依托高中生物學(xué)知識，設(shè)計發(fā)展STEM素養(yǎng)課例

摘 要：本文結(jié)合STEM素養(yǎng)的內(nèi)涵與《普通高中生物學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版2020年修訂）》，發(fā)掘教材中的跨學(xué)科內(nèi)容，以“分泌蛋白的合成與運輸動態(tài)模型制作”為例設(shè)計主題學(xué)習(xí)的項目活動，基于STEM教學(xué)的內(nèi)涵確定教學(xué)目標(biāo)，通過情境創(chuàng)設(shè)、繪圖設(shè)計、模型構(gòu)建、制作展示、論證評價等教學(xué)環(huán)節(jié)提升學(xué)生的核心素養(yǎng)。

關(guān)鍵詞：STEM素養(yǎng)；高中生物學(xué)教學(xué)；模型制作

文章編號：1003-7586（2024）07-0062-03 中圖分類號：G633.91 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：B

1 引言

STEM教學(xué)模式最早起源于1986年美國國家科學(xué)委員會發(fā)布的報告Undergraduate Science，Mathematics and Engineering Education［1］，S、T、E、M四個字母分別代表著科學(xué)、技術(shù)、工程和數(shù)學(xué)。隨著STEM教學(xué)模式不斷地深入發(fā)展，STEM素養(yǎng)作為STEM教學(xué)目標(biāo)逐漸受到教育研究者的關(guān)注。國內(nèi)學(xué)者認(rèn)為STEM 素養(yǎng)包含了科學(xué)素養(yǎng)、技術(shù)素養(yǎng)、工程素養(yǎng)和數(shù)學(xué)素養(yǎng)、運用學(xué)科知識的能力以及應(yīng)用所學(xué)知識與技能探索現(xiàn)實世界的綜合能力。［2］

目前我國STEM教學(xué)模式主要以項目式學(xué)習(xí)和校本課程的形式開展。雖然在中學(xué)教育中開展STEM教學(xué)能夠提高教育的質(zhì)量和效率，但由于受到課時、教學(xué)資源、師資力量等因素的限制，導(dǎo)致全面開展難度較大，且國內(nèi)缺乏相關(guān)教學(xué)案例。

本文以人教版普通高中教科書《生物學(xué)·必修1·分子與細(xì)胞》（以下簡稱“教材”）中“分泌蛋白的合成與運輸”一節(jié)內(nèi)容作為學(xué)科知識背景，以培養(yǎng)學(xué)生的STEM素養(yǎng)為目標(biāo)，融合科學(xué)、工程、技術(shù)、數(shù)學(xué)的相關(guān)學(xué)科知識，進(jìn)行教學(xué)設(shè)計與實踐。

2 教學(xué)目標(biāo)

筆者對STEM素養(yǎng)的理解，是指在真實社會生活情境中，綜合利用科學(xué)、技術(shù)、工程、數(shù)學(xué)的知識與技能，通過科學(xué)探究、設(shè)計制作等實踐活動創(chuàng)造性地解決復(fù)雜問題的能力。STEM素養(yǎng)包括知識、能力、態(tài)度與社會責(zé)任四個維度，在此基礎(chǔ)上確定的教學(xué)目標(biāo)如表1所示。

3 教學(xué)內(nèi)容分析及設(shè)計思路

“分泌蛋白的合成與運輸”是教材第3章第2節(jié)部分的內(nèi)容，適用于構(gòu)建“細(xì)胞各部分結(jié)構(gòu)既分工又合作，共同執(zhí)行細(xì)胞的各項生命活動”這一重要概念，并為大分子的物質(zhì)運輸以及DNA的轉(zhuǎn)錄與翻譯等內(nèi)容進(jìn)行鋪墊。《普通高中生物學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版2020年修訂）》在“教學(xué)提示”內(nèi)容中提出“為幫助學(xué)生達(dá)成對概念1的理解，促進(jìn)學(xué)生生物學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)的提升，應(yīng)開展嘗試制作真核生物細(xì)胞模型的教學(xué)活動”。該活動幫助學(xué)生理解生物學(xué)學(xué)科概念的同時，通過應(yīng)用工程學(xué)與數(shù)學(xué)等不同學(xué)科的知識與技能，解決所遇到的實際問題。

筆者以新型萎縮性胃炎的檢測創(chuàng)設(shè)情境，以細(xì)胞器結(jié)構(gòu)與功能以及分泌蛋白的合成路徑作為生物學(xué)背景，設(shè)計了四個教學(xué)環(huán)節(jié)（見表2），引導(dǎo)學(xué)生掌握工程圖的繪制、科學(xué)模型的構(gòu)建、模型的論證與評價等科學(xué)技術(shù)方法，鍛煉其綜合運用跨學(xué)科知識技能解決實際問題的能力。

