STEM教育在高中生物實驗教學中的應用策略研究

摘 要：隨著科技的不斷發展，STEM教育（科學、技術、工程和數學）已經成為全球教育改革的重要方向。在高中生物實驗教學中，應用STEM教育理念和方法，有助于培養學生的創新思維，增強團隊協作能力，獲得大量實踐操作的機會。高中生物實驗教學中，教師可以引導學生運用STEM教育理念，通過設計實驗、分析數據、解決問題等方式，使學生創新思維得到培養，不斷提高實踐能力。本研究旨在探討STEM教育在高中生物實驗教學中的應用策略，以期為提高生物實驗教學質量，提供參考。

關鍵詞：STEM教育；高中生物；實驗教學

生物學是一門實驗性很強的學科，實驗教學有利于學生獲得實踐鍛煉的機會，為學生創新精神的培養創造了條件。然而以往生物實驗教學手段往往過于關注理論知識講解，沒有將學生實踐操作能力的培養放在重要位置，學生很難形成創新思維。而STEM教育強調學生通過動手操作、實踐探究來學習科學知識，這有助于激發學生的學習興趣，調動學生的學習積極性。教師還可以通過開展生物科技活動、參加科技創新競賽等方式，拓寬學生的知識面，提升學生的綜合素質。因此如何將高中生物實驗教學與STEM教育理念相結合，成為當前教育改革的重要課題。

一、STEM教育概述

STEM教育是一種綜合性的教育模式，將科學（Science）、技術（Technology）、工程（Engineering）和數學（Mathematics）這四個領域的知識和技能融合在一起，旨在培養學生的創新思維、解決問題的能力和團隊合作精神。STEM教育強調實踐操作和實際應用，通過項目制學習、實驗探究等方式，讓學生在動手實踐中掌握知識，培養綜合素質。

第一，科學（Science）：科學是探索自然現象、揭示事物本質和規律的學科。在STEM教育中，科學教育主要包括生物學、化學、物理學、地球科學等領域的知識。通過科學教育，學生可以培養觀察能力、分析能力和批判性思維，為解決實際問題打下基礎。

第二，技術（Technology）：技術是人類運用科學原理和方法，創造和改進工具、設備和系統的過程。在STEM教育中，技術教育主要包括計算機編程、信息技術、機器人技術、3D打印等領域的技能。通過技術教育，學生可以掌握現代科技手段，提升信息素養，為職業生涯發展產生促進作用。

第三，工程（Engineering）：工程是將科學和技術應用于實際問題的解決過程。在STEM教育中，工程教育主要包括工程設計、制造、測試和維護等方面的技能。通過工程教育，學生可以培養創新意識和實踐能力，為社會經濟發展作出貢獻。

第四，數學（Mathematics）：數學學科主要內容包括數量、結構、變化和空間等概念。在STEM教育中，數學教育主要包括代數、幾何、概率論、統計學等領域的知識。通過數學教育，學生將在邏輯思維、抽象思維方能獲得發展，為解決復雜問題提供有力支持。

二、STEM教育在高中生物實驗教學中的作用

（一）提高學生的實踐操作能力

STEM教育強調跨學科的整合與實踐，將科學、技術、工程和數學等多學科知識融入生物實驗教學中。通過開展豐富多樣的生物實驗活動，學生可以在實踐中掌握生物學的基本概念、原理和方法，提高自己的實踐操作能力。同時，實驗教學還能培養學生的觀察、分析、解決問題的能力，為學生未來學習與工作創造更好條件。在高中生物實驗教學中，教師可以組織學生進行實地考察、實驗操作等活動，讓學生在實踐中學習生物學知識，培養學生的實踐能力。

（二）激發學生的學習興趣和創新精神

STEM教育注重將提高學生創新實踐能力為重點，將生物實驗教學與實際生活、社會問題相結合，讓學生在解決實際問題的過程中發現問題、分析問題、解決問題[1]。通過這種教學方法，將促使學生對學習產生積極性，使學生更加主動地投入生物實驗學習中，培養創新精神和實踐能力。

（三）培養學生的團隊協作能力

STEM教育強調團隊合作，鼓勵學生在實驗過程中相互合作、共同探討。在高中生物實驗教學中，教師可以組織學生進行分組實驗，讓學生在團隊中分工合作，共同完成實驗任務。通過這種方式，學生可以學會與他人溝通、協作，培養團隊協作能力。

