基于STEM教育理念的高中生物學(xué)教學(xué)實踐研究

[中圖分類號] G633.91 [文獻標(biāo)識碼] A[文章編號] 1674-6058（2025）26-0070-04

STEM是科學(xué)（Science）技術(shù)（Technology）、工程（Engineering）數(shù)學(xué)（Mathematics）四個英文單詞的首字母縮寫。STEM教育理念以問題為導(dǎo)向，強調(diào)將科學(xué)、技術(shù)、工程與數(shù)學(xué)多學(xué)科有機融合，注重通過跨學(xué)科實踐學(xué)習(xí)培養(yǎng)學(xué)生的綜合能力[1]。傳統(tǒng)高中生物學(xué)教學(xué)多側(cè)重于知識傳授，對學(xué)生綜合能力的培養(yǎng)相對薄弱。在STEM教育理念的指引下，學(xué)生需整合跨學(xué)科知識與技能以解決現(xiàn)實中的復(fù)雜問題，這種學(xué)習(xí)模式有助于學(xué)生構(gòu)建全面且系統(tǒng)的知識體系。同時，借助STEM教育，學(xué)生能夠逐步提升解決復(fù)雜問題的能力、創(chuàng)新實踐能力，并培養(yǎng)批判性思維。

一、高中生物學(xué)教學(xué)與STEM教育理念融合的契機

《普通高中生物學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版2020年修訂）》指出，生物學(xué)課程要求學(xué)生主動地參與學(xué)習(xí)，在親歷提出問題、獲取信息、尋找證據(jù)、檢驗假設(shè)、發(fā)現(xiàn)規(guī)律等過程中習(xí)得生物學(xué)知識，養(yǎng)成科學(xué)思維習(xí)慣，形成積極的科學(xué)態(tài)度，發(fā)展終身學(xué)習(xí)及創(chuàng)新實踐能力[2]。這一要求與STEM教育理念高度契合，為高中生物學(xué)教學(xué)與STEM教育理念的融合提供了明確的依據(jù)。

從學(xué)科屬性來看，生物學(xué)內(nèi)容涵蓋廣泛，不僅與化學(xué)、物理等自然科學(xué)緊密關(guān)聯(lián)，還與數(shù)學(xué)、信息技術(shù)等學(xué)科深度交叉，這與STEM教育強調(diào)的跨學(xué)科整合理念不謀而合；從學(xué)科特質(zhì)來看，生物學(xué)是一門注重實踐的學(xué)科，其諸多概念與原理需通過實驗驗證和具象化理解，這與STEM教育倡導(dǎo)的“實踐中學(xué)習(xí)\"理念一脈相承。

“探究酵母菌細(xì)胞呼吸的方式”作為細(xì)胞呼吸原理及應(yīng)用學(xué)習(xí)的核心內(nèi)容，既與細(xì)胞內(nèi)物質(zhì)和能量的變化直接相關(guān)，又緊密聯(lián)系生產(chǎn)生活實際，是融合STEM教育理念的理想載體。一方面，該內(nèi)容的實踐性與STEM教育的實踐導(dǎo)向高度契合，如通過設(shè)置有氧與無氧條件下的探究實驗，可引導(dǎo)學(xué)生親歷科學(xué)探究全過程，助力科學(xué)思維、科學(xué)探究等學(xué)科核心素養(yǎng)的培育；另一方面，該內(nèi)容是跨學(xué)科整合的典型范例，探究過程中需運用化學(xué)知識檢測細(xì)胞呼吸產(chǎn)物、運用物理知識分析能量轉(zhuǎn)化、運用數(shù)學(xué)知識處理實驗數(shù)據(jù)等（具體內(nèi)容見表1）。這種多學(xué)科知識的綜合應(yīng)用正是STEM教育所強調(diào)的，旨在培養(yǎng)學(xué)生的真實問題解決能力。

表1本項目涉及的跨學(xué)科內(nèi)容明細(xì)

