淺談基于STEM理念的高中生物學(xué)教學(xué)策略

摘 要：基于STEM理念的高中生物學(xué)教學(xué)融合了科學(xué)、技術(shù)、工程與數(shù)學(xué)領(lǐng)域的知識(shí)，既可以引導(dǎo)學(xué)生感知生命的奧妙，探索生命現(xiàn)象背后蘊(yùn)藏的原理，又可以引導(dǎo)學(xué)生從不同角度思考問(wèn)題，發(fā)展學(xué)生的理性思維。文章論述了STEM理念的內(nèi)涵，討論了基于STEM理念的高中生物學(xué)教學(xué)價(jià)值。同時(shí)，文章結(jié)合具體教學(xué)案例，分析了基于STEM理念的高中生物學(xué)教學(xué)策略，指出教師可通過(guò)創(chuàng)設(shè)情境、設(shè)計(jì)問(wèn)題、實(shí)驗(yàn)討論、落實(shí)評(píng)價(jià)等方式優(yōu)化教學(xué)，希望可以為廣大高中生物學(xué)教師提供有益參考。

關(guān)鍵詞：高中生物學(xué)；STEM理念；教學(xué)策略

中圖分類號(hào)：G427" " " " " " " " " " " " " " " " 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A" " " " " " " " " " " " " " " " " " " "文章編號(hào)：2097-1737（2024）21-0064-03

STEM理念將科學(xué)、技術(shù)、工程和數(shù)學(xué)學(xué)科進(jìn)行交叉融合，強(qiáng)調(diào)在教學(xué)過(guò)程中綜合提升學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)與實(shí)際應(yīng)用水平。但是，一些教師對(duì)STEM理念的內(nèi)涵認(rèn)識(shí)不深刻，缺乏基于STEM理念的實(shí)踐教學(xué)經(jīng)驗(yàn)，導(dǎo)致教學(xué)活動(dòng)與評(píng)價(jià)效果不盡如人意。為保證基于STEM理念的高中生物學(xué)教學(xué)能夠發(fā)揮理想的育人作用，教師有必要深入研究基于STEM理念的高中生物學(xué)教學(xué)策略。

一、STEM理念概述

STEM理念是將科學(xué)、技術(shù)、工程、數(shù)學(xué)學(xué)科交叉融合，以培養(yǎng)學(xué)生綜合素養(yǎng)的教育理念。其中，S代表Science（科學(xué)），即關(guān)注科學(xué)現(xiàn)象、規(guī)律、原理的教學(xué)，旨在引導(dǎo)學(xué)生從科學(xué)的角度出發(fā)觀察現(xiàn)實(shí)生活，探究生活中的客觀規(guī)律；T代表Technology（技術(shù)），即關(guān)注科學(xué)技術(shù)的講授與訓(xùn)練，旨在使學(xué)生在理解科學(xué)的基礎(chǔ)上學(xué)會(huì)運(yùn)用不同技術(shù)解決實(shí)際問(wèn)題；E代表Engineering（工程），旨在啟迪學(xué)生的工程設(shè)計(jì)與開發(fā)智慧；M代表Mathematics（數(shù)學(xué)），即關(guān)注數(shù)學(xué)原理與思想方法的教學(xué)，旨在培養(yǎng)學(xué)生的數(shù)學(xué)思維，使學(xué)生學(xué)會(huì)基于數(shù)據(jù)、數(shù)學(xué)模型分析并解決問(wèn)題[1]。STEM理念主張將科學(xué)、技術(shù)、工程、數(shù)學(xué)等學(xué)科有機(jī)結(jié)合，通過(guò)構(gòu)建開放化、動(dòng)態(tài)化的教學(xué)模式引導(dǎo)學(xué)生完善自身的知識(shí)體系，進(jìn)而開闊學(xué)生的視野，促進(jìn)學(xué)生整體能力的提升。

STEM理念的核心要素體現(xiàn)在兩方面。一方面，STEM理念強(qiáng)調(diào)教學(xué)要基于真實(shí)的問(wèn)題解決情境，強(qiáng)調(diào)為學(xué)生營(yíng)造真實(shí)的應(yīng)用、科研氛圍，使學(xué)生在自主建構(gòu)的過(guò)程中發(fā)現(xiàn)學(xué)科原理，掌握技術(shù)與工程方法，形成數(shù)學(xué)思維。另一方面，STEM理念主張跨學(xué)科知識(shí)的整合教學(xué)，強(qiáng)調(diào)科學(xué)、技術(shù)、工程、數(shù)學(xué)四門學(xué)科有機(jī)融合，要求教師從解決實(shí)際問(wèn)題的角度出發(fā)組織教學(xué)活動(dòng)，引導(dǎo)學(xué)生綜合應(yīng)用四門學(xué)科的知識(shí)、技能與方法探究問(wèn)題，完成對(duì)教學(xué)內(nèi)容的梳理與整合。