（四）培養學生的綜合素質

STEM教育旨在培養學生的綜合素質，包括科學素養、創新能力、團隊協作能力等。在高中生物實驗教學中，教師可以通過設計多樣化的實驗項目，引導學生將掌握的知識用到實際問題中，培養學生的綜合素質。同時，實驗教學還可以幫助學生端正科學觀念，形成科學精神與態度。通過實驗教學，學生可以直觀地觀察生物現象，培養他們的觀察力、思考力和判斷力，提升學生的科學素養。

三、STEM教育在高中生物實驗教學中的應用策略

（一）整合課程資源

為了將STEM教育理念融入高中生物實驗教學，教師需要充分利用現有的課程資源，如教材、實驗器材、網絡資源等。通過對這些資源的整合，為學生提供一個跨學科的學習環境，調動學生的積極性，加強對學生創新精神的培養[2]。

第一，對教材的深入理解和分析，將STEM教育理念與生物實驗教學相結合。例如，在教授“細胞結構”相關知識時，可以引導學生進行顯微鏡操作，觀察不同類型的細胞器，并讓學生通過數據分析和討論，探究細胞器的結構和功能。這樣的教學方法不僅能夠提高學生的實驗技能，還能夠培養學生的科學思維和問題解決能力。

第二，利用現有的實驗器材，設計一系列有趣且具有挑戰性的實驗項目。例如，在學習《遺傳學》時，可以讓學生進行基因型分析實驗，通過PCR技術擴增DNA片段，然后使用電泳分離不同基因型。這樣的實驗不僅能夠幫助學生理解遺傳學的基本原理，還能夠培養學生實驗設計能力，更好地進行數據分析。

第三，組織學生參加科學競賽或創新活動中，學生可以將自身才華與創造力充分展示出來。可以鼓勵學生參加生物學奧林匹克競賽或科技創新大賽，在團隊合作中發展創新思維，解決實際問題并展示自己的研究成果[3]。這樣的活動可以讓學生對學習產生興趣，也能增強競爭意識，還能夠提供團隊合作能力。

（二）設計跨學科實驗項目

在高中生物實驗教學中，教師可以設計一些跨學科的實驗項目，讓學生在解決實際問題的過程中，運用生物學知識以及其他學科知識。這樣的實驗學習內容不僅能夠讓學生綜合素質獲得提升，還能夠調動學生的積極性，促使學生創新思維獲得發展[4]。

例如，教師可以設計一個關于植物光合作用的實驗項目。在這個項目中，學生需要了解生物學中的光合作用原理，掌握化學中的能量轉化和物理學中的光學原理。首先，學生需要通過觀察植物葉片的結構，了解葉綠素的作用和分布情況。然后，學生可以通過搭建一個簡單的光合作用實驗裝置，模擬植物在各種光照條件下光合作用情況。在這個過程中，學生需要運用化學知識，了解光合作用中能量是如何轉化的，包括光能轉化為化學能等。同時，學生還需要運用物理學知識，了解光的傳播和反射原理，以及如何利用這些原理來優化實驗裝置。教師要指導學生將掌握的生物學知識應用到其他學科領域。

例如，在學習《遺傳學》時，學生可以通過設計一個關于基因突變的實驗項目，探究基因突變對生物體的影響。在這個項目中，學生需要運用生物學知識，了解基因突變的原理和類型。同時，學生還需要運用數學知識，探討基因突變對生物體數量變化的影響。通過這樣的跨學科實驗項目，學生不僅能夠對生物學知識有更深的理解，還能夠培養自己的綜合運用能力。

（三）引導學生進行探究式學習

在高中生物實驗教學中，教師應引導學生進行探究式學習，鼓勵學生提出問題、分析問題、解決問題。通過這種方式，學生可以更好地理解生物學知識，提高創新能力，更好地參與到團隊協作中[5]。探究式學習是一種以學生為中心的教學方法，強調學生的主動性和創造性。在這種教學模式下，教師不再是知識的傳授者，而是學生學習的引導者和協助者。教師的主要任務是創設一個有利于學生探究的環境，提供必要的資源和支持，幫助學生發現問題、分析問題、解決問題。