二、STEM教育理念下的高中生物學(xué)教學(xué)實踐

下面以人教版（2019年版）高中生物學(xué)必修1第五章第三節(jié)中的\"探究酵母菌細(xì)胞呼吸的方式”為例，探尋融合STEM教育理念的教學(xué)實踐策略。

（一）教學(xué)要素分析

酵母菌細(xì)胞呼吸方式的探究不僅涵蓋核心生物學(xué)知識，還與化學(xué)、物理、數(shù)學(xué)等多學(xué)科知識緊密關(guān)聯(lián)。教學(xué)中融入化學(xué)知識，可幫助學(xué)生深度理解酶促反應(yīng)機理；滲透物理知識，有助于學(xué)生把握細(xì)胞呼吸中的物質(zhì)變化與能量守恒規(guī)律，進而強化物質(zhì)與能量觀；運用數(shù)學(xué)知識（如通過坐標(biāo)曲線圖描述呼吸速率與環(huán)境因素的關(guān)系、采用統(tǒng)計方法分析實驗數(shù)據(jù)），能夠培養(yǎng)學(xué)生對生物學(xué)問題的定量分析能力。

在教育價值層面，本節(jié)課程以酵母菌細(xì)胞呼吸方式的探究為載體，深度踐行STEM教育理念，引導(dǎo)學(xué)生關(guān)注生物科學(xué)、技術(shù)、社會與環(huán)境的內(nèi)在聯(lián)系。通過探究酵母菌細(xì)胞呼吸的機理，學(xué)生能夠?qū)崿F(xiàn)知識與生活實際的聯(lián)結(jié)，提升實踐創(chuàng)新能力，掌握真實情境下復(fù)雜問題的解決方法，并增強對社會事務(wù)的關(guān)注和參與意識。

（二）教學(xué)實施過程

基于上述教學(xué)要素分析，現(xiàn)將融合STEM教育理念的高中生物學(xué)教學(xué)實施路徑總結(jié)如下（如圖1）。

1.開展研究性學(xué)習(xí)活動

國務(wù)院辦公廳印發(fā)的《關(guān)于新時代推進普通高中育人方式改革的指導(dǎo)意見》明確提出，要拓寬綜合實踐渠道，充分發(fā)揮科研機構(gòu)、現(xiàn)代企業(yè)等資源的重要育人作用，帶領(lǐng)學(xué)生深人生產(chǎn)生活一線參觀學(xué)習(xí)[3]。基于此，教師設(shè)計了研究性學(xué)習(xí)導(dǎo)學(xué)單，課前組織學(xué)生前往當(dāng)?shù)鼐茝S進行參觀：在發(fā)酵車間，邀請發(fā)酵工程師講解釀酒原理以及菌種培養(yǎng)、發(fā)酵條件控制等核心流程，介紹發(fā)酵設(shè)備的工作原理和應(yīng)用技術(shù)，幫助學(xué)生直觀認(rèn)識實際生產(chǎn)中的發(fā)酵工藝；在質(zhì)檢車間，了解酒質(zhì)檢測指標(biāo)與方法，使學(xué)生認(rèn)識到科學(xué)技術(shù)在產(chǎn)品質(zhì)量控制中的重要性。通過該研究性學(xué)習(xí)活動，學(xué)生得以將課本理論與生產(chǎn)實踐相結(jié)合，拓寬視野，提升實踐應(yīng)用能力。

設(shè)計意圖：通過開展研究性學(xué)習(xí)活動，實現(xiàn)理論知識與生產(chǎn)實踐的深度融合，從而強化學(xué)生對知識的理解與掌握。

