基于STEM理念的初中生物學單元教學的研究

摘 要：本文以“體內物質的動態平衡”一節內容為例，基于STEM教育理念，探討初中生物學單元教學的開發與研究，通過在真實情境下設置工程學問題，促進科學探究與工程制作的有機融合，進而實現學生的深度學習，提升其生物學學科核心素養。

關鍵詞：STEM理念；單元教學；生物學教學

文章編號：1003-7586（2024）08-0016-03 中圖分類號：G633.91 文獻標識碼：B

1 初中科學STEM案例開發的走向

浙教版義務教育教科書《科學》率先融入STEM理念并積極探索STEM教育實踐路徑。根據在STEM理念下指導的學生學習成果，可分為顯性的物化成果和隱性的知識內化兩種教學取向。具體而言，以作品開發為導向的STEM教育，其目標是形成物化成果，注重拓展課程；以科學探究為導向的STEM教育，其目標是獲得多元知識和技能，側重基礎課程。［1］

經實踐驗證，科學探究取向在基礎教育領域

實施具有較高的可行性，兼具培養科學探究素養與獲得跨學科知識的功能，特別是其具有工程學與科學的整合特征，對于增強學生解決真實情境中問題的能力成效卓越。然而，我國初中生物學教學領域對此方面的研究尚存不足。因此，如何在課堂教學中正確引入STEM理念，已成為當前基礎教育教學改革中具有重要價值的議題。［2］

2 基于STEM理念的單元學習構想

目前，學科教材的編撰通常按照知識塊的線形分布進行安排，教師在實際教學時往往按部就班地依照教科書順序進行教學，很少深入理解學科教材編寫的真正意圖。本文從單元構想的視角出發，整合科學、技術、工程學和數學領域，以工程學和科學實踐為基礎，以問題為導向進行單元教學設計，幫助學生在深入理解學科核心概念的同時，構建起核心概念與具體知識之間的關聯，從而將原本分散的學科知識整合為系統的結構體系，實現知識的遷移和運用。

依據逆向設計理論，教師可從預期成果出發，探究如何構建基于STEM理念的單元教學路徑（見圖1）。該路徑遵循結果導向的原則，首先確立單元學習目標，創設單元學習情境，注重科學探究取向。其次，從學生的學習需求出發，教師確定“分析教材”和“整合資料”的優先順序，梳理出適合單元核心的STEM學習課例。最后，教師再通過教學實踐設計相關教學活動，驗證并確保單元教學的可行性，并不斷改進完善，形成切實可行的教學課例。相較于課時教學，單元教學有利于學生對核心知識進行深入探討，從而促進其對相關概念的深度理解。

本文以浙教版義務教育教科書《科學·九年級·上冊》第4章第5節“體內物質的動態平衡”為例，設計單元教學框架表（見表1）。

3 基于STEM理念的單元設計實踐與反思

3.1 基于STEM理念的“物質的動態平衡”教學實施

3.1.1 新課導入

教師展示尿毒癥病人的采訪視頻和相關病例數據報道，提出問題：你了解尿毒癥嗎？如果你是工程師，能否設計人工腎代替人體腎臟完成產生尿液、排出代謝產生的廢物和過多的水分等功能。

設計意圖：逆向設計先明確學習的預期結果——設計人工腎，為達成預期結果限定評價指標，并指明教學設計方向。

3.1.2 初步認識腎臟

教師展示腎臟結構圖并提出問題：腎臟內的三根管腔分別有什么作用？為什么含有廢物的血液進入腎臟后被凈化了？

教師接著展示豬腎臟實物并引導學生觀察腎臟的外形特征。學生觀察到其外形與人體腎臟類似，并且有三根明顯的管腔進出腎臟。教師引導學生用放大鏡觀察管腔及其內容物，并揭曉這三根管腔分別是動脈、靜脈和輸尿管。教師引導學生依據腎臟功能推測其結構特點并繪制內部結構圖。最后教師帶領學生解剖豬腎臟并優化結構圖。

