基于STEM教育理念的高中生物教學實踐

董秋月

STEM教育是當前國際科學教育領域關注和研究的熱點之一，其目的是培養適應社會發展的集科學素養、技術素養、工程素養和數學素養于一身的創新型復合人才，其培養目的適應新一輪的課程改革需求。此外，《普通高中生物學課程標準（2017年版）》在教學與評價建議中強調：注重生物學與數學、技術、工程學和信息科學等學科的相互滲透和共同發展，加強學科間的橫向聯系。因此，注重STEM教育理念在高中生物教學中的滲透，是一種優化高中生物教學方法的良策，對提升學生生物學核心素養具有重大推動作用。

STEM教育簡介

STEM教育是指科學（Science）、技術（Technology）、工程（Engineering）和數學（Mathematics）多學科相互融合的教育，這一概念是由美國國家科學委員會提出。它強調多學科的交叉融合形成有機整體，其特色是有計劃科學地整合各學科知識與技能，應用于真實且復雜的情境中去解決實際問題，從而完善跨學科知識體系的建構。本文將STEM教育理解為一種教學策略和學習方法應用于生物教學中，以生物學核心概念為主線，整合物理、化學、技術和數學等多門學科知識與技能，解決現實生活情境中的問題，在問題解決過程中提升科學思維能力、實踐探究能力，最終達成生物學核心素養的提升。

融入STEM教育理念的教學，要求學生在學習過程中，能夠提升科學、技術、工程和數學素養，即STEM素養。具體內容為學生能夠運用科學知識和方法解決實際問題；基于理解，能夠習得并靈活運用技術；運用科學與數學知識應用于現實生活中的工程設計與開發；能夠運用數學思維表達問題及解決問題。

基于STEM教育理念的生物課堂教學實踐

設計基于STEM教育理念的教學模式 隨著國內外關于STEM教育理論和教學實踐研究的不斷豐富和完善，不同專家學者在STEM教育理念的基礎上也提出了適用于不同學習階段或不同學科內容的STEM教學設計模式。本文基于對相關STEM教育案例和北京師范大學余勝泉教授提出的基于建構主義STEM教育教學模式的研究學習，結合高中生物課程標準和高中生物學科特點，設計了基于STEM教育理念的高中生物教學設計模式：在教學任務的引領下，基于教材、普通高中生物學課程標準、教學目標、跨學科知識和技能整合（STEM素養）和學習者特征五個方面進行分析，設計教學實施流程，主要包括“情境創設”“方案設計”“科學實踐”“交流評價”四個方面。其中，情境創設要求基于真實的生活情境，激發學生探究積極性；方案設計要求學生基于真實情境提出可探究的問題或項目，確定研究主題，合作探究并設計實驗方案；科學實踐過程旨在學生在進行實驗操作過程中靈活運用相關技術和數學思維解決問題；最終的交流評價可形式多樣，目的在于反思學習過程，感悟科學、技術、工程和數學知識的相互交融，達成STEM素養的提升。此外，在教學前，教師應基于可研究的問題或項目進行工具與資源設計、學習支架設計和活動過程設計，保證教學的科學性和高效性。

課堂教學案例分析 依據教學任務安排，重點分析教材內容、高中生物課程標準和相關跨學科知識，選取浙科版選修一中微生物的分離與計數教學內容為載體，包括“大腸桿菌的培養與分離”和“分離以尿素為唯一氮源的微生物”兩部分內容，其中包含的方法與技術有培養基配置、滅菌技術、無菌操作技術、微生物分離與純化方法（劃線分離法和涂布分離法）、微生物數量計數法（稀釋涂布分離法和顯微鏡計數法）等。此外，基于對教學時間與學習者特點的分析，且為了進一步提升學生綜合運用多學科知識與技能解決生活實際問題的能力，從而完成生物學核心素養的提升，故將本節教學案例安排在高中生物一輪復習課中實施。其中，情境創設和方案設計安排在1課時中完成，科學實踐和交流討論安排在2～3課時中完成。

