指向技術(shù)工程素養(yǎng)發(fā)展的STEM 教學(xué)
——以高中生物學(xué)STEM 教學(xué)為例

李紀(jì)聰

（泉州市培元中學(xué)，福建 泉州 362000）

STEM 是科學(xué)（Science）、技術(shù)（Technology）、工程（Engineering）和數(shù)學(xué)（Mathematics）英文單詞首字母的組合。STEM 教育整合了科學(xué)、技術(shù)、工程和數(shù)學(xué)等學(xué)科要素，強(qiáng)調(diào)多學(xué)科交叉融合解決真實(shí)情境中的實(shí)際問(wèn)題。［1］技術(shù)工程素養(yǎng)指理解技術(shù)工程設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)，具有使用、管理及評(píng)價(jià)技術(shù)的能力。當(dāng)今信息時(shí)代，要求培養(yǎng)具備科學(xué)及技術(shù)工程素養(yǎng)的復(fù)合型人才。傳統(tǒng)教學(xué)按具體學(xué)科進(jìn)行劃分，雖然有利于知識(shí)的體系化，但導(dǎo)致學(xué)科彼此分離，缺乏相互聯(lián)系?，F(xiàn)實(shí)生活中的問(wèn)題一般復(fù)雜程度高，需要綜合運(yùn)用多學(xué)科知識(shí)才能解決。這就要求教師充分挖掘STEM 教學(xué)資源，注重學(xué)科的整合，以解決真實(shí)問(wèn)題為任務(wù)驅(qū)動(dòng)，培養(yǎng)學(xué)生的綜合運(yùn)用跨學(xué)科知識(shí)解決問(wèn)題能力及創(chuàng)新能力，促進(jìn)學(xué)生發(fā)展技術(shù)工程素養(yǎng)。

生物學(xué)是一門自然科學(xué)，是農(nóng)業(yè)科學(xué)、醫(yī)藥科學(xué)、環(huán)境科學(xué)及其他有關(guān)科學(xué)的基礎(chǔ)。生物學(xué)的發(fā)展與技術(shù)、工程的發(fā)展密不可分。高中生物學(xué)教學(xué)不僅引導(dǎo)學(xué)生獲取生物學(xué)知識(shí)，領(lǐng)悟生物學(xué)家解決問(wèn)題的思路和方法，而且要引導(dǎo)學(xué)生參與科學(xué)實(shí)踐，提升解決實(shí)際問(wèn)題的實(shí)踐能力及創(chuàng)新能力。筆者嘗試在高中生物學(xué)教學(xué)中，應(yīng)用STEM 教育理念探索提升學(xué)生技術(shù)工程素養(yǎng)的有效路徑。

一、探索STEM 教學(xué)資源開(kāi)發(fā)途徑

高中生物學(xué)所涉及的技術(shù)主要指應(yīng)用物理學(xué)、化學(xué)及生命科學(xué)研究的成果，開(kāi)展生命科學(xué)的研究、對(duì)生物或生物成分、產(chǎn)物或?qū)ι鷳B(tài)系統(tǒng)進(jìn)行改造和利用的技術(shù)。工程學(xué)是運(yùn)用數(shù)學(xué)、物理學(xué)及其他自然科學(xué)的原理來(lái)開(kāi)展設(shè)計(jì)有用物體、優(yōu)化系統(tǒng)的一門應(yīng)用學(xué)科。當(dāng)前中學(xué)生大部分時(shí)間主要在學(xué)校學(xué)習(xí)，較少參與生產(chǎn)與勞動(dòng)，工程技術(shù)方面的實(shí)踐較少，有必要開(kāi)發(fā)STEM 教學(xué)資源，促進(jìn)學(xué)生提升技術(shù)工程素養(yǎng)。

（一）開(kāi)發(fā)教科書(shū)所蘊(yùn)藏的STEM 教學(xué)資源

人教社2019 版高中《生物學(xué)》教科書(shū)（下文簡(jiǎn)稱《生物學(xué)》）雖然部分欄目涉及有關(guān)技術(shù)工程內(nèi)容，但資料不夠豐富、內(nèi)容相對(duì)簡(jiǎn)單、教學(xué)要求低，易被忽視。教師要以STEM 教育的視角，發(fā)現(xiàn)、挖掘、整合與積累教科書(shū)所蘊(yùn)藏的有關(guān)教學(xué)資源。例如，指導(dǎo)學(xué)生分析《生物學(xué)》選擇性必修1 教科書(shū)提供的“器官移植所面臨的問(wèn)題”資料，并通過(guò)觀看有關(guān)心臟移植紀(jì)錄片，幫助學(xué)生直觀地認(rèn)識(shí)心臟移植技術(shù)、流程、要求及其意義。又如，指導(dǎo)學(xué)生圍繞《生物學(xué)》選擇性必修2“科學(xué)技術(shù)社會(huì)”欄目提供的有關(guān)“生態(tài)農(nóng)業(yè)”資料，開(kāi)展小組討論：如果你是農(nóng)場(chǎng)工作人員，在大棚建設(shè)、作物生產(chǎn)過(guò)程中可能會(huì)遇到什么問(wèn)題？如何解決？激發(fā)學(xué)生主動(dòng)參與科學(xué)探究與實(shí)踐，學(xué)以致用。