設計意圖：學生通過觀察獲得直觀的體驗，分析討論產生新的問題，進而引發主動學習的意愿，為后續教學開展高效探究活動奠定了堅實基礎。

3.1.3 真實問題驅動——背景知識學習

教師接著提出問題：這樣的結構是否印證了之前的猜想？腎臟具備哪些結構使其能夠高效地凈化血液？教師制作腎實質臨時裝片并指導學生使用顯微鏡進行觀察。

教師展示腎小球和腎小管的結構特點，根據尿檢成分表引導學生分析腎單位結構圖，并歸納得出腎單位是腎臟結構和功能的基本單位。教師進一步引導學生綜合以上信息總結出腎小球的濾過作用，并從中推導出腎小管具有重吸收功能。

設計意圖：教師引導學生進一步尋找證據支持猜想，樹立學生的證據意識，培養科學態度，訓練科學思維。由于腎單位結構比較復雜，需要通過模型加深認知，著重突出核心概念的自主構建。

3.1.4 工程問題解決——初步設計人工腎

教師指導學生設計人工腎代替人體腎臟完成產生尿液、排出代謝產生的廢物。針對這部分教學設計，教師需要提醒學生注意以下幾點：①需要考慮血液溫度變化的影響；②思考如何解決高效過濾代謝廢物的問題；③思考如何解決血液在裝置內流動的動力問題；④思考如何解決高效過濾導致鹽分和糖的流失問題。教師引導學生依據腎臟結構和功能推測初步設計人工腎的主要結構。

設計意圖：教師引導學生依據腎臟結構和功能的關系，從工程學視角解決實際問題，并強調人工腎功能的影響因素，為后續工程學問題的優化完善提供指導方向，從而高效培養學生的探究實踐能力，引發其深度學習，并提升其遷移應用能力。

3.1.5 工程問題迭代——完成設計人工腎

教師提出問題：人工腎缺少腎小管結構，該如何解決鹽分和糖的流失問題？教師展示醫院腎衰竭患者血液凈化時人工腎工作的場景，并引導學生從工程學和技術角度進一步完善人工腎的功能，從跨學科視野解決綜合問題，引發學生的科學思維。

設計意圖：教師引導學生根據“氣體分子從高濃度向低濃度擴散，根毛細胞吸水從低濃度向高濃度”，聯想到從濃度這一因素，思考解決問題的辦法。促進學生的高階思維能力發展，體會跨學科知識的運用。

3.1.6 教學小結

本節課教學設計圍繞核心問題——設計人工腎，體現了思維培養為先的教學理念。

教師通過設置大量的學生活動，旨在培養學生的科學探究、模型構建、科學觀念、科學思維等核心素養，同時通過對未來科技的展望進一步激發學生學習和探索的興趣。

3.2 實踐反思

本教學課例充分將STEM教學理念有機融入到初中生物學教學。教師從單元視角重新設計教學，借助真實情境引出的工程學問題，使學生在解決問題過程中獲得模型構建、概念獲取、知識運用等高階思維能力的不斷鍛煉與提升。在教學設計中，教師以人工腎為核心問題，將人體腎臟的結構和功能的概念教學與人工腎的實踐設計有機結合，有利于學生在知識應用和創造性設計的過程中，實現對知識的整體構建和遷移運用。

4 總結

本文立足于實際教學情境，針對當前教學過程中所面臨的現實問題，提供了詳盡的單元教學策略與設計模型。以STEM教育理念為基礎的單元教學設計，給課堂帶來教和學兩方面的改變：第一，使教學不再拘泥于教材排布，實現“照搬教材”到“使用教材”的實質轉變；第二，使學習更有目的性和意義，充分體現“做中學”“用中學”到“創中學”。實踐課例開發對教師提出更高要求，本文以具體案例作為情境，展示單元教學設計的實踐過程，旨在突破傳統課堂教學的框架，探尋提升學生學科核心素養的教學新模式。

參考文獻

［1］夏莉穎，鐘柏昌.試論STEM教育的兩種取向與四種方法［J］.中小學數字化教學，2018（9）：8-11.

［2］格蘭特·威金斯，杰伊·麥克泰.理解為先模式單元教學設計指南（一）［M］.盛群力譯.福州：福建教育出版社，2018.