二、基于STEM理念的高中生物學(xué)教學(xué)價(jià)值

（一）有利于促進(jìn)學(xué)生全面發(fā)展

基于STEM理念，教師將科學(xué)知識(shí)融入生物學(xué)課程內(nèi)容當(dāng)中，使學(xué)生在認(rèn)識(shí)基本生物學(xué)現(xiàn)象的同時(shí)發(fā)現(xiàn)生物學(xué)規(guī)律、歸納生物學(xué)原理，有助于提高他們的獨(dú)立思考能力、科學(xué)認(rèn)知能力等[2]。教師將技術(shù)與工程領(lǐng)域的教學(xué)素材融入生物學(xué)課程教學(xué)內(nèi)容當(dāng)中，為學(xué)生提供了更多科學(xué)研究的學(xué)習(xí)素材，使學(xué)生能夠在學(xué)習(xí)過(guò)程中掌握運(yùn)用科學(xué)技術(shù)原理驗(yàn)證猜想的科學(xué)探究方法，提升學(xué)生的探究能力。此外，教師在教學(xué)中引導(dǎo)學(xué)生用數(shù)學(xué)學(xué)科的邏輯推理、抽象方法歸納生物學(xué)原理，有助于提高學(xué)生的邏輯推理與數(shù)學(xué)抽象能力。因此，基于STEM理念的高中生物學(xué)教學(xué)將科學(xué)、技術(shù)、工程、數(shù)學(xué)等學(xué)科的教學(xué)內(nèi)容有機(jī)融入生物學(xué)教學(xué)當(dāng)中，能夠有效促進(jìn)學(xué)生科學(xué)認(rèn)知、實(shí)驗(yàn)探究、推理論證等能力的全面發(fā)展。

（二）有利于推進(jìn)生物學(xué)教學(xué)改革

《普通高中生物學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版2020年修訂）》（以下簡(jiǎn)稱《課程標(biāo)準(zhǔn)》）要求教師在教學(xué)中注意學(xué)科間的聯(lián)系，要認(rèn)識(shí)到生物學(xué)與數(shù)學(xué)、技術(shù)、工程學(xué)、信息科學(xué)是相互滲透、共同發(fā)展的[3]。基于STEM理念的高中生物學(xué)教學(xué)有機(jī)融合了科學(xué)知識(shí)、技術(shù)與工程方法、數(shù)學(xué)思維方法，增強(qiáng)了生物學(xué)與其他學(xué)科間的聯(lián)系，滿足了《課程標(biāo)準(zhǔn)》中關(guān)于跨學(xué)科教學(xué)的相關(guān)要求。同時(shí)，《課程標(biāo)準(zhǔn)》強(qiáng)調(diào)要培養(yǎng)學(xué)生的生物學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)，包括生命觀念、科學(xué)思維、科學(xué)探究與社會(huì)責(zé)任。基于STEM理念的高中生物學(xué)教學(xué)不僅重視對(duì)生物學(xué)原理的講授，還重視生物學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)，注重引導(dǎo)學(xué)生在運(yùn)用技術(shù)與工程方法、數(shù)學(xué)思維方法的過(guò)程中發(fā)現(xiàn)生物學(xué)規(guī)律，利用生物學(xué)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證猜想或得出結(jié)論。因此，基于STEM理念開展高中生物學(xué)教學(xué)工作，有利于《課程標(biāo)準(zhǔn)》的貫徹落實(shí)，同時(shí)也對(duì)進(jìn)一步推進(jìn)生物學(xué)教學(xué)改革有積極意義。