（二）拓展生物科學(xué)史所蘊(yùn)含的STEM 教學(xué)資源

生物科學(xué)史蘊(yùn)含豐富的STEM 教學(xué)資源，有必要拓展應(yīng)用生物科學(xué)史。例如，根據(jù)分泌蛋白的帕拉德實(shí)驗(yàn)，指導(dǎo)學(xué)生思考與討論：如果你是帕拉德，你會(huì)選擇什么細(xì)胞進(jìn)行研究？胰腺分泌的蛋白分子很小，如何追蹤蛋白質(zhì)的合成、分泌途徑？如果胰腺細(xì)胞吸收3H 標(biāo)記的亮氨酸后不分泌或分泌量且分泌速度很慢，有沒(méi)有什么方法促使其加速分泌？同位素的放射性會(huì)不會(huì)傷害細(xì)胞？同時(shí)，指導(dǎo)學(xué)生觀察帕拉德實(shí)驗(yàn)過(guò)程，探討該實(shí)驗(yàn)是如何運(yùn)用技術(shù)手段解決問(wèn)題的。又如，進(jìn)行有關(guān)興奮在神經(jīng)纖維上傳導(dǎo)的教學(xué)時(shí)，根據(jù)生物電發(fā)現(xiàn)史，介紹科學(xué)家發(fā)現(xiàn)：改變神經(jīng)細(xì)胞外K+濃度，靜息電位發(fā)生改變，動(dòng)作電位不變；而改變神經(jīng)細(xì)胞外Na+濃度，靜息電位不變，動(dòng)作電位發(fā)生改變。指導(dǎo)學(xué)生分析確定K+外流和Na+內(nèi)流是維持靜息電位和產(chǎn)生動(dòng)作電位的主要原因，并探討科學(xué)家選用槍烏賊巨大神經(jīng)纖維為實(shí)驗(yàn)材料的緣由，認(rèn)識(shí)實(shí)驗(yàn)材料的選擇對(duì)實(shí)驗(yàn)成功的重要性。同時(shí)通過(guò)配置不同離子溶度的體外細(xì)胞培養(yǎng)液，分析膜片鉗設(shè)計(jì)特點(diǎn)，進(jìn)行電流檢測(cè)等活動(dòng)，促進(jìn)學(xué)生提高綜合運(yùn)用生物學(xué)、物理學(xué)及化學(xué)等學(xué)科知識(shí)分析問(wèn)題、解決問(wèn)題的能力。

（三）優(yōu)化高中生物學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)所蘊(yùn)含的STEM 教學(xué)資源

高中生物學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)時(shí)，可以指導(dǎo)學(xué)生討論、分析實(shí)驗(yàn)方案、實(shí)驗(yàn)效果是否存在的不足及其原因，嘗試優(yōu)化探究實(shí)驗(yàn)的材料選擇及研究方法改進(jìn)等，以此開(kāi)發(fā)STEM 教學(xué)資源。例如，制作有絲分裂模型、減數(shù)分裂模型時(shí)，使用不同顏色的“毛根”（鐵絲外面包不同顏色的塑料絲）模擬染色體，比用橡皮泥更方便，且可以很好地表征染色體交叉互換。探究細(xì)胞大小與物質(zhì)運(yùn)輸效率實(shí)驗(yàn)所使用的方形瓊脂塊不易翻動(dòng)，若利用乒乓球?yàn)槟＞咧谱髑蛐蔚沫傊瑝K，則有利于實(shí)驗(yàn)順利進(jìn)行。進(jìn)行探究酵母菌的呼吸方式及探究酵母菌種群數(shù)量等實(shí)驗(yàn)時(shí)，指導(dǎo)學(xué)生比較分析兩個(gè)實(shí)驗(yàn)在培養(yǎng)基的配置、培養(yǎng)基是否滅菌等方面的區(qū)別，明確相關(guān)技術(shù)在應(yīng)用時(shí)任何細(xì)微的差異都可能帶來(lái)截然不同的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

