與生活，基于活動(dòng)的開展嘗試解決社會(huì)問(wèn)題，通過(guò)結(jié)果的展示進(jìn)一步增強(qiáng)社會(huì)責(zé)任感。

4.1 論文撰寫

STEM項(xiàng)目活動(dòng)論文的撰寫包括項(xiàng)目名稱、項(xiàng)目來(lái)源、完成本項(xiàng)目的目的、項(xiàng)目主題的形成、項(xiàng)目課題的確立、項(xiàng)目計(jì)劃與方案、項(xiàng)目實(shí)驗(yàn)過(guò)程、項(xiàng)目實(shí)驗(yàn)結(jié)果、項(xiàng)目實(shí)驗(yàn)結(jié)論、討論等。

4.2 展示交流

通過(guò)展板、幻燈片或口頭表達(dá)方式展示STEM項(xiàng)目活動(dòng)的內(nèi)容，具體包括：本項(xiàng)目是怎樣確定選題的、設(shè)計(jì)（或研究）項(xiàng)目的目的和基本思路、項(xiàng)目的研究過(guò)程（提出課題、交流討論課題的可行性、制定探究計(jì)劃、預(yù)實(shí)驗(yàn)階段、正式實(shí)驗(yàn)階段、論文撰寫與修改、交流與討論）、項(xiàng)目應(yīng)用的科學(xué)方法（科學(xué)原理）、如何控制變量原理、項(xiàng)目的對(duì)照原則、統(tǒng)計(jì)學(xué)方法分析數(shù)據(jù)、根據(jù)已有知識(shí)和查閱文獻(xiàn)對(duì)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象進(jìn)行解釋、根據(jù)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象提出假說(shuō)等，本項(xiàng)目的主要貢獻(xiàn)（創(chuàng)新部分）、他人同類研究的情況、進(jìn)一步完善本項(xiàng)目的設(shè)想等。

總之，在開展“花生根莖水煮液對(duì)小鼠血糖的影響”項(xiàng)目活動(dòng)中，通過(guò)實(shí)驗(yàn)探究獲取真實(shí)數(shù)據(jù)，運(yùn)用科學(xué)、規(guī)范的統(tǒng)計(jì)分析方法對(duì)項(xiàng)目假設(shè)進(jìn)行檢驗(yàn)，將科學(xué)、技術(shù)、工程和數(shù)學(xué)有效整合，提煉出有借鑒作用的理論，有助于高中生物核心素養(yǎng)的提升。

參考文獻(xiàn)：

石進(jìn)德.STEM教育在發(fā)展高中生物核心素養(yǎng)中的應(yīng)用[J].福建基礎(chǔ)教育研究，2016（8）：100-101.