利用STEAM教學理念幫助學生理解生態平衡的動態性特征

楊晶晶 李秀壯

【摘要】STEAM教育就是集科學、技術、工程、藝術、數學多學科融合的綜合教育。生態平衡是初中生物課程中重要概念，而生態平衡動態性具體的實現過程學生往往難以理解。因此，教師基于學科融合的STEAM的課程理念，通過亞洲鯉魚入侵美國事件，激發學生的學習興趣，學生在頭腦風暴環節中設計解決該問題的方案，并通過小游戲建立捕食者模型，理解維持生態平衡的重要意義。課堂中，學生思維活躍、課堂參與度高，形成了以學生為中心的“做中學，學中思”的課堂氛圍，達成了預期的教學目標。

【關鍵詞】生態平衡捕食者模型做中學

STEAM教育就是集科學（Science），技術（Technology），工程（Engineering），藝術（Art），數學（Mathematics）多學科融合的綜合教育。生態平衡是初中生物課程中重要概念，生態平衡的結果性學生比較容易理解，而其動態性的具體實現過程由于比較抽象，需要學生借助想象而使得學生往往難以理解。為解決這一難點，教師基于學科融合的STEAM的課程理念，通過亞洲鯉魚入侵美國事件激發學生的學習興趣，學生在頭腦風暴環節中設計解決該問題的方案，并通過小游戲建立捕食者模型，理解維持生態平衡的動態過程，有效地幫助了學生理解這一重要概念。下面內容為具體的教學設計。

一、課程目標

科學與工程實踐：培養學生形成通過構建模型的方法解決問題、合理預測的能力。

學科核心概念：通過鯉魚入侵的實例幫助學生理解維持生態平衡的重要性。

跨學科概念：鼓勵學生跨越學科界限思考問題，提高收集數據、整理數據、分析數據的能力，培養數形轉換的科學思維。

二、學情分析

初中七年級學生在生物課堂上已經學習了生態系統中生物與環境的關系、食物鏈等內容，對于生物入侵現象具有濃厚的興趣，這些為本節STEAM課程的開展打下基礎。但是，七年級學生在數學課堂中沒有學習直角坐標系的知識，只有少數學生簡單了解圖表的繪制，不具備相應的數學知識作為背景，這是本節課的難點，需要教師適當的引導才能突破。同時，七年級學生在課堂中積極思考，主動發言，思維發散性和創新能力較強，而在團隊合作上，則需要教師給予明確的分工，進一步引導，逐步培養其分工合作能力。

三、教學環節

1.情境導入

上世紀70年代，美國為了控制魚塘里藻類和水草的生長，從亞洲進口了亞洲鯉魚，所謂的亞洲鯉魚其實是青魚、草魚、鰱魚、鳙魚、鯉魚等8種淡水魚的統稱。很快，治理結果就顯現出來了，魚塘中不僅水草和藻類沒有了，就連美國本土魚也所剩無幾了。引入的亞洲鯉魚在美國沒有天敵，簡直就是到了天堂，它們繁殖力極強，一下子就到了不可控制的地步，成為了臭名昭著的入侵生物。

身在異鄉的亞洲鯉魚恰好趕上上世紀90年代美國的一場洪水，亞洲鯉魚成功越獄，進入密西西比河，并且一路向北，很快分散到了各大支流中。如今，正在向最重要的淡水湖群五大湖逼近。在行進途中，亞洲鯉魚所向披靡，把途中所有食物吃了個精光，還仗著自己體型龐大，欺負本土魚類。據統計，如今很多水域中90%的魚都是亞洲鯉魚，這給美國的自然生態環境和漁業市場帶來了毀滅性的打擊。從2010年至今，為了對付亞洲鯉魚已經花費了3.88億美元。

今年，美國密歇根州發出邀請，邀請全世界具有“有創新頭腦”的人來解決亞洲鯉魚入侵的問題。

2.頭腦風暴

開展頭腦風暴，請同學們想辦法阻止亞洲鯉魚入侵五大湖，提出方案，闡述該方案的優點。

學生討論美國人已經采取的辦法：（1）投放毒藥，投了整整2噸的劇毒毒素，結果亞洲鯉魚幾乎毫發無損，反而中毒身亡的魚類都是美國本土公民。（2）安裝電網，美國政府花了幾百萬建造電網，想把這些魚給電死。但耗費了整個密歇根州1個月的電量，殺了不到1%的亞洲鯉魚。（3）架網攔截，架設防護網，在水壩上安裝閘門，想要阻擋亞洲鯉魚滲透到其他水域，但沒有效果。（4）有獎殺魚，美國政府鼓勵民眾組織弓箭射魚競賽。（5）鼓勵美國民眾食用，美國人不擅長烹飪淡水魚，也不喜食用淡水魚。

