STEM視角下實(shí)踐型生物課堂科學(xué)探究能力的培養(yǎng)

摘 要：實(shí)踐型生物課堂注重科學(xué)探究能力的培養(yǎng)，將STEM理論融入實(shí)踐型生物課堂，能夠讓學(xué)生在實(shí)踐活動中提升科學(xué)探究的能力，讓學(xué)生的生物學(xué)習(xí)逐步走向綜合、動態(tài)和開放。本文以“有關(guān)葉綠體中色素的提取和分離的實(shí)驗(yàn)探究”課為例，闡述了STEM視角下實(shí)踐型生物課堂中科學(xué)探究能力的培養(yǎng)思路。

關(guān)鍵詞：實(shí)踐型;生物課堂;科學(xué)探究;STEM理論

“生物科學(xué)探究能力”是指能夠發(fā)現(xiàn)現(xiàn)實(shí)世界中的生物學(xué)問題，針對特定的生物學(xué)現(xiàn)象進(jìn)行觀察、提出問題、做出假設(shè)、實(shí)驗(yàn)設(shè)計、方案實(shí)施以及結(jié)果的交流與討論的能力。實(shí)踐型生物課堂是以學(xué)生為中心，在生物課堂教學(xué)中有機(jī)地將生物課堂教學(xué)與學(xué)生實(shí)踐活動相整合，優(yōu)化教學(xué)過程。在課程改革不斷地深入過程中，科學(xué)探究能力的培養(yǎng)是生物實(shí)踐活動中一項(xiàng)重要內(nèi)容，要求學(xué)生能夠針對特定情境，以生命觀念為指導(dǎo)，分析和解釋生命現(xiàn)象，探討生命活動的規(guī)律。

STEM教育理論是科學(xué)（Science）、技術(shù)（Technology）、工程（Engineering）、數(shù)學(xué)（Mathematics）教育的統(tǒng)稱。STEM通過把這四個領(lǐng)域的學(xué)科知識和相應(yīng)的技能將教與學(xué)整合到教學(xué)中;STEM相當(dāng)于是在眾多的學(xué)科中建立一座新型橋梁，使學(xué)生能把學(xué)習(xí)到的零碎知識融會貫通，形成一個互相聯(lián)系、統(tǒng)一的整體，消除了傳統(tǒng)教學(xué)中各學(xué)科知識零散、割裂，不利于學(xué)生利用綜合知識解決實(shí)際問題的障礙。STEM是一種跨學(xué)科的學(xué)習(xí)方法，能夠?yàn)閷W(xué)生提供整體認(rèn)識世界的機(jī)會。其形式包括課內(nèi)和課外。

許多科學(xué)探究本身是一種STEM研究過程，探究生命現(xiàn)象、生命規(guī)律、生命事實(shí)等科學(xué)探究活動不僅需要生物學(xué)知識，還應(yīng)用到相應(yīng)的生物技術(shù)（如顯微鏡技術(shù)）、數(shù)學(xué)知識（如數(shù)據(jù)統(tǒng)計）、工程學(xué)（研究方案、模型制作）。基于上述觀念，要求在生物實(shí)踐探究的過程中能夠?qū)⒖茖W(xué)、技術(shù)、工程學(xué)和數(shù)學(xué)（STEM）知識，以學(xué)科整合的教學(xué)方式，培養(yǎng)學(xué)生掌握相應(yīng)的知識和技能，并能將所學(xué)到的知識和技能靈活地應(yīng)用在解決實(shí)踐活動的問題當(dāng)中。

《2017年普通高中生物學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)》指出在必修課程.模塊1.分子與細(xì)胞的模塊教學(xué)中，要求教師要組織好觀察、實(shí)驗(yàn)等探究性學(xué)習(xí)活動，幫助學(xué)生增加感性認(rèn)識，克服對微觀結(jié)構(gòu)認(rèn)識的困難，使學(xué)生領(lǐng)悟科學(xué)研究的方法并習(xí)得相關(guān)的操作技能。為了幫助學(xué)生達(dá)成對概念2（細(xì)胞的生存需要能量和營養(yǎng)物質(zhì)，并通過分裂實(shí)現(xiàn)增殖）的理解，應(yīng)開展相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)探究教學(xué)活動。其中，“提取和分離葉綠體色素”這個實(shí)驗(yàn)有助于學(xué)生從物質(zhì)與能量視角，探索光合作用，闡明細(xì)胞生命活動過程中貫穿著物質(zhì)與能量的變化。而在實(shí)驗(yàn)過程中往往會出現(xiàn)很多因素影響到實(shí)驗(yàn)結(jié)果，使實(shí)驗(yàn)結(jié)果與預(yù)期的不統(tǒng)一，那么，影響實(shí)驗(yàn)結(jié)果的因素有哪些呢？這些因素對實(shí)驗(yàn)又有哪些影響呢？因此，可以引導(dǎo)學(xué)生開展有關(guān)“葉綠體中色素的提取和分離”的科學(xué)探究實(shí)驗(yàn)。

