基于STEM理念的初中生物學實踐活動探索

袁平平 楊守

摘要 通過“自制反射弧模擬演示器”實踐活動，讓學生親歷搜集資料、繪制草圖、完善方案、合理選材、調試檢測等活動的全過程。在活動實施中，學生承擔真實任務，體驗真實角色，學會合作與取舍，懂得學科間融合的基礎上，全面鍛煉能力，提升科學素養。

關鍵詞 STEM理念 實踐活動 生物學教學

中圖分類號 G633.91文獻標志碼 B

《義務教育生物學課程標準（2011年版）》更加突出對學生實踐能力的培養，明確要求教師應該提供更多的機會讓學生實踐。在初中生物學教學中開展實踐活動能跨越書本與現實的鴻溝，打通學科知識關聯，打破學科間的知識壁壘。這與 STEM 教育所強調的以跨學科融合為特征，以問題為載體，以學生自主參與為主內核的創新性、綜合性、實踐性理念相一致。

STEM教育以真實問題的解決為切入點，將科學、技術、工程、數學等學科有機融合，注重鍛煉學生對跨學科知識整合的能力和運用跨學科知識解決實際問題的能力。“自制反射弧模擬演示器”這一實踐活動將生物學、物理學知識融為一體，最終實現學生跨學科思維、科學思維、工程思維的提升。

1 活動確立的背景

我國教育學家陳鶴琴提出“做中學，做中教，做中求進步”。生物學作為一門以實驗探究為基礎的自然科學，其學科特征要求教師要引導學生主動參與，積極動手，幫助學生領悟科學的本質。“人的生長發育及對環境的適應都受神經系統和內分泌系統的調節”，是課程標準中50個重要概念之一。要落實這一重要概念，教師需要引導學生理解神經調節的基本方式——反射，反射的實現需要有完整的反射弧。教學中，教師通常采取圖片、動畫、視頻等多種方式，力圖突破難點，幫助學生理解反射弧的組成及功能。但是，學生往往會出現反復記、反復忘的現象。即便教師利用習題訓練進行強化鞏固，學生的知識掌握情況也不如人意，距離落實“概述神經調節的基本方式”這一目標相差甚遠。為幫助學生深度理解概念，筆者開展了“自制反射弧模擬演示器”的實踐活動，將生物學知識與STEM教育進行融合，以幫助學生理解重點、突破難點，最終提升學生的生物學學科核心素養，促進學生個性化發展的目標。

2 活動準備

2.1活動介紹，確立目標

教師聯系生活，使學生回憶“手碰到熱的物體迅速縮回”“沙灘上腳踩到利物迅速抬起”等切身感受，引出這些反應都與反射有關，明確告知學生制作反射弧模擬演示器的任務。

2.2搜集資料，了解反射

活動開展前，學生分組，合理分工，小組成員通讀教材了解“反射”和“反射弧”的基本知識，利用平板對教師推送的網址進行知識檢索，進一步加深對“反射”和反射弧”等知識的理解。

2.3動態拆解，探究作用

小組成員平板動畫拆解反射弧5部分組成，在阻斷與整合反射弧的過程中探究某部分的作用。通過動態拆解，學生得出：①反射弧由感受器、傳入神經、神經中樞、傳出神經、效應器組成。②感受器能受刺激產生神經沖動;效應器能接收神經沖動，作出反應。傳入神經和傳出神經都能傳導神經沖動。③完整的反射弧是完成反射的結構基礎。要想完成反射，反射弧必須完整，任何一部分出現障礙反射活動都無法完成。 2.4清晰繪圖，詳盡描述