2.創(chuàng)設(shè)情境，提出問題

有效的教學(xué)情境是連接學(xué)生新舊知識的重要紐帶，能夠引導(dǎo)學(xué)生主動探索并發(fā)現(xiàn)生物學(xué)相關(guān)實際問題，進而促進生物學(xué)觀念的提煉和引發(fā)深度思考。我國酒文化源遠流長，品類眾多的酒不僅豐富了人們的飲食生活，更蘊含著豐富的生物學(xué)原理。為激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和探究欲望，課堂教學(xué)中，教師創(chuàng)設(shè)酒文化相關(guān)教學(xué)情境并提出問題：“日常生活中，人們常品嘗到各式美酒。釀酒時需將谷物與酵母菌裝入發(fā)酵罐后蓋嚴(yán)，此過程中酵母菌進行的是有氧呼吸還是無氧呼吸？其呼吸產(chǎn)物是什么？”

設(shè)計意圖：釀酒情境緊扣生物學(xué)核心知識，且與學(xué)生日常生活經(jīng)驗密切相關(guān)，可有效激發(fā)學(xué)生的好奇心與求知欲。

3.開展實驗，獲取證據(jù)

教師指導(dǎo)學(xué)生開展酵母菌細(xì)胞呼吸方式探究實驗時，首先介紹實驗原理：酵母菌作為單細(xì)胞真菌，在有氧與無氧條件下均能生存，是研究細(xì)胞不同呼吸方式的理想材料[4]。隨后，引導(dǎo)學(xué)生基于前述問題構(gòu)建假設(shè)：酵母菌在有氧和無氧條件下均可進行細(xì)胞呼吸，且可能產(chǎn)生 CO₂ 、酒精等代謝產(chǎn)物。接著，提供實驗器材與試劑，引導(dǎo)學(xué)生結(jié)合酒廠研學(xué)經(jīng)驗，以小組為單位合作設(shè)計實驗裝置，探究酵母菌有氧呼吸與無氧呼吸過程并驗證假設(shè)

為深化學(xué)生思考，教師還提出了系列導(dǎo)向性問題：如何控制實驗中的有氧與無氧條件？如何驗證產(chǎn)物中是否含有 CO₂ ？如何確認(rèn)產(chǎn)物中是否含有酒精？如何比較 CO₂ 與酒精的產(chǎn)生量？ 10% NaOH溶液的作用是什么？如何檢測空氣中的 CO₂ 是否除凈？如何維持實驗過程中酵母菌的高活性？學(xué)生通過分組討論明確思路后，設(shè)計實驗裝置并展示設(shè)計成果，闡述自變量（有氧/無氧條件）的控制方法及因變量（酒精有無、 CO₂ 量）的檢測方案。

實驗實施階段，要求小組明確分工（如專人負(fù)責(zé)有氧/無氧呼吸裝置的組裝與操作、專人負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)記錄）以提升效率。教師全程巡視指導(dǎo)，引導(dǎo)學(xué)生按表2如實記錄實驗結(jié)果。

表2“探究酵母菌細(xì)胞呼吸的方式\"實驗結(jié)果記錄表

設(shè)計意圖：本環(huán)節(jié)強調(diào)實驗設(shè)計的科學(xué)性與嚴(yán)謹(jǐn)性，學(xué)生需綜合運用生物學(xué)知識、物理與化學(xué)原理搭建實驗裝置，并借助數(shù)學(xué)方法處理分析數(shù)據(jù)。通過該環(huán)節(jié)，學(xué)生可實現(xiàn)多學(xué)科知識的融合應(yīng)用，提升真實問題的解決能力。

4.分析結(jié)果，建構(gòu)概念

教師組織各小組交流實驗結(jié)果，并針對實驗中出現(xiàn)的異常現(xiàn)象進行分析。例如，使用酸性重鉻酸鉀檢測酒精時，有氧呼吸裝置的培養(yǎng)液也出現(xiàn)了灰綠色，教師隨即引導(dǎo)學(xué)生探討潛在原因：一是有氧呼吸裝置于實驗期間氧氣供應(yīng)不足，導(dǎo)致部分酵母菌轉(zhuǎn)向無氧呼吸并產(chǎn)生少量酒精；二是酵母菌培養(yǎng)液中的葡萄糖作為還原劑，可能與重鉻酸鉀發(fā)生了氧化反應(yīng)，從而出現(xiàn)了與酒精反應(yīng)相似的顏色變化