一、 STEM的情境性，引導(dǎo)學(xué)生提出問題，做出假設(shè)

STEM教學(xué)注重問題的情境性創(chuàng)設(shè)，將學(xué)生引導(dǎo)至特定的有探究性的問題情境中，創(chuàng)造樂于思考、勇于探究的學(xué)習(xí)環(huán)境，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。

教師展示學(xué)生完成的“色素的提取和分離”實(shí)驗(yàn)的優(yōu)秀結(jié)果——含有色素帶的濾紙條。

教師通過從色素帶顏色的種類、色素帶的分布、色素帶的寬度及色素帶顏色的深淺四個方面進(jìn)行引導(dǎo)，推出相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)結(jié)論，再由結(jié)論入手，讓學(xué)生根據(jù)學(xué)習(xí)過程中所了解的影響色素的提取和分離的因素，通過分組討論，選擇其中一種因素以及利用我校生物實(shí)踐基地的蘿卜及當(dāng)?shù)氐囊恍┦卟藶閷?shí)驗(yàn)材料，提出要探究的問題，并做出假設(shè)。

如，學(xué)生提出的探究問題有：探究（同種）綠葉的新鮮程度對色素的種類和含量是否有影響;探究綠葉的種類對色素的分離和提取是否有影響;探究CaCO3的有無對色素提取的影響;探究無水乙醇的用量對色素提取的影響等等。

本環(huán)節(jié)設(shè)計意圖：基于STEM的科學(xué)性，由實(shí)驗(yàn)結(jié)果的不同角度一一推出相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)結(jié)論，不但能引導(dǎo)學(xué)生正確區(qū)分實(shí)驗(yàn)結(jié)果與結(jié)論的區(qū)別，培養(yǎng)學(xué)生分析實(shí)驗(yàn)的能力;還能讓學(xué)生正確分析造成不同結(jié)果的影響因素有哪些。該實(shí)驗(yàn)的取材來自學(xué)生自己種的蘿卜和當(dāng)?shù)氐氖卟耍寣W(xué)生從現(xiàn)實(shí)生活出發(fā)，發(fā)現(xiàn)身邊的生物學(xué)問題，從而使學(xué)生學(xué)會善于觀察生活中的生物現(xiàn)象和規(guī)律。該實(shí)驗(yàn)結(jié)果中色素帶的分布（溶解度不同）、寬度（色素所占的比例）和各種色素帶顏色的深淺（色素含量的不同），需要學(xué)生結(jié)合化學(xué)和數(shù)學(xué)的知識進(jìn)行理解，才能得到正確的結(jié)論，體現(xiàn)了STEM的跨學(xué)科性，通過學(xué)科的融合，培養(yǎng)學(xué)生運(yùn)用科學(xué)的方法解決問題的能力。

二、 STEM的協(xié)作性，小組分工設(shè)計實(shí)驗(yàn)方案

STEM教育理念強(qiáng)調(diào)在學(xué)習(xí)過程中學(xué)生群體的協(xié)作性，學(xué)習(xí)內(nèi)容的設(shè)計要求要包括“情境”“協(xié)作”“會話”“意義建構(gòu)”四個要素，讓學(xué)生以小組為單位，在特定的問題情境下，學(xué)習(xí)者通過會話商討、規(guī)劃本小組的學(xué)習(xí)任務(wù)，合作完成學(xué)習(xí)。

根據(jù)各小組提出的探究的問題，學(xué)生以小組為單位，選擇適宜的實(shí)驗(yàn)材料，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)設(shè)計。教師提供相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)器具和有關(guān)實(shí)驗(yàn)設(shè)計的資料，引導(dǎo)學(xué)生完成實(shí)驗(yàn)設(shè)計，并和學(xué)生討論方案的可實(shí)施性，糾正和評價不正確的思路和方法，使后面實(shí)驗(yàn)?zāi)苡行У剡M(jìn)行。該實(shí)驗(yàn)設(shè)計的主要要素包括以下幾個方面：