組內成員選擇一種熟悉的簡單反射類型（如縮手反射、膝跳反射），以第一人稱的形式詳盡敘述該反射完成的全過程。然后，畫出所選反射的反射弧，標明各部分結構的名稱和作用。

3 活動實施

STEM 教育注重學生的動手能力，強調探究與工程設計相結合。這種結合一般以任務進行驅動，學生開展小組合作學習，最終實現產品的設計與制作。

3.1搜集資料，設計方案

以小組為單位利用平板進一步檢索學習：串并聯電路的定義特點、連接方法;電磁開關（干簧管）的連接原理和使用方法等跨學科知識。對學習中出現的疑難問題，小組利用網絡連線物理學教師或連線專業技術強的家長的方式進行突破。教師或家長答疑解惑后，小組成員整合與取舍相關內容，爭辯與商議確定出本小組與自制反射弧模擬演示器有關的備選方案。

3.2繪制草圖，論證方案

小組成員依據方案繪制出反射弧模式草圖。在方案論證前期，小組選代表結合草圖將自己小組所選取的材料、用途、制作原理等形成書面文字，注意重點闡述自己的難點突破方案和運用到的制作原理。

在論證環節，各小組聚焦“如何實現神經沖動的動態傳遞”展開討論。經過激烈的討論，2個小組聚焦用串并聯電路為突破點解決此問題;2個小組聚焦用磁力磁場與電路知識結合的方式對難點問題進行突破;1個小組聚焦物理壓強相關知識，決定用液體流動突破神經沖動傳遞一難點。

聚焦物理壓強知識小組選取的材料有表示反射弧各部分的卡片、去掉針頭的一次性塑料注射器、輸液管（大、小）、防水膠帶、帶顏色的液體（紅墨水）、紅色橡皮泥。他們用帶顏色液體流動模擬信號傳遞，塑料管模擬神經，注射器模擬感受器。當推動注射器時（感受器接受刺激），就能看到紅色液體（信號）隨塑料管先傳導到效應器，再看到信號傳達到腦部。

聚焦磁力與電路結合組選取的材料是無線磁控燈，主要體現的是生物學與物理學知識的融合。磁控燈在磁力作用下會發出閃爍的燈光，燈光閃爍代表神經沖動信號的傳遞，燈光依次閃爍代表神經沖動傳遞的方向。

3.3完善方案，修改圖紙

小組成員繼續討論，訂正圖紙，完善設計方案。例如，聚焦物理壓強知識的小組所涉及的最初方案無法實現神經沖動先到達效應器再傳導到大腦。在完善環節，小組成員最終決定采用圖片剪輯的方式凸顯反射弧和大腦，借助針管推動時的壓力實現反射神經沖動的傳導方向詮釋，通過在脊髓向腦部傳遞的部位設置塑料“關卡”解決神經沖動先傳達到效應器后傳向大腦的問題。“關卡”打開后，能看到紅色液體代表的信號傳遞過去。

3.4合理選材，進行制作

小組成員仔細甄別選取自己所需的材料——無線磁控燈、普通小燈泡、電路、開關、針管、注射器，合理分工，制作模擬演示器。

3.5調試檢測，迭代優化

在演示器調試檢測環節，各小組發現自己組的不足及提升改進點。

①將物理學電學串并聯知識應用到生物演示器的制作中的小組因取材傳統，電路連接繁瑣且不易挪動，神經沖動傳遞過程演示時受材料和電路操作熟練程度的限制，演示神經沖動傳導環節有斷層且演示器較笨重繁瑣，不適合大面積推廣和制成成品。

②將物理學壓強知識應用到模擬演示器的不足之處是，在神經中樞與效應器和神經中樞與大腦皮層之間用了塑料“關卡”，顯得很刻意，只有“關卡”打開墨水才能傳到效應器和大腦皮層。信號傳導到效應器和大腦皮層后墨水量和墨水的處理是要進一步解決的問題。小組模型及模擬演示如圖1所示。

③將無線磁控燈應用到模擬演示器制作中的小組，能實現邊講解邊演示，講到哪兒，神經沖動就傳導到哪兒，特別適合在對某一反射的詳細講解和剖析環節中應用。其模型的提升改進點為：若想實現快速動態演示，可以推出有線 LED 小彩燈模擬演示器的制作。小組模型及模擬演示如圖2所示。