三、基于STEM理念的高中生物學(xué)教學(xué)策略

（一）創(chuàng)設(shè)情境，培養(yǎng)生物學(xué)學(xué)習(xí)興趣

基于STEM理念的高中生物學(xué)教學(xué)要從實(shí)際出發(fā)，培養(yǎng)學(xué)生從科學(xué)視角看待生活的習(xí)慣。因此，教師可以將教學(xué)內(nèi)容與實(shí)際生活相聯(lián)系創(chuàng)設(shè)相應(yīng)情境。生動(dòng)、有趣的教學(xué)情境可以激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，驅(qū)動(dòng)學(xué)生自覺(jué)聯(lián)系所掌握的科學(xué)知識(shí)、技術(shù)與工程方法、數(shù)學(xué)思維方法領(lǐng)會(huì)生物學(xué)知識(shí)[4]。

以人教版高中生物學(xué)必修1中“細(xì)胞是生命活動(dòng)的基本單位”一課的教學(xué)為例。教師可以在課上播放兔子吃大白菜的視頻，并創(chuàng)設(shè)情境：兔子是哺乳動(dòng)物，大白菜是植物，有人說(shuō)這兩種生命體形態(tài)迥異，但它們生命活動(dòng)的基本單位都是細(xì)胞，有的人則不相信，你更支持哪種說(shuō)法？這樣的情境問(wèn)題驅(qū)動(dòng)學(xué)生從科學(xué)的角度出發(fā)思考相關(guān)問(wèn)題。在此基礎(chǔ)上，教師還可以借助Flash動(dòng)畫視頻介紹羅伯特·胡克用顯微鏡觀察木栓細(xì)胞、列文虎克用自制顯微鏡觀察紅細(xì)胞、施萊登與施旺觀察植物與動(dòng)物細(xì)胞的故事，使學(xué)生了解更多研究細(xì)胞的案例。

（二）設(shè)計(jì)問(wèn)題，提高生物學(xué)認(rèn)知水平

體驗(yàn)情境之后，學(xué)生可能會(huì)對(duì)基本的生物學(xué)現(xiàn)象、其中蘊(yùn)藏的科學(xué)原理、探究情境的技術(shù)方法等產(chǎn)生疑問(wèn)。這時(shí)，教師可基于STEM理念設(shè)計(jì)啟發(fā)性問(wèn)題，驅(qū)動(dòng)學(xué)生圍繞問(wèn)題進(jìn)行更深層次的思考與討論，使學(xué)生在深化生物學(xué)知識(shí)的基礎(chǔ)上提高自身的認(rèn)知水平。

以人教版高中生物學(xué)必修1中“降低化學(xué)反應(yīng)活化能的酶”一課的教學(xué)為例。教師可以圍繞教材中“比較過(guò)氧化氫在不同條件下的分解”實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)如下問(wèn)題：（1）實(shí)驗(yàn)的研究目的是什么？（2）實(shí)驗(yàn)可分為哪幾部分？實(shí)驗(yàn)過(guò)程是什么？（3）實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象有哪些？你能夠根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)得到怎樣的結(jié)論？其中，第一問(wèn)圍繞實(shí)驗(yàn)?zāi)康恼归_，意在使學(xué)生在思考問(wèn)題的過(guò)程中明確實(shí)驗(yàn)主題，形成利用生物學(xué)實(shí)驗(yàn)探究生物學(xué)原理的科學(xué)觀念。第二問(wèn)圍繞實(shí)驗(yàn)內(nèi)容展開，旨在使學(xué)生在分析實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的過(guò)程中了解生物學(xué)實(shí)驗(yàn)的準(zhǔn)備、實(shí)施、操作工作，同時(shí)掌握控制變量法、設(shè)計(jì)對(duì)照實(shí)驗(yàn)等基本的實(shí)驗(yàn)方法。第三問(wèn)圍繞實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象與結(jié)論展開，旨在使學(xué)生對(duì)比、分析通過(guò)實(shí)驗(yàn)得到的各項(xiàng)數(shù)據(jù)以得出結(jié)論，加深對(duì)“與無(wú)機(jī)催化劑相比，酶降低活化能的作用更顯著，催化效率更高”的理解。同時(shí)，通過(guò)以上問(wèn)題還可以引導(dǎo)學(xué)生反思生物學(xué)研究的全過(guò)程，使學(xué)生形成基本的科學(xué)意識(shí)，掌握基本的科學(xué)研究方法，積累根據(jù)數(shù)據(jù)得出結(jié)論的經(jīng)驗(yàn)，提高學(xué)生的生物學(xué)整體認(rèn)知。