4 教學(xué)過程

4.1 制作胃蛋白酶原合成路徑概念圖

4.1.1 問題引入

“胃癌”是發(fā)病率非常高的一種癌癥，而萎縮性胃炎（AG）則是胃癌發(fā)展中的重要階段。由于臨床常用的內(nèi)窺鏡法容易導(dǎo)致患者強(qiáng)烈不適，因此科學(xué)家提出通過檢測血清胃蛋白酶原水平來替代內(nèi)窺鏡檢測。［3］

教師提出問題：如何向患者介紹這一萎縮性胃炎的新型診斷方式？教師展示資料并對胃蛋白酶原的特點、產(chǎn)生過程以及胃蛋白酶原的合成過程和原理進(jìn)行追問。學(xué)生在教師的引導(dǎo)下發(fā)散思維，并提出繪畫、制作流程圖、圖形演示、構(gòu)建模型等方法，教師適時總結(jié)，進(jìn)而向?qū)W生介紹構(gòu)建模型這一重要的科學(xué)研究方法。

4.1.2 制作概念圖

在生物學(xué)教學(xué)中，概念并不是孤立存在的，一個概念只有與其他概念發(fā)生聯(lián)系才能表現(xiàn)出自身的生物學(xué)意義。［4］

教師在這一環(huán)節(jié)向?qū)W生介紹概念圖的基本規(guī)范，并引導(dǎo)學(xué)生選擇不同的表述方式制作胃蛋白酶原的合成路徑概念圖。學(xué)生結(jié)合大概念相關(guān)的重要概念，根據(jù)概念之間的邏輯關(guān)系，討論胃蛋白酶原的合成路徑。教師通過以上環(huán)節(jié)激活學(xué)生思維，讓學(xué)生運用已掌握的知識和科學(xué)方法解決相關(guān)的多種情境問題，從而進(jìn)一步深化對生物學(xué)大概念的理解。

4.2 繪制細(xì)胞模型工程圖

4.2.1 工程學(xué)概念的學(xué)習(xí)

圖紙是工程學(xué)的重要工具，是項目設(shè)計的藍(lán)圖。由于該階段的學(xué)生缺乏相應(yīng)的工程學(xué)知識，教師可以在課前為學(xué)生提供工程學(xué)課程資源，讓學(xué)生利用課外時間學(xué)習(xí)理論知識以及繪制圖紙的基本要求，并由師生共同歸納繪制圖紙的基本方法。

4.2.2 工程學(xué)圖紙的繪制

學(xué)生在繪制圖紙時需要考慮細(xì)胞器的結(jié)構(gòu)、大小、分布等問題，由教師提供相應(yīng)資料和繪圖比例的指導(dǎo)。學(xué)生組內(nèi)討論，結(jié)合工程學(xué)知識繪制細(xì)胞的空間圖和剖面圖，構(gòu)思圖紙內(nèi)容的合理布局，對整體模型的詳細(xì)尺寸、材料、工藝等細(xì)節(jié)進(jìn)行闡述。學(xué)生通過自主探究繪制工程圖的基本方法，利用生物學(xué)知識與工程學(xué)技術(shù)解決實踐過程中面臨的問題，有助于培養(yǎng)跨學(xué)科解決問題的思維習(xí)慣。

4.3 科學(xué)模型的構(gòu)建

4.3.1 模型標(biāo)準(zhǔn)的制訂

教師需要在學(xué)生制作模型之前引導(dǎo)學(xué)生思考“什么是科學(xué)模型”，在該問題的基礎(chǔ)上鼓勵學(xué)生合作規(guī)劃科學(xué)模型的制作標(biāo)準(zhǔn)。學(xué)生討論得出科學(xué)性與準(zhǔn)確性是制作模型最重要的標(biāo)準(zhǔn)，此外還提出了美觀性、直觀性、工藝性、創(chuàng)新性、耐用性、實用性等多項標(biāo)準(zhǔn)。教師組織學(xué)生思考各項標(biāo)準(zhǔn)是否成立、是否存在重復(fù)等問題，最終完成科學(xué)模型制作標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)劃。

4.3.2 模型的制作

學(xué)生在模型的制作過程中會遇到實踐性問題。例如：如何展示胃蛋白酶原的合成與分泌過程？如何對材料的使用進(jìn)行分配？選擇何種工具更為有效？針對這些問題，教師提示學(xué)生可以利用磁鐵、杠桿等物理學(xué)裝置解決，從而引導(dǎo)學(xué)生形成發(fā)散思維。通過運用跨學(xué)科知識與技能解決實踐過程中的問題，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)造力以及