一是實際情境創設，激發探究熱情。食品安全是如今社會特別關注的話題，微生物學檢測在食品安全檢測中發揮重要作用，其中菌落總數和大腸菌群數是評價食品衛生質量的重要指標之一。教師可播放不法商家生產食物的過程視頻或某品牌食品衛生不合格事件新聞等，如近年在食品安全專項監督抽檢中發現某品牌網紅雙黃蛋雪糕中的菌落總數和大腸菌群超標事件。其中大腸桿菌群是食品衛生的指示性指標，食品中檢測出大腸菌群并不一定致病，但如果是致病性大腸桿菌，就可能會引起腹痛、腹瀉、血便和出血性大腸炎等食源性疾病。因此，若食品加工生產衛生條件不合格，就極易導致食品中菌落總數和大腸菌群數超標。以貼近學生生活實際的社會熱點話題創設情境，能夠有效地激發學生探究學習熱情，并且認識到生物學對提高人類生活質量等方面具有重要貢獻。

二是研究方案設計，發展科學思維。方案設計過程包括提出可研究的問題或項目、確定研究主題和合作探究設計實驗方案三部分。第一，提出研究問題。通過對真實情境的分析討論，引導學生提出可探究的問題或項目并進行師生或生生討論。如“夏季吃的多種品牌冰淇凌真的符合國家食品安全標準嗎”“我們吃的垃圾食品如辣條真的安全衛生嗎”“路邊攤的食物中大腸菌群數是否嚴重超標”等問題。第二，確定研究主題。在學生提出多種值得探究的問題之后，教師為學生提供了相關課外閱讀資料，如《食品安全國家標準—食品微生物學檢驗（包含微生物限量說明表）》以及相關的培養基配置方法和操作流程圖。學生在研究學習提供的課外資料同時，結合自身在浙科版選修一新課中所學知識與技能，最終確定本次課程的研究主題為：檢測某品牌冰淇凌中的菌落總數和大腸菌群數是否符合食品安全標準中的微生物限量值，并為學校食堂食物保存及采購提出建設性意見。該課題的研究既包含了學生已學過的微生物培養與分離知識，還涉及滅菌技術、無菌操作技術、數據統計分析及工程實踐等，能夠體現科學、技術、工程和數學等方面的知識在生物學課堂的滲透。此外，基于食品衛生質量檢測活動，引導學生關注食品安全知識，樹立健康衛生的飲食習慣。第三，合作探究，設計實驗方案。引導學生圍繞研究課題結合教師提供的課外閱讀資料，探討本次探究過程中所需要的生物學知識及相關的技術、工程、數學等其他學科知識，確定項目研究的思路，分配小組成員的任務。考慮到教學時間安排和實驗操作的安全性，所有的操作過程均需教師在場指導監督。確定項目探究過程主要包括以下幾個階段：首先，相關培養基配置（教師事先準備好），培養基滅菌和相關操作器具的滅菌由學生在老師的指導下進行。其次，實驗樣品的采集，即某品牌冰淇凌購買后立即保存于無菌玻璃盒中，放于實驗室冰箱備用，避免拿回實驗室途中被雜菌污染。再次，實驗操作主要包括三部分，第一是食品中菌落總數的測定（較簡單）；第二是食品中大腸菌群測定（MPN法），即統計學和微生物學結合的一種定量檢測法，將待測樣品按照一定的梯度進行稀釋并涂布于平板培養基，適宜溫度培養箱中倒置培養后，根據其未生長的最低稀釋度和生長的最高稀釋度，運用統計學概率論推算出待測樣品中大腸菌群的最大可能數；第三是食品中大腸菌群測定（平板計數），即大腸菌群在固體培養基中發酵乳糖產酸，在指示劑的作用下形成可計數的紅色或紫色，帶有或不帶有沉淀環的菌落。其中，大腸菌群測定（MPN法）和大腸桿菌的分離與計數內容是基于高中生物教材內容的提升與應用，需要在教師的協助下幫助學生在理解基礎上應用相關原理知識解決問題。針對這三部分實驗操作方案設計，教師要協助學生明確操作原理，操作具體流程及注意事項，從而使學生小組合作設出計科學嚴謹的實驗方案。最終教師和學生針對各小組實驗方案進行分析討論。