例如，在《細胞中的無機物》教學中，教師要引導學生進行探究式學習，可以通過提出一些具有挑戰性的問題，激發學生的好奇心和求知欲。教師可以問：“你們知道細胞中有哪些無機物嗎？在細胞中起什么作用？”這樣的問題可以引導學生思考，激發學生的學習興趣。接下來，教師要鼓勵學生在小組中交流，讓學生分享自己的想法和觀點。在這個過程中，學生不僅可以聽到別人的觀點，也可以通過交流和討論，深化自己的理解。然后，教師可以設計一些實驗活動，讓學生參與動手過程，分析實驗現象，獲取第一手的科學數據。教師要指導學生使用顯微鏡對細胞結構進行觀察，或者通過化學實驗來驗證某些無機物的性質。最后，教師需要引導學生進行反思和總結，讓學生將所學的知識內化。教師可以讓學生寫一篇關于細胞中無機物的研究報告，或者進行一次課堂報告，分享自己的學習成果。

（四）創造情境式教學環境

為了讓學生更好地體驗STEM教育理念，教師可以在實驗教學中創造情境式教學環境。通過模擬生態系統的實驗，讓學生在實際操作中了解生態系統的運行機制，增強學生環保意識，承擔起環保的責任[6]。在情境式教學環境中，教師可以設計一系列與生態系統相關的實驗活動，如模擬森林、濕地、河流等生態環境。學生可以通過觀察、測量和分析數據，了解不同生態系統的特點和相互關系。同時，教師還可以引導學生思考如何保護和維護這些生態系統，以實現可持續發展的目標。教師還可以利用現代科技手段，如虛擬現實技術、增強現實技術等，讓學生有更好的學習體驗。通過虛擬現實技術，學生可以身臨其境地參觀自然保護區、海洋生態系統等地方，深入了解不同生態系統的多樣性和脆弱性。在情境式教學環境中，教師還可以組織學生進行小組合作學習。每個小組可以負責一個特定的生態系統項目，通過收集數據、分析問題、提出解決方案等方式，達到提升團隊合作能力與解決問題能力的目的。同時，教師還可以邀請相關領域的專家或志愿者來校舉辦講座或指導學生的實踐活動，拓寬學生的知識視野和豐富學生的實踐經驗。

（五）加強評價與反饋

在高中生物實驗教學中，教師的角色不僅僅是傳授知識，更重要的是引導學生掌握科學的方法和技能。為了實現這一目標，教師應加強對學生的實驗操作、實驗報告和團隊合作等方面的評價與反饋。第一，實驗操作評價與反饋。教師應在學生進行實驗操作的過程中，密切關注學生的操作步驟、實驗技巧和安全意識。對于學生在實驗過程中出現的問題，教師應及時指出并給予指導。教師還可以通過設置實驗操作考核，讓學生在規定的時間內完成實驗任務，以檢驗學生的實驗技能水平。第二，實驗報告評價與反饋。實驗報告是學生對實驗過程和結果的總結和反思。教師應認真批改學生的實驗報告，對學生的實驗設計、數據分析和結論等方面給予評價。同時，教師還應針對學生在實驗報告中出現的問題，提出具體的修改建議，幫助學生提高實驗報告的質量。第三，團隊合作評價與反饋。生物實驗往往需要學生分工合作，共同完成實驗任務。教師應關注學生在團隊合作中的表現，如溝通能力、協作精神和責任心等。對于表現優秀的團隊，教師可以給予表揚和鼓勵；對于存在問題的團隊，教師應及時提出改進意見，幫助學生提高團隊合作能力。第四，及時指導與鼓勵。教師在評價與反饋過程中，應注重與學生的溝通與交流，了解學生在實驗教學中遇到的困難和問題。針對學生的實際情況，教師應給予個性化的指導和建議，幫助學生不斷提高自己的實驗技能和綜合素質。

結束語

總之，將STEM教育理念融入生物實驗教學，有助于提高學生的實驗操作能力、團隊協作能力和創新思維。在生物實驗教學中，教師應注重培養學生的實踐操作能力，鼓勵學生自主設計實驗方案，培養學生的創新精神和實踐能力。因此教師要重視開展跨學科的STEM項目，可以拓寬學生的知識面，提升學生的綜合素質。

參考文獻

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[4]王雪，楊曉杰，姜淑娟等.基于STEM教育的高中生物學核心素養培養策略[J].高師理科學刊，2020，40（2）：107-110.

[5]袁學蓉.基于STEM教育理念的高中生物活動教學[J].科教文匯（中旬刊），2020（2）：125-127.

[6]王惠英.STEM教育在高中生物實驗教學中的應用[J].中國教育技術裝備，2019（19）：122-124.

本文系福建省教育科學規劃課題“基于STEAM理念的中學生物一體融通式實驗體系構建及深度學習策略研究”（課題編號：FJJKZX23-516）。