本環(huán)節(jié)設(shè)計意圖：實(shí)驗(yàn)方案的設(shè)計體現(xiàn)了STEM的工程實(shí)踐，讓學(xué)生能夠?qū)⑸靥崛『头蛛x的科學(xué)原理系統(tǒng)性、創(chuàng)造性地應(yīng)該于實(shí)踐的過程。培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)思維和設(shè)計方案的能力。

三、 STEM的體驗(yàn)性，實(shí)驗(yàn)方案的實(shí)施

STEM教育不僅主張學(xué)習(xí)概念、原理，更強(qiáng)調(diào)動手做，注重學(xué)生實(shí)踐能力的培養(yǎng)，讓學(xué)生在做中學(xué)，在親自體驗(yàn)中聽科學(xué)、看科學(xué)、做科學(xué)。使學(xué)生能夠在參與、體驗(yàn)中習(xí)得知識并深刻理解。

各小組根據(jù)實(shí)驗(yàn)設(shè)計方案分工合作，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。并及時觀察和記錄實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象和有關(guān)數(shù)據(jù)。在實(shí)驗(yàn)過程中，教師要觀看并指導(dǎo)學(xué)生實(shí)驗(yàn)，使實(shí)驗(yàn)?zāi)軌蛞?guī)范、有序地進(jìn)行。教師在實(shí)驗(yàn)過程中可以引導(dǎo)學(xué)生根據(jù)各組選擇的探究內(nèi)容和實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象設(shè)計一個表格，并將實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象記錄在上面。表格設(shè)計參照：

由于不同的組探究問題的角度不同，結(jié)果的分析角度也應(yīng)不同，可以從以下幾個方面對實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析：

1. 你們的實(shí)驗(yàn)結(jié)果與預(yù)期相吻合嗎？如果實(shí)驗(yàn)結(jié)果與預(yù)期不相同，請分析實(shí)驗(yàn)過程，并針對你的實(shí)驗(yàn)結(jié)果做出相應(yīng)的解釋。

2. 為確保實(shí)驗(yàn)成功，你們組在實(shí)驗(yàn)操作過程中要注意哪些事項(xiàng)？

3. 通過這個探究實(shí)驗(yàn)，你們組能得出什么結(jié)論？

本環(huán)節(jié)設(shè)計意圖：在實(shí)驗(yàn)探究的過程中，各組可能會遇到很多沒有預(yù)期的問題，如小組參與之間的操作差異、實(shí)驗(yàn)過程單一變量的控制誤差等都會影響到實(shí)驗(yàn)結(jié)果，這就需要小組成員共同參與，用化學(xué)、數(shù)學(xué)、生物學(xué)等跨學(xué)科知識對實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析，讓學(xué)生在參與中、體驗(yàn)中習(xí)得知識，培養(yǎng)學(xué)生動手實(shí)踐、歸納總結(jié)和交流的能力。

四、 STEM的開放性，實(shí)驗(yàn)成果的表達(dá)和交流

學(xué)生學(xué)習(xí)知識的過程就是融入科學(xué)、技術(shù)、工程和數(shù)學(xué)等方面的知識與能力，開放性探究問題的過程。STEM教學(xué)從現(xiàn)實(shí)的生活實(shí)際出發(fā)，探究學(xué)生身邊的現(xiàn)實(shí)問題。在問題分析的過程中應(yīng)鼓勵學(xué)生大膽發(fā)表個人的看法和見解，充分發(fā)揮學(xué)生的主觀能動性、創(chuàng)造力和開放性思維，巧妙的運(yùn)用生物學(xué)知識解決現(xiàn)實(shí)生活的問題。

以小組為單位，利用投影儀和手機(jī)拍照等教學(xué)輔助設(shè)備，將各自組的實(shí)驗(yàn)結(jié)果和結(jié)論進(jìn)行展示，與其他小組交流探究的過程和結(jié)論，聽取其他同學(xué)的質(zhì)疑，進(jìn)行必要的答辯、反思和修改。同時，對各小組實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象、結(jié)果進(jìn)行分析。掌握實(shí)驗(yàn)分析的技巧，培養(yǎng)分析問題、合作與表達(dá)交流的能力。

本節(jié)課涉及的STEM素養(yǎng)：

通過將STEM融入實(shí)踐型生物課堂，讓學(xué)生在實(shí)踐過程中掌握學(xué)習(xí)的主動權(quán)，能夠主動的對未知的問題進(jìn)行探究，提高科學(xué)探究的能力，更好地提升學(xué)生的生物思維能力和綜合解決問題的能力。

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作者簡介：

池秋景，福建省南平市，福建省建甌第一中學(xué)。