使用工具的能力，進(jìn)而發(fā)展學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)。

4.4 模型的論證與評價

CER模型包括主張、證據(jù)與推理三部分（見圖1），結(jié)構(gòu)簡明清晰，能夠幫助學(xué)生厘清邏輯關(guān)系，從而有效描述事物的現(xiàn)象與本質(zhì)。［5］因此教師引導(dǎo)學(xué)生通過該論證模型對所搜集的證據(jù)進(jìn)行推理分析，有助于學(xué)生厘清證據(jù)間的邏輯關(guān)系，為模型提供科學(xué)理論支持。在這一環(huán)節(jié)中，學(xué)生按照論證表單，篩選資料并進(jìn)行分析，論證模型的科學(xué)性與準(zhǔn)確性，并不斷對模型進(jìn)行修正完善，實現(xiàn)科學(xué)解釋能力與批判性思維的突破（見表3）。

評價環(huán)節(jié)以“留一去三”的形式展開，每組選擇一位成員作為發(fā)言人，負(fù)責(zé)本組模型的講解與問題的回答，其余三位成員作為觀摩員，按照順序依次前往其他小組進(jìn)行學(xué)習(xí)交流。在觀摩交流的過程中，觀摩員針對模型進(jìn)行提問并進(jìn)行評價與建議，從而提升學(xué)生的批判性思維與交流表達(dá)能力。

4.5 教學(xué)測量與結(jié)果分析

基于國內(nèi)外有關(guān)STEM素養(yǎng)的相關(guān)研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)，學(xué)生的知識、能力、態(tài)度以及社會責(zé)任四個維度水平在參與STEM教育后均有提高。其中態(tài)度這一維度增幅最大，達(dá)到27.75%，表明通過STEM教育能夠讓學(xué)生對STEM教育的價值、學(xué)習(xí)態(tài)度以及相關(guān)職業(yè)有更深層次的了解。而在能力維度方面，學(xué)生平均得分提高23.32%，通過這種不同于傳統(tǒng)教學(xué)形式的課程學(xué)習(xí)，學(xué)生能夠綜合應(yīng)用不同學(xué)科的知識與技能解決問題，進(jìn)而提高創(chuàng)造能力、合作能力、批判能力等高階能力的素養(yǎng)。

盡管學(xué)生在社會責(zé)任維度的增幅最小，但該維度具有四個維度中最高的平均分。大部分學(xué)生認(rèn)為自己能夠“基于證據(jù)分析得出

結(jié)論”，表明學(xué)生具備通過所學(xué)知識解決實際問題的意識。教師以真實的社會或生活問題為情境，結(jié)合學(xué)習(xí)背景設(shè)置任務(wù)，幫助學(xué)生將“意識”轉(zhuǎn)化為“實踐”，進(jìn)而通過這一過程深化學(xué)生對知識的理解，建立知識間的聯(lián)系。

5 總結(jié)反思

本教學(xué)設(shè)計在內(nèi)容上將大概念的理解、工程圖繪制、科學(xué)模型構(gòu)建等活動以項目的形式進(jìn)行教學(xué)設(shè)計，具有跨學(xué)科的屬性；在目的上側(cè)重于培養(yǎng)學(xué)生的問題解決能力，在方法上采用教師引導(dǎo)和學(xué)生自主探究的方法，具有一定的靈活性與開放性。

教師要引導(dǎo)學(xué)生在實踐過程中體會生物學(xué)的學(xué)科價值，同時明確不同學(xué)科之間的內(nèi)在聯(lián)系，要求選擇能夠承載學(xué)科核心素養(yǎng)且緊密聯(lián)系生活的主題。本教學(xué)設(shè)計以醫(yī)學(xué)疾病創(chuàng)設(shè)情境，學(xué)生通過分析資料并結(jié)合教材，找到解決問題的關(guān)鍵，明確所學(xué)知識“能解決哪些問題”，感悟生物學(xué)的學(xué)科價值。此外，應(yīng)當(dāng)基于跨學(xué)科知識分析教學(xué)內(nèi)容。本設(shè)計當(dāng)中，學(xué)生在概念分析、工程設(shè)計、模型制作、主張論證、圖形繪制等任務(wù)環(huán)節(jié)中的問題無法僅通過生物學(xué)知識解決，需要融合不同學(xué)科的知識、技能以及以往的學(xué)習(xí)經(jīng)驗探索解決問題的方法。

參考文獻(xiàn)

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［3］ 馬玉秀，肖君. 幽門螺桿菌、胃蛋白酶原及胃泌素-17對于萎縮性胃炎診斷及胃癌風(fēng)險評估的研究進(jìn)展 ［J］. 中醫(yī)臨床研究， 2023， 15（21）： 118-123．

［4］ 劉恩山. 中學(xué)生物學(xué)教學(xué)論（第3版）［M］. 北京：高等教育出版社， 2020：98

［5］ 周忠芬，謝曉宏. 論證式教學(xué)策略在生物學(xué)復(fù)習(xí)課中的應(yīng)用嘗試 ［J］. 生物學(xué)通報， 2021， 56（4）： 31-33．