STEM教育在初中生物探究活動教學中的滲透

黃東姐

摘 ? 要：本文舉例闡述了在STEM教育理念的引領下，優化初中生物學探究活動，有利于學生科學思維的培養和STEM素養的形成。

關鍵詞：STEM;初中生物學教學;課例分析

STEM是科學、技術、工程和數學的英文單詞的簡稱。STEM 教育是科學、技術、工程和數學的綜合性教育，它不是這四個學科教育的簡單拼湊，而是要求學生在特定問題上，能運用多學科相互關聯的知識解決問題，以培養學生對科學技術的興趣，形成綜合的STEM素養。

STEM 教育的興起緣于20世紀80年代美國對科技人才日益短缺的思考。這幾年，STEM教育作為一種新穎的教學方式在我國開始流行，主要滲透在基礎教育階段，意在培養中小學生的STEM素養，為他們成為未來的科技人才奠定基礎。在此教育理念下，教師引導學生利用工程設計，進行科學探究實施實驗，形成自己的經驗，掌握不同的設計思路，體會不同的數學處理方法，最終建構新的科學知識[ ?1 ?]。現以人教版初中生物學八年級下冊“探究酒精或煙草浸出液對水蚤心率的影響”一節為例，談談在STEM教育理念的引領下，如何優化初中生物學探究活動。

1 ?基于STEM教育理念的探究性實驗的基本環節

“探究酒精或煙草浸出液對水蚤心率的影響”是初中生物學“健康地生活”這一主題課程的一個探究性實驗。學習者通過觀察酒精（或煙草浸出液）對水蚤心率的影響，從而討論酗酒（或吸煙）對人體健康的危害。

1.1 ?明確探究問題

STEM教學策略的核心是探究性學習，而探究必須始于問題，且一般是基于生活情景的真實問題。這個問題可以是學生在生活經驗中自己發現的，也可以由教師給定或教材提供的。本節內容教材中提出的問題是：探究酒精（或煙草浸出液）對水蚤心率有什么影響？教師可以通過創設真實情境進一步引導學生，依據生活中的所見所聞及所學知識，提出探究問題。例如：在不同濃度的酒精（或煙草浸出液）中，水蚤心率變化情況如何？酒精（或煙草浸出液）對水蚤的生命活動會造成什么影響？酒精（或煙草浸出液）會導致水蚤死亡嗎等問題。

在初中生物探究教學活動中，教師不急于給定學生問題，可以通過創設真實情境引導學生發現問題。例如，展示圖片“不吸煙者的肺和吸煙者的肺”、視頻“酗酒引發心血管疾病等健康問題”，或提供“酗酒引起交通事故”等生活案例。這樣既能充分運用初中學生的知識與能力儲備，又能與STEM教學的創新性和開放性相契合。

1.2 ?作出合理假設

作出假設是指學生應用自身已有的知識，對問題的結論提出可能的設想和解答。它可以使科學研究更有針對性，而不是盲目的嘗試。本節內容，學生根據自己提出的探究問題，作出相應的假設：一定濃度的酒精（或煙草浸出液）可能會使水蚤心率加大，濃度太高會導致水蚤死亡。

在教學中，教師鼓勵學生基于科學原理和事實，對探究的問題大膽地提出假設。在這過程中 ，學生充分發揮想象力和創造力，批判性思維得到了鍛煉。

1.3 ?設計并實施方案

STEM是一種基于證據的學習。假說是否正確，需要通過設計、實施實驗方案得到證據來加以驗證。設計方案主要包括列出實驗所需的材料和用具，選出實驗控制變量，設計對照實驗，擬定實驗的具體步驟，確定小組成員的分工合作事項等。學生通過小組討論自主制訂實驗方案，與教師共同評估方案的可行性，然后按照設計的實驗步驟開始操作。即進行觀察、實驗，收集證據、數據，嘗試評價證據、數據的可靠性等。

本實驗選擇的材料用具主要有：活水蚤、體積分數為95%的酒精（或煙草浸出液）、蒸餾水、顯微鏡、載玻片、吸管、計時器等。在制訂方案時，還需要討論以下問題：①實驗過程，需要用到多少只水蚤？水蚤應該分成幾組？每組多少只？為什么？②該實驗的變量是什么？③怎么樣配制不同濃度的酒精（或煙草浸出液）？④怎樣設計對照實驗？實驗的具體步驟是什么？⑤每次數水蚤心率的時長是應該是多少？怎么數水蚤的心率？怎么樣才能減少實驗誤差？⑥怎么設計實驗數據記錄表？等。

雖然在制訂方案過程作了充分的準備，但在實施方案的過程中，學生還是會遇到很多問題。如載玻片上的水太多導致水蚤無法固定在一個位置;水蚤心跳太快導致學生數數出現問題;實驗結果與實驗預期不相符等。這時，教師可以指導學生查閱資料或提供解決辦法的方案，并鼓勵學生進一步優化實驗方案，重復實驗。在設計和實施實驗方案的過程中，學生能夠把工程、技術與科學原理系統地、創造性地運用于科學實踐中，面對挑戰，靈活地分析問題，大大提升了技術素養與工程素養。