美國人嘗試過很多方法，但是都收效甚微。最終，美國只得使用生物方法，即引入捕食者。鱷雀鱔，被稱為世界十大兇猛淡水魚之一，平均體長兩米，身呈長筒形，上下顎密布利齒，形似鱷口。但是，雄性鱷雀鱔要到6歲才成年，雌性鱷雀鱔要到11歲才成年，因此美國近幾年投入的都是鱷雀鱔魚苗，因此鱷雀鱔作為捕食者是否能遏制亞洲鯉魚的入侵還不為人知。

3.游戲建模

運用小游戲來模擬鱷雀鱔的捕食過程。游戲規則：用一張藍色的A4紙來代表密西西比河河流中一片二十平米的水域，用大魚代表鱷雀鱔，用小魚代表亞洲鯉魚，每組還將得到一張數據統計表。已知，亞洲鯉魚大量繁殖，二十平米的區域中隨機分布著二十條亞洲鯉魚?，F往該區域中投放兩條鱷雀鱔，鱷雀鱔進行首輪捕食，如果一條鱷雀鱔能夠觸碰到三條或者三條以上的亞洲鯉魚，那么它就能存活下來。亞洲鯉魚被吃掉，從該生態系統中消失，如果鱷雀鱔沒有觸碰到三條亞洲鯉魚，那么它攝入的能量不足以維持生命，它就會被餓死，此時，該鱷雀鱔和它所捕食的亞洲鯉魚都從該生態系統中消失。記錄第一輪游戲數據，捕食的起始數量：鯉魚20，鱷雀鱔2，幸存者數量：鯉魚14，鱷雀鱔4。第二輪捕食，考慮到鱷雀鱔和鯉魚進行繁殖，規定幸存的鱷雀鱔和鯉魚的數目翻一倍，作為下一輪的起始數量。即第二輪捕食鱷雀鱔起始數目是4，鯉魚是28。

學生嘗試進行游戲，4～5輪后會遇到問題，游戲暫停，學生交流與分享。

當捕食進行到某一輪時，可能會出現這種情況：鱷雀鱔和鯉魚數目出現0，游戲無法繼續進行。引導學生結合真實的河流生態系統的情況提出解決辦法。補充游戲規則：（3）當鱷雀鱔和鯉魚數目出現0時，會有鱷雀鱔和鯉魚遷入該水域，規定鱷雀鱔遷入1條，鯉魚遷入10條。（4）至少完成15輪捕食，盡可能多的記錄數據。

游戲繼續，每組學生完成至少15輪捕食，并記錄數據。

4.拓展——數型轉換

進行多輪捕食后，得到數據，教師引導學生明確問題，提取并分析有意義的數據（起始數量和幸存者數量都有意義，幸存者數量更直接體現規律）。思考有沒有什么方法能夠使規律更為直觀的體現出來。教師提供方格紙和彩筆，學生用圖形表示數據。

5.交流與分享

Ipad同屏，展示學生繪制的圖表。各組之間分享與交流，尋找規律，預測結果。教師評價各組完成情況，評價標準：（1）圖表中隨著鱷雀鱔的引入，亞洲鯉魚的數量顯著下降。（2）圖表中鱷雀鱔和亞洲鯉魚的數量呈現此消彼長的趨勢。（3）捕食環節不少于15輪，數據充分，有可靠性。（4）圖表清晰，代表捕食者和被捕食者的圖例清晰，結果直觀，具有美觀性。（5）分享者語言表達流暢，條理清晰。

6.總結提升

引導學生思考我們建立的捕食者模型與真實的生態系統相比，是否有哪些因素是沒有考慮充分。該模型還存在哪些問題？培養學生的辯證思維，滲透科學研究的嚴謹性。

最后，倡導學生在利用科學技術改造自然，造福人類的同時，尊重科學，尊重自然規律。

四、結果和反思

縱觀整體教學設計我們不難發現，利用steam課程理念，學生不但能夠理解生態平衡的動態性，同時也在數學統計與分析預測方面得到了寶貴的實踐機會。學生對課堂的參與性強，學習效果明顯。

參考文獻：

[1]嚴文蕃.美國STEAM課程的實踐和啟示.教育家，2017，（48）.