（四）挖掘有關(guān)試題所蘊(yùn)含的STEM 教學(xué)資源

近年來(lái)，各地生物學(xué)質(zhì)檢試卷及高考試卷以科學(xué)研究論文、生產(chǎn)生活實(shí)際等為背景創(chuàng)設(shè)試題情境，涉及有關(guān)工程技術(shù)手段的應(yīng)用，蘊(yùn)含豐富的STEM 教學(xué)資源。例如，血糖檢測(cè)、唐氏篩查、新冠病毒檢測(cè)、PCR、基因探針、DNA 測(cè)序及CRISPR-Cas9 基因編輯技術(shù)等。試題講評(píng)前，教師應(yīng)充分了解各項(xiàng)技術(shù)的基本原理、技術(shù)設(shè)計(jì)是否科學(xué)、準(zhǔn)確、方便等特點(diǎn)。講評(píng)時(shí)，可以播放有關(guān)視頻，并進(jìn)行適當(dāng)講解，促進(jìn)學(xué)生直觀地認(rèn)識(shí)研究思路、研究方法及技術(shù)手段等，深刻理解科學(xué)、技術(shù)、社會(huì)及環(huán)境之間的相互關(guān)系。

在高中生物學(xué)教學(xué)中充分開(kāi)發(fā)STEM 教學(xué)資源，一方面促進(jìn)學(xué)生了解工程技術(shù)的進(jìn)展及其對(duì)社會(huì)、科學(xué)的影響，開(kāi)闊眼界，提高學(xué)習(xí)的興趣；另一方面促進(jìn)學(xué)生跨學(xué)科知識(shí)的融合，拓寬思路，提高發(fā)現(xiàn)問(wèn)題和解決問(wèn)題的能力，發(fā)展技術(shù)工程素養(yǎng)。

二、探索STEM 教學(xué)方式

2014 年國(guó)際技術(shù)與工程協(xié)會(huì)（ITEEA）提出“引導(dǎo)、探究、解釋、工程、拓展、評(píng)價(jià)”等6E 教學(xué)模式。［2］“引導(dǎo)”是指根據(jù)學(xué)生學(xué)習(xí)需求及課程教學(xué)要求，激發(fā)學(xué)生探究學(xué)習(xí)的熱情，明確學(xué)習(xí)任務(wù)，鼓勵(lì)學(xué)生提出問(wèn)題。“探究”是指學(xué)生在一定的情境下通過(guò)閱讀獲取信息、小組交流、學(xué)習(xí)有關(guān)技術(shù)?！敖忉尅笔菍W(xué)生交流所學(xué)內(nèi)容，進(jìn)一步內(nèi)化知識(shí)及技術(shù)，并運(yùn)用于解決實(shí)際問(wèn)題?！肮こ獭笔腔诮處熖峁┑那榫常_定需解決的工程學(xué)問(wèn)題，根據(jù)整體觀念、資源和人力價(jià)值等要求設(shè)計(jì)解決方案。“拓展”是指學(xué)生在解決問(wèn)題、獲得知識(shí)的同時(shí)，形成一定的世界觀、認(rèn)識(shí)觀和思維習(xí)慣等?！霸u(píng)價(jià)”是指學(xué)生通過(guò)分析、推理、展示、交流及討論，整理實(shí)驗(yàn)結(jié)果、得出實(shí)驗(yàn)結(jié)論的過(guò)程。筆者嘗試將6E教學(xué)模式與高中生物學(xué)教學(xué)相結(jié)合，探索STEM 教學(xué)方式。

（一）創(chuàng)設(shè)真實(shí)的問(wèn)題情境，激發(fā)學(xué)生探究學(xué)習(xí)興趣

開(kāi)展“生物技術(shù)實(shí)踐”及“現(xiàn)代生物科技”等內(nèi)容教學(xué)時(shí)，根據(jù)《生物學(xué)》教科書(shū)“與生物學(xué)有關(guān)的職業(yè)”“課外實(shí)踐”“技能訓(xùn)練”及“課后拓展”等欄目提供的STEM 教學(xué)資源，創(chuàng)設(shè)真實(shí)的問(wèn)題情境，指導(dǎo)學(xué)生以技術(shù)、工程的視角討論分析、解決實(shí)際問(wèn)題。例如，“免疫學(xué)的應(yīng)用”教學(xué)時(shí)，指導(dǎo)學(xué)生開(kāi)展“探究疫苗的制備”學(xué)習(xí)活動(dòng)，創(chuàng)設(shè)問(wèn)題情境：打完疫苗以后有哪些感受？有不適癥狀嗎？你知道疫苗是如何保存？打完疫苗后需要注意什么問(wèn)題等。引導(dǎo)學(xué)生交流個(gè)人所注射的疫苗及體驗(yàn)，以此激發(fā)學(xué)生的探究欲望。接著介紹我國(guó)科學(xué)家研制的滅活疫苗與美國(guó)科學(xué)家研究的RNA 疫苗在保存、使用方法及效果等方面的區(qū)別，引導(dǎo)學(xué)生探究疫苗的制備流程、技術(shù)及作用原理。