（三）實(shí)驗(yàn)討論，發(fā)展科學(xué)探究思維

1.討論實(shí)驗(yàn)方案，發(fā)展科學(xué)思維

生物學(xué)實(shí)驗(yàn)以科學(xué)有效的實(shí)驗(yàn)方案為參考。學(xué)生只有基于生物學(xué)原理、技術(shù)與工程方法、數(shù)學(xué)思維方法提出猜想、設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案并預(yù)設(shè)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，才能夠在實(shí)驗(yàn)學(xué)習(xí)中取得理想成果。但是，單憑學(xué)生個(gè)人的力量很難在實(shí)驗(yàn)前完成所有設(shè)計(jì)工作，因此需要學(xué)生合作互助。為此，教師可組織學(xué)生以小組為單位提出實(shí)驗(yàn)觀點(diǎn)，設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案，讓學(xué)生在討論的過(guò)程中養(yǎng)成大膽質(zhì)疑、小心求證的思維習(xí)慣。

以人教版高中生物學(xué)必修2中“DNA是主要的遺傳物質(zhì)”一課的教學(xué)為例。教師可以從教材中給出的染色體、蛋白質(zhì)和DNA示意圖切入，吸引學(xué)生對(duì)遺傳物質(zhì)的注意，同時(shí)引出教學(xué)問(wèn)題：你認(rèn)為遺傳物質(zhì)有什么特點(diǎn)？你認(rèn)為證明某一種物質(zhì)是遺傳物質(zhì)的可行方法有哪些？然后教師可以組織學(xué)生圍繞教學(xué)問(wèn)題以學(xué)習(xí)小組為單位合作討論，驅(qū)動(dòng)學(xué)生對(duì)肺炎鏈球菌的轉(zhuǎn)化實(shí)驗(yàn)、噬菌體侵染細(xì)菌的實(shí)驗(yàn)展開研究。除此之外，教師還可假設(shè)教學(xué)情況，如：假如有充足的實(shí)驗(yàn)資源，你會(huì)選擇設(shè)計(jì)怎樣的實(shí)驗(yàn)方案？驅(qū)動(dòng)學(xué)生參照已有的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)資料展開討論，使學(xué)生在討論過(guò)程中確定“驗(yàn)證DNA是遺傳物質(zhì)”的實(shí)驗(yàn)主題，設(shè)計(jì)對(duì)照實(shí)驗(yàn)方案并預(yù)設(shè)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，使學(xué)生在系統(tǒng)分析、討論的過(guò)程中強(qiáng)化科學(xué)意識(shí)，形成用技術(shù)與工程方法、數(shù)學(xué)思維方法解決生物學(xué)問(wèn)題的思維習(xí)慣與能力，發(fā)展科學(xué)思維。

2.開展探究實(shí)驗(yàn)，發(fā)展實(shí)踐思維

基于STEM理念的高中生物學(xué)教學(xué)要為學(xué)生提供更多科學(xué)探究的機(jī)會(huì)，讓學(xué)生在觀察、操作、總結(jié)的過(guò)程中發(fā)現(xiàn)生物學(xué)原理，從而提升學(xué)生的綜合能力。對(duì)此，教師可以在生物學(xué)教學(xué)中組織探究活動(dòng)，要求學(xué)生根據(jù)實(shí)驗(yàn)猜想運(yùn)用相關(guān)試劑、工具完成實(shí)驗(yàn)任務(wù)，并基于實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)總結(jié)生物學(xué)規(guī)律，由此提高學(xué)生的實(shí)踐探究能力[5]。

以人教版高中生物學(xué)選擇性必修1中“植物生長(zhǎng)調(diào)節(jié)劑的應(yīng)用”一課的教學(xué)為例。教師可結(jié)合教材給出的植物生長(zhǎng)調(diào)節(jié)劑的類型、作用和施用等教學(xué)內(nèi)容布置探究性實(shí)驗(yàn)任務(wù)，如：研究植物生長(zhǎng)調(diào)節(jié)劑對(duì)植物插條不定根發(fā)生的影響。布置任務(wù)后，教師應(yīng)為學(xué)生提供生長(zhǎng)良好且發(fā)育狀態(tài)相同的同種植物1年生枝條苗木，以及電子天平、烘箱、分光光度計(jì)、1000 mg/L吲哚丁酸溶液、1000 mg/L多效唑溶液、其他植物生長(zhǎng)調(diào)節(jié)劑等實(shí)驗(yàn)用具，并組織學(xué)生以小組為單位合作完成對(duì)照實(shí)驗(yàn)。在此過(guò)程中，學(xué)生按照設(shè)計(jì)好的實(shí)驗(yàn)方案配置生長(zhǎng)調(diào)節(jié)劑溶液，控制其他實(shí)驗(yàn)條件，觀察、記錄實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，合作完成系統(tǒng)的生物學(xué)實(shí)驗(yàn)。此實(shí)驗(yàn)時(shí)間較長(zhǎng)、步驟較復(fù)雜，學(xué)生能夠在參與探究實(shí)驗(yàn)的過(guò)程中掌握更多生物學(xué)藥劑溶解、定容技術(shù)，形成用數(shù)據(jù)表示實(shí)驗(yàn)結(jié)果的抽象思維，同時(shí)也能在參與實(shí)驗(yàn)的過(guò)程中提高自身的實(shí)踐能力，發(fā)展實(shí)踐思維。