1.4 ?處理結果得出結論

對實驗現象進行描述、分析與判斷實驗數據等都需要運用到學生的數學素養。數學是STEM教育的輔助性工具，運用于科學、技術和工程之中，能幫助學生更好地分析實驗結果，更科學地推導相應的結論。在實驗過程中，學生設計實驗結果記錄表，教師引導學生根據實驗結果填寫真實數據，計算平均值，并畫出相應的變化曲線。學生運用數學知識對實驗數據進行不同方式的處理，深刻地體會到表格有利于實驗結果的記錄，而曲線更能直觀反映變化趨勢。

例如，學生設計了“水蚤在清水和不同體積分數酒精中的心率記錄表”（表1）和“水蚤在不同體積分數酒精中活動狀態記錄表”（表2），并將表格轉化為相應的曲線圖（略）。學生從圖表信息推導得出以下結論：短時間內，一定濃度的酒精（或煙草浸出液）會使水蚤心率加大，在一定濃度范圍內隨濃度增加水蚤心率越大;30 min后，在一定濃度的酒精（或煙草浸出液）水蚤的生命活動受到影響甚至死亡。表明酒精（或煙草浸出液）對水蚤有一定的毒害作用。

表1 ?水蚤在清水和不同體積分數酒精中的心率記錄表

表2 ?水蚤在清水和不同體積分數酒精中的活動狀態記錄表

備注：搖晃后平放試管觀察水蚤，以15秒內不動判定為死亡。

學生在實驗過程中設計表格及繪制曲線圖，并與其他實驗小組比較，從而進行適當的修正。在生物學科中進行構建數學模型思維的滲透，巧妙地把生物科學與數學有機地融合，使學生認識到數學方法是STEM教育中不可或缺的工具，能較好地解決一些生物學科問題。

1.5 ?分享反思

STEM教育理念指導下的探究性學習不只是一個科學研究過程，還應該有一個反思分享環節。實驗小組呈現探究問題，探究方案，測量的結果，得出的結論等，并對科學研究的過程，各個步驟的成功與不足進行分析，說出實驗方案中哪些地方可行，哪些地方不可行，如何改進。教師進行指導與點評，鼓勵學生適當修正甚至重新設計實驗方案與重新進行實驗，給足時間讓學生充分探究。在這個環節中，學習者與同學們分享成功的經驗，進一步優化方案，體會到STEM教育中反思的重要性，能促進問題解決方法的遷移并發現新的問題。

2 ?基于STEM教育理念的探究性實驗的幾點啟示

2.1 ?注重跨學科的整合

STEM課程的核心是跨學科的整合性，在于綜合運用各門學科的知識解決現實問題[ 2 ]。在現實生活中沒有一個問題，用一個學科知識就能解決的。科學探究緣于生活問題，科學探究的過程需要學生綜合運用各科知識，有效地進行創新與解決實踐問題。因此，進行初中生物探究實驗教學時，教師不能只局限于本學科的知識，應從發展學生的角度出發，引導學生整合學科知識，促進學生綜合素養的形成。

2.2 ?強調“以學生為中心”的理念

STEM理念下的科學探究，強調的是學生的自主學習。發現問題，作出假設，制訂方案，處理數據、表達分析成果等各個環節都是以學生為主體。但是由于知識、能力的局限，初中學生對于科學探究會產生畏難情緒，這就要求教師在進行每一個教學環節時，應以學生為中心選擇適當的教學策略。例如，課題探究應貼近生活，適度講解背景知識與核心概念，實驗條件的提供應較為充足，實驗任務應當明確，能正面激勵、評價學生等。

2.3 ?強調迭代、開放性的探索

STEM是以工程設計為主線，強調在設計與實施中探究，不在乎探索的結果，而是注重探索方式的多樣化。因此，STEM理念下的科學探究是開放性的。在教學過程中，教師應鼓勵學生自主探究，開放思維，大膽想象，創新地設計實驗，并提供給學生完善方案和重復實驗的機會。迭代的科學探究，能實現學生對問題的充分探索，以達到找到解決問題的方式，有利于學生科學思維的培養和STEM素養的形成。

綜上所述，將STEM教育滲透到初中生物探究活動教學中，學生才真正經歷一個充分的探索過程，主動習得科學概念，能力、素養得到全面的鍛煉與提升。

參考文獻：

[1]馬晨晨， 解凱彬. STEM教育理念下的生物學教學案例分析與啟示[J]. 生物學教學， 2017（5）：9-11.

[2]呂延會. STEM教育的核心精神[J].當代教育科學， 2017（5）：16-19.