在實驗結(jié)果分析的基礎(chǔ)上，教師引導(dǎo)學(xué)生建構(gòu)細(xì)胞呼吸概念，并將此概念遷移拓展至動物、植物細(xì)胞：盡管不同細(xì)胞的呼吸產(chǎn)物存在差異，但細(xì)胞呼吸的本質(zhì)均為分解有機物釋放能量，是細(xì)胞生命活動的動力來源。由此歸納得出：細(xì)胞呼吸是指有機物在細(xì)胞內(nèi)經(jīng)過一系列的氧化分解，生成二氧化碳或其他產(chǎn)物，釋放能量并合成ATP的過程[5]

設(shè)計意圖：通過對實驗結(jié)果進行分析與拓展遷移，幫助學(xué)生理解細(xì)胞呼吸原理，把握其本質(zhì)特征，進而自主建構(gòu)細(xì)胞呼吸概念。

5.建構(gòu)模型，解決問題

學(xué)生掌握探究酵母菌細(xì)胞呼吸方式的實驗裝置，是理解細(xì)胞呼吸速率測定原理及細(xì)胞呼吸類型判斷方法的基礎(chǔ)。教學(xué)中，教師以學(xué)生設(shè)計的探究酵母菌細(xì)胞呼吸方式裝置（如圖2）為依托，巧妙設(shè)問：“該裝置能否用于細(xì)胞呼吸速率的定量測定？”通過這一問題的自然過渡，引導(dǎo)學(xué)生進人細(xì)胞呼吸速率測定與呼吸類型判斷裝置（如圖3）的學(xué)習(xí)環(huán)節(jié)。

圖3細(xì)胞呼吸速率測定和呼吸類型判斷裝置

在整個實驗過程中，除需嚴(yán)格控制溫度外，還需精準(zhǔn)調(diào)控氧氣濃度。這表明溫度與氧氣濃度均對酵母菌細(xì)胞呼吸速率存在顯著影響。據(jù)此，教師提出問題：“溫度和氧氣濃度是如何分別影響酵母菌細(xì)胞呼吸的？請用數(shù)學(xué)坐標(biāo)圖表示。”隨后組織學(xué)生以小組為單位合作討論，完成任務(wù)，并進行成果交流展示。

圖4溫度對細(xì)胞呼吸速率的影響

圖5 O₂ 濃度對細(xì)胞呼吸速率的影響

通過對圖4、圖5所示數(shù)學(xué)模型的建構(gòu)與分析，學(xué)生可清晰認(rèn)識溫度、氧氣濃度等環(huán)境因素對細(xì)胞呼吸的作用規(guī)律。在此基礎(chǔ)上，教師進一步引導(dǎo)學(xué)生思考：“本節(jié)課知識對生活中瓜果、蔬菜、種子的貯藏有何啟示？”

設(shè)計意圖：通過模型建構(gòu)與分析，幫助學(xué)生直觀理解細(xì)胞呼吸與環(huán)境因素的關(guān)系，將抽象復(fù)雜的生物學(xué)問題具體化、模型化，進而培養(yǎng)學(xué)生的抽象思維能力。這一設(shè)計亦是STEM教育理念在教學(xué)中的具體落地，體現(xiàn)了通過跨學(xué)科方法解決生物學(xué)問題的核心要求。

