?STEM教育在高中生物實驗教學(xué)中的融合應(yīng)用

王惠英

摘? 要 STEM教育強調(diào)以科學(xué)為手段認識自然規(guī)律，然后利用技術(shù)和工程在已知的自然規(guī)律的基礎(chǔ)上控制和改造世界，同時要重視數(shù)學(xué)對技術(shù)和工程活動的指導(dǎo)作用。為了研究STEM教育在高中生物課程教學(xué)中的應(yīng)用效果，開展以“調(diào)配出適宜植物插條生根的生長素濃度”為課題的實驗活動。

關(guān)鍵詞 STEM教育;高中生物;實驗教學(xué);數(shù)學(xué)模型

中圖分類號：G633.91? ? 文獻標識碼：B

文章編號：1671-489X（2019）19-0122-03

1 探究科學(xué)方法：STEM教育模式的前沿性與科學(xué)性

科學(xué)探究是人們對各種自然現(xiàn)象進行探討和研究活動的總稱。一般步驟包括：提出要研究的問題;根據(jù)已有的經(jīng)驗提出關(guān)于問題答案的初步猜測;用實驗來驗證猜測;根據(jù)實驗結(jié)果總結(jié)出確切的結(jié)論。高中生物課程標準對科學(xué)探究進行了總結(jié)，它是指學(xué)生先提出生物學(xué)問題，然后對提出的問題進行討論，記錄下對于問題的初步猜想，再對驗證猜想的實驗進行設(shè)計、實施，最后對實驗結(jié)果進行相應(yīng)的討論和總結(jié)。高考對于學(xué)習(xí)實驗中科學(xué)方法的要求是，學(xué)生能對生物實驗進行初步思考，善于發(fā)現(xiàn)生活中的生物學(xué)問題，并且具備相應(yīng)的動手實踐能力，能夠設(shè)計合適的實驗方案，并且具備一定的分析和總結(jié)能力。

“調(diào)配出適宜植物插條生根的生長素濃度”是高中生物教材中關(guān)于生長素作用這節(jié)內(nèi)容中的實踐課題，也是人教版生物教材中涉及具體實驗的重要課程部分，教材相關(guān)的實驗指導(dǎo)中要求學(xué)生采用三種實驗方法進行生長素濃度對植物插條影響的探究，分別是對比分析法、數(shù)據(jù)分析法以及測試實驗法。這個探究實驗對于學(xué)生理解課程內(nèi)容是十分有幫助的。

此次實驗流程構(gòu)想：將對植物不同部位施以不同濃度的生長素產(chǎn)生的作用效果繪制成一張變化圖表。根據(jù)植物的生長情況變化圖表，先對植物插條需要的合適生長素濃度進行猜測→設(shè)置本實驗變量→準備實驗材料→實驗參與者提出假設(shè)→設(shè)計實驗流程→方案共享與討論，教師指導(dǎo)改進實驗方案→進行測試實驗→正式實施實驗，鼓勵學(xué)生交流實驗中出現(xiàn)的問題，記錄實驗結(jié)果，將實驗數(shù)據(jù)進行匯總分類→要求學(xué)生利用所學(xué)數(shù)學(xué)知識對數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計和研究→學(xué)生間交流實驗心得，發(fā)現(xiàn)實驗過程中的疏漏，采取措施加以彌補。

1）思考并提出生物學(xué)問題。教師先帶領(lǐng)學(xué)生對本節(jié)課程內(nèi)容進行學(xué)習(xí)，使學(xué)生對理論知識有初步的掌握，然后啟發(fā)學(xué)生對植物插條所需生長素濃度這一課題進一步思考，促使學(xué)生提出問題：環(huán)境條件的差異，比如氣溫等，是否會影響植物插條生根？植物插條本身的生長條件（砂土栽培、水中栽培）是否會影響植物插條生根？插條本身的生長周期是否會影響植物插條生根？

2）初步假設(shè)。學(xué)生初步假設(shè)：在植物插條根部的土壤或水分中滴入一定濃度配比的生長素溶液，可以使插條下端的營養(yǎng)物質(zhì)更快滲透吸收，使根部分化速度大大加快。

3）實驗的初步討論。教師鼓勵學(xué)生列舉出實驗中值得思考的問題并進行討論。若是先采取對比分析實驗，如何確定本實驗的變量？可否先對生長素濃度實驗范圍以及不同濃度下插條的生根情況進行預(yù)測？應(yīng)該選取生長周期一年還是兩年的插條？插條生長周期對實驗效果有影響嗎？如果有，是什么樣的影響？要給插條下端創(chuàng)造什么樣的創(chuàng)面，才更有利于營養(yǎng)吸收？每組實驗應(yīng)該選取的插條數(shù)目是多少？如何選定實驗中的兩種變量？設(shè)置清水對照組的目的是什么？怎樣具體對插條的生根情況進行觀察記錄？采用何種變化表？圖表內(nèi)容包括什么？該進行幾次實驗后分析實驗結(jié)果？實驗中可能出現(xiàn)哪些疏漏？是否對實驗結(jié)論有較大影響？先啟發(fā)學(xué)生進行思考，有助于學(xué)生對實驗流程有更完整的把握。

4）設(shè)計實驗計劃。實驗預(yù)計耗時17 d左右，學(xué)生需要提前確定組員，準備好實驗材料，確定實驗時間，并且明確分