（四）落實(shí)評(píng)價(jià)，鞏固生物學(xué)教學(xué)成果

教學(xué)評(píng)價(jià)具有診斷、反饋功能，及時(shí)落實(shí)教學(xué)評(píng)價(jià)，可引導(dǎo)學(xué)生反思自身學(xué)習(xí)的不足，促進(jìn)學(xué)生查漏補(bǔ)缺。教師要豐富基于STEM理念的高中生物學(xué)教學(xué)評(píng)價(jià)的內(nèi)容，從科學(xué)、技術(shù)、工程與數(shù)學(xué)角度出發(fā)，評(píng)判學(xué)生在理性思考、實(shí)踐探究過(guò)程中的行為表現(xiàn)，使學(xué)生明確自身的綜合發(fā)展情況。在此基礎(chǔ)上，教師還可給出相關(guān)改進(jìn)建議，以幫助學(xué)生糾正學(xué)習(xí)問(wèn)題，進(jìn)一步鞏固學(xué)生的生物學(xué)學(xué)習(xí)成果。

以人教版高中生物學(xué)選擇性必修3中“植物細(xì)胞工程”一課的教學(xué)為例。教師可以反思該課內(nèi)容與科學(xué)、技術(shù)、工程與數(shù)學(xué)學(xué)科的交叉融合點(diǎn)，而后基于STEM理念設(shè)計(jì)學(xué)生評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，如是否了解植物細(xì)胞工程的基本概念和原理，是否掌握植物細(xì)胞培養(yǎng)的基本技術(shù)，是否了解植物基因工程的應(yīng)用，是否學(xué)會(huì)根據(jù)需要設(shè)計(jì)生物學(xué)實(shí)驗(yàn)，是否掌握分析實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的方法等。之后，教師可根據(jù)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)分析學(xué)生在新課導(dǎo)入環(huán)節(jié)、問(wèn)題討論環(huán)節(jié)、實(shí)驗(yàn)探究環(huán)節(jié)的行為表現(xiàn)，指出學(xué)生存在的不足，如某學(xué)生對(duì)植物細(xì)胞工程的概念認(rèn)識(shí)不到位，缺乏應(yīng)用意識(shí)，應(yīng)當(dāng)多了解相關(guān)方面的知識(shí)，學(xué)習(xí)用科學(xué)知識(shí)與實(shí)驗(yàn)方法解決實(shí)際問(wèn)題。

四、結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，基于STEM理念的高中生物學(xué)教學(xué)不僅要關(guān)注生物學(xué)教材中的教學(xué)內(nèi)容，還要關(guān)注生物學(xué)在現(xiàn)實(shí)生活、生產(chǎn)中的應(yīng)用，要注意將生物學(xué)教學(xué)與科學(xué)、技術(shù)、工程、數(shù)學(xué)等學(xué)科有機(jī)融合，確保學(xué)生能夠在生物學(xué)課程學(xué)習(xí)中得到各方面能力的充分發(fā)展。為此，教師有必要整理更多教學(xué)素材，基于STEM理念創(chuàng)設(shè)相應(yīng)的教學(xué)情境，同時(shí)提出具有啟發(fā)性的問(wèn)題、組織具有探究性的實(shí)驗(yàn)活動(dòng)來(lái)提高生物學(xué)課程教學(xué)質(zhì)量，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)效率。

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作者簡(jiǎn)介：瞿文超（1981.9-），男，貴州鎮(zhèn)遠(yuǎn)人，任教于貴州省凱里實(shí)驗(yàn)高級(jí)中學(xué)，一級(jí)教師，本科學(xué)歷。