6.教學(xué)評價分析

從過程評價維度分析，學(xué)生在教學(xué)全過程中參與度較高，能積極投身科學(xué)原理、技術(shù)應(yīng)用、工程設(shè)計及數(shù)學(xué)分析等跨學(xué)科問題的討論。他們不僅對酵母菌細(xì)胞呼吸方式的實驗探究展現(xiàn)出濃厚興趣，還圍繞細(xì)胞呼吸在生產(chǎn)生活中的實踐應(yīng)用展開深度思考，且能主動應(yīng)對實驗設(shè)計與操作、結(jié)果分析、概念建構(gòu)及模型搭建等環(huán)節(jié)中的學(xué)習(xí)挑戰(zhàn)。

從結(jié)果評價維度分析，本節(jié)課緊扣學(xué)生認(rèn)知邏輯組織教學(xué)內(nèi)容，巧妙地將學(xué)科知識與學(xué)生已有經(jīng)驗、生產(chǎn)生活實踐相融合。教師精心創(chuàng)設(shè)的教學(xué)情境，使知識習(xí)得過程自然流暢、循序漸進。通過該教學(xué)過程的實施，學(xué)生解決復(fù)雜問題的能力得到有效提升，生物學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)得到發(fā)展。

三、STEM教育理念應(yīng)用的教學(xué)反思

在“探究酵母菌細(xì)胞呼吸的方式\"實驗教學(xué)中，STEM教育理念得到充分踐行，其教學(xué)價值與實踐意義顯著。

（一）STEM教育理念有利于提升學(xué)生學(xué)科核心素養(yǎng)

通過融合STEM教育理念的教學(xué)實踐，學(xué)生不僅能直觀理解酵母菌細(xì)胞呼吸的生物學(xué)原理，還能在研學(xué)實踐與動手實驗中錘煉科學(xué)探究能力，如觀察、記錄、分析等能力；通過物理模型構(gòu)建、數(shù)學(xué)建模等活動強化科學(xué)思維；通過關(guān)聯(lián)生產(chǎn)實踐、解決工程應(yīng)用問題深化社會責(zé)任意識，從而全面落實生物學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)培養(yǎng)目標(biāo)。同時，借助跨學(xué)科知識的綜合運用解決復(fù)雜問題，既能提高學(xué)生的問題解決能力，又能促進其創(chuàng)新能力與批判性思維的發(fā)展。

（二）STEM教育理念有利于促進教師專業(yè)發(fā)展

教師在設(shè)計與實施本實驗時，需深度掌握酵母菌細(xì)胞呼吸的科學(xué)原理，引導(dǎo)學(xué)生運用化學(xué)方法檢測 CO₂ 與酒精等產(chǎn)物，通過比色法比較產(chǎn)物含量，甚至指導(dǎo)學(xué)生利用傳感器開展定量檢測；還需結(jié)合STEM教育理念創(chuàng)設(shè)貼近學(xué)生生活的教學(xué)情境，運用工程思維引導(dǎo)學(xué)生解決生產(chǎn)實際問題。STEM教育理念的落地要求教師具備跨學(xué)科知識與能力，這促使教師不斷更新知識結(jié)構(gòu)，提升教學(xué)設(shè)計與實施水平，進而推動自身專業(yè)素養(yǎng)的持續(xù)發(fā)展。

［參考文獻］

[1」鄭運暢.STEM教育理念在高中生物實驗教學(xué)中的應(yīng)用策略探討[J].高考，2024（18）：67-69.

[2]中華人民共和國教育部.普通高中生物學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)：2017年版2020年修訂[M].北京：人民教育出版社，2020.

[3］中華人民共和國中央人民政府.國務(wù)院辦公廳關(guān)于新時代推進普通高中育人方式改革的指導(dǎo)意見[EB/OL].（2019-06-11） [2025-01-25].https：//www.gov.cn/gongbao/content/2019/content_5404151.htm.

[4]竇向梅.“探究酵母菌細(xì)胞呼吸的方式”的實驗教學(xué)組織[J].生物學(xué)通報，2011，46（3）：20-23.

[5]朱正威，趙占良.普通高中教科書生物學(xué)必修1分子與細(xì)胞M].北京：人民教育出版社，2019.

（責(zé)任編輯 羅艷）