（二）指導(dǎo)科學(xué)探究，開(kāi)展實(shí)踐活動(dòng)

引導(dǎo)學(xué)生主動(dòng)參與科學(xué)探究實(shí)踐活動(dòng)，面對(duì)新的、復(fù)雜的探究情境，優(yōu)化、改進(jìn)實(shí)驗(yàn)方案，加深對(duì)有關(guān)科學(xué)、技術(shù)及工程學(xué)知識(shí)的認(rèn)識(shí)與體驗(yàn)。例如，學(xué)生完成探究土壤中小動(dòng)物類群豐富度的實(shí)驗(yàn)后，要求學(xué)生進(jìn)一步研究池塘浮游生物類群的豐富度。由于土壤與池塘環(huán)境因素的差異，調(diào)查研究池塘中浮游生物時(shí)，學(xué)生將面臨諸多新的問(wèn)題，包括如何設(shè)計(jì)新的采集工具采集樣本、浮游生物分類依據(jù)是什么、如何確保實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的可靠性等。通過(guò)科學(xué)實(shí)踐活動(dòng)，指導(dǎo)學(xué)生學(xué)習(xí)獲取科技文獻(xiàn)資料的途徑，從合理性、科學(xué)性乃至經(jīng)濟(jì)角度分析采集技術(shù)的可行性，鼓勵(lì)學(xué)生拓寬思路，嘗試設(shè)計(jì)、實(shí)施多種實(shí)驗(yàn)方案，促進(jìn)學(xué)生提升技術(shù)工程素養(yǎng)。

（三）構(gòu)建工程模型，發(fā)展科學(xué)建模思維

模型是人們?yōu)榱四撤N特定的目的而對(duì)認(rèn)識(shí)對(duì)象所做的一種簡(jiǎn)化的概括性的描述。發(fā)展學(xué)生的科學(xué)思維，提高學(xué)生的生物學(xué)核心素養(yǎng)，離不開(kāi)模型與建模的教學(xué)。生物學(xué)與人類生產(chǎn)、生活密切相關(guān)，生物工程的作用日益顯著。高中生物學(xué)教學(xué)時(shí)，結(jié)合具體教學(xué)內(nèi)容，指導(dǎo)學(xué)生密切聯(lián)系生產(chǎn)生活實(shí)踐構(gòu)建工程模型。例如，分析?；~(yú)塘生態(tài)系統(tǒng)中桑樹(shù)、蠶、魚(yú)之間的相互關(guān)系，構(gòu)建生態(tài)農(nóng)業(yè)模型；分析大麥發(fā)芽、焙烤、碾磨、糖化、蒸煮、發(fā)酵及消毒等啤酒工業(yè)化生產(chǎn)流程，了解各階段的操作要點(diǎn)及原理，構(gòu)建發(fā)酵工程模型；分析從血清提取抗體的缺點(diǎn)、免疫學(xué)相關(guān)知識(shí)及動(dòng)物細(xì)胞培養(yǎng)技術(shù)，構(gòu)建不同單克隆抗體制備模型等。通過(guò)這些模型分析、構(gòu)建、評(píng)價(jià)及修正，幫助學(xué)生明確形成問(wèn)題、確定特征因素及模型結(jié)構(gòu)、構(gòu)建模型、真實(shí)性檢驗(yàn)等模型構(gòu)建知識(shí)，發(fā)展建模思維。