4 成果與推廣

小組成員出謀劃策將自己團隊制作的反射弧模擬演示器的性能、選材、優勢等拍成視頻資料。為了便于推廣，小組成員還設計了專屬Logo和廣告語。

5 活動反思

陶行知先生曾經說過：“強行把知識灌給學生，學生是不情愿的，即便學也是不消化，早晚要把知識還給老師。學的過程中充分發揮學生的主觀能動性效果會好很多。”“自制反射弧模擬演示器”這一基于 STEM 理念的實踐活動從真實情境中的真實問題出發，鼓勵學生參與制作模擬演示器。該活動在開展時采取任務驅動，以現有學科知識為基礎，小組成員群體協作，解決多組問題。無論是畫簡單的反射弧還是演示器制作草圖，都是為了能順利完成核心任務“模擬演示器的制作”。在活動實施過程中，學生始終是活動的主體，經歷從理論到實踐、從無到有的完善過程。

5.1真實情境是活動載體

STEM教育中以學生為中心，通過創設真實情境、學生組建團隊的方式，解決開放式問題。例如，反射弧模擬演示器制作就是以學生切身體會到的反復記、反復忘的問題為切入點展開的。學生在真實的情境下開展學習，展開探究。隨著解決螺旋式上升的問題，學生由淺入深地思考，產生新的疑問，有利于對現實生活中的問題保持敏感。STEM教育下的真情境讓學生不僅會學以致用，更學會用以致學，學中生疑。

5.2學科融合是必要基礎

學科融合是STEM理念下初中生物學教學中開展實踐活動教學的必要基礎。反射弧模擬演示器的設計以學生原有的知識經驗為基礎，符合認知規律。反射弧模擬演示器制作將S（科學）、T（技術）、E（工程）、M（數學）四要素有機融合為一個整體。此實踐活動STEM要素具體體現為：S（科學）要素包括反射的概念、反射弧的組成及各部位的作用、串并聯電路中的電流電壓關系，以及磁力、磁場、電磁能。根據材料的特點，對材料進行甄別與篩選，熟練連接電路，體現了T（技術）要素。設計方案，繪制改進圖紙，體現了E（工程）要素。導線長短的測量、截取、取舍體現M（數學）要素。

模擬演示器的制作需要生物學反射及反射弧組成的知識，也需要物理學中串并聯電路和磁力磁場等知識。因此，要達成活動目標就需要進行學科知識的有效融合。在模擬演示器制作過程中，學生更深入地理解和掌握了生物學知識和物理電學、力學知識。活動也讓物理學中原本枯燥生澀的電路、磁場等知識借助自制反射弧模擬演示器的實施變得鮮活起來。

5.3發展性評價是有效保障

教師無需事事評價，處處設限。教師要允許學生在活動過程中犯錯、走偏、焦躁、失落，要明確引導學生、評價學生、參與討論、進行里程碑式的成果匯報、展示反思等的時機。學生在活動實施過程中不斷復盤，不斷反思，在布局、復盤、反思中，獲得成功。該活動從科學性、藝術性、創新性、合作學習等方面，采用自評、互評、師評三者結合的評價方式。“自制反射弧模擬演示器”發展性評價量規見表1。

STEM 教育強調“動手”“思考”“融合”。STEM 理念下的實踐活動讓學生在真實任務的引領下解決真實問題，鍛煉學生如何取舍尋求最優，使學生學會任務拆分完成目標，真正實現“做中學”“學中做”。在實踐活動中，學生承擔真實任務，體驗真實角色，有效地鍛煉了能力，提升了素養。

參考文獻：

[1]蔡海云.STEM 教學模式的設計與實踐研究[D].上海：華東師范大學，2017.

[2]宋巧穎.基于STEM教育理念的中學化學教學設計與實踐——以制作一面鏡子為例[D].漳州：閩南師范大學，2018.