三是科學實踐探究，提升STEM素養。科學實踐過程包括“實驗實施”“融合數學思維，統計分析數據”和“解決問題或完成項目研究”。由于實驗實施過程中涉及微生物培養時間約為48小時，所以中間的部分實操作環節由實驗員代為操作。該實踐過程為學生提供了運用所學微生物學相關知識與技術應用于生活實際解決問題的機會，既有利于幫助學生對微生物實驗操作中的實驗器具如接種環、三角刮刀、培養皿、高壓滅菌鍋和超凈臺等增加感性認識；也能使學生進一步加深對選修一微生物部分相關知識點的理解；同時，樣液的梯度稀釋、菌落的統計及推算及結合統計學知識的菌落數估算這些過程均有利于學生數學思維能力的提升。由于該項目研究是在無菌環境中進行，所以無菌操作技術必須嚴謹規范，避免實驗操作不當造成樣品污染，影響檢測結果。在實驗過程中，需要任課教師和實驗指導教師及時通過問題引導學生發現并及時糾正錯誤。最后，組織學生以小組合作的形式整理數據，引導學生采取合理的數學思維分析實驗數據并分組匯報實驗結果。結果顯示：六組中有四組同學所檢測的該份品牌冰淇凌菌落總數菌均小于2.5×104CFU/mL，符合國家食品菌落總數限量標準；六組中有三組同學通過兩種大腸菌群計數方法統計所得的大腸菌群數也均小于100 CFU/mL，符合國家食品大腸菌群數限量標準，綜合評定本次購買的某品牌冰淇凌基本符合質量衛生標準。此外，由于大腸菌群計數實驗操作較復雜，操作不當極易引起雜菌污染，所以有兩組同學統計所得大腸菌群數嚴重超標，且空白培養基也有雜菌污染，教師可基于此情況，引導學生分析造成菌落計數準確性的影響因素有哪些？幫助學生破解實驗難點，規范實驗操作。

四是積極交流評價，深化知識理解與應用。有效的交流評價能夠增強學生自我反思意識，深化知識的理解與應用，主要包括教師對學生實踐過程評價、學生自我評價和學生互評三個方面。教師對學生實踐過程評價主要是基于問題引導學生思考并糾正實踐中出現的錯誤，加深理解該實踐過程中所融入的科學、技術、工程和數學知識，提升學生對STEM的認知。基于該主題研究感悟，引導小組同學從食品安全角度就學校食堂食物保存及食材采購提出建設性意見，如從烹調到食用的間隔時間不宜太長，避免細菌有足夠的繁殖時間；避免煮熟的食品長時間存放于室溫下冷卻；食材采購過程中，要關注食品包裝生產日期、保質期和QS標識等是否標明。此外，針對兩組學生在實驗操作過程中由于操作不當引入雜菌的情況，引導學生關注日常飲食過程中的衛生習慣，樹立健康衛生的飲食習慣。

從STEM教育角度分析，該實驗探究以現實生活實際為基礎，提出相關探究問題，并綜合運用科學、技術、工程和數學學科的知識靈活解決問題，得出結論，在學以致用的過程中，逐步促進學科核心素養的提升。實驗設計與操作既有利于發展學生的科學思維，也有利于提升學生的動手實踐能力。但是，生物教學中融入STEM教育理念并非易事，最重要的是需要生物教師團結合作，共同提升教師自身STEM素養 ，這樣才能保障STEM教育理念在高中生物教學中有目的、有計劃地滲透，從而建立科學合理系統性融入STEM教育理念的高中生物教學體系。

（作者單位： 浙江省杭州市長征中學）