（四）開(kāi)展項(xiàng)目式學(xué)習(xí)，滲透STEM 教育

項(xiàng)目式學(xué)習(xí)是一種以制作作品，并將作品的呈現(xiàn)作為目的，借助多種資源在真實(shí)世界中開(kāi)展的探究活動(dòng)。［3］項(xiàng)目式學(xué)習(xí)要求學(xué)生融合各學(xué)科知識(shí)，多角度地分析問(wèn)題，進(jìn)行技術(shù)和工程的應(yīng)用和創(chuàng)新。例如，利用學(xué)?？萍脊?jié)活動(dòng)，開(kāi)展“修復(fù)冠狀動(dòng)脈”為主題的項(xiàng)目式學(xué)習(xí)活動(dòng)，以心血管疾病患者的生活創(chuàng)設(shè)學(xué)習(xí)情境，引導(dǎo)學(xué)生檢索內(nèi)環(huán)境、心臟解剖實(shí)驗(yàn)技術(shù)操作、構(gòu)建心臟模型相關(guān)資料，以“清理血管”為目標(biāo)設(shè)計(jì)方案，制作解決血管堵塞的工具模型。并利用有關(guān)裝置進(jìn)行模擬實(shí)驗(yàn)，檢測(cè)裝置的合理性。最后，學(xué)生將學(xué)習(xí)成果以視頻、幻燈片或展板等形式進(jìn)行展示交流。該項(xiàng)目式學(xué)習(xí)能夠幫助學(xué)生加深對(duì)內(nèi)環(huán)境相關(guān)知識(shí)的系統(tǒng)認(rèn)知，重視心血管疾病的預(yù)防，理解生物學(xué)、醫(yī)學(xué)與工程學(xué)之間的密切聯(lián)系。

三、高中生物學(xué)STEM 教學(xué)反思

（一）拓展教師學(xué)科視野

在高中生物學(xué)教學(xué)中，如何善于從工程和技術(shù)的角度，引導(dǎo)學(xué)生剖析科學(xué)事例、體驗(yàn)科學(xué)實(shí)踐，提升學(xué)生的技術(shù)和工程素養(yǎng)，需要教師要有寬廣的視野、扎實(shí)專業(yè)知識(shí)、熟練的實(shí)驗(yàn)技能。教師要保持一顆好奇心，學(xué)習(xí)相關(guān)生物學(xué)等自然科學(xué)史，關(guān)注生物科學(xué)前沿問(wèn)題，了解相關(guān)學(xué)科進(jìn)展及技術(shù)應(yīng)用情況。善于查閱文獻(xiàn)資料，關(guān)注有關(guān)生物學(xué)社會(huì)新聞報(bào)道，爭(zhēng)取更多的參觀考察機(jī)會(huì)，多與其他學(xué)科教師、專業(yè)人士進(jìn)行交流，拓展自己的生物科學(xué)視野。

（二）提升教師信息技術(shù)及現(xiàn)代生物技術(shù)、設(shè)備的使用技能

近年來(lái)，隨著各地教育投入的增加，許多中學(xué)實(shí)驗(yàn)室添置數(shù)碼顯微鏡、傳感器、電泳儀及PCR 儀等現(xiàn)代生物技術(shù)設(shè)備。作為當(dāng)代高中生物學(xué)教師，要積極參加有關(guān)技能培訓(xùn)，掌握新儀器、新設(shè)備的使用方法，這樣才能更好地指導(dǎo)學(xué)生開(kāi)展實(shí)驗(yàn)探究與科學(xué)實(shí)踐。此外，信息技術(shù)飛速發(fā)展，教師也應(yīng)該緊跟時(shí)代發(fā)展步伐，學(xué)會(huì)利用相關(guān)的手機(jī)APP、虛擬實(shí)驗(yàn)軟件等進(jìn)行教學(xué)，加強(qiáng)信息技術(shù)與STEM 教學(xué)的有機(jī)融合。

（三）及時(shí)給予學(xué)生指導(dǎo)與評(píng)價(jià)

通過(guò)科學(xué)探究、科學(xué)實(shí)踐及項(xiàng)目式學(xué)習(xí)開(kāi)展STEM 教育時(shí)，學(xué)生會(huì)遇到很多困難。這就要求教師要善于設(shè)計(jì)與組織學(xué)習(xí)活動(dòng)，多與學(xué)生進(jìn)行交流溝通，給予必要的指導(dǎo)和幫助，并及時(shí)進(jìn)行反饋評(píng)價(jià)，激發(fā)學(xué)生的積極性和創(chuàng)造性，培養(yǎng)學(xué)生的自信心和克服困難的決心，實(shí)現(xiàn)深度學(xué)習(xí)，提高生物學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)。

綜上，教師要不斷拓寬學(xué)科視野，加強(qiáng)不同學(xué)科知識(shí)的融合滲透，提高有關(guān)技術(shù)技能和工程實(shí)踐能力，充分開(kāi)發(fā)、利用各種教學(xué)資源進(jìn)行STEM 教學(xué)，勇于探索STEM 教學(xué)方式，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新精神和實(shí)踐能力，促進(jìn)學(xué)生發(fā)展技術(shù)工程素養(yǎng)，以適應(yīng)社會(huì)對(duì)人才培養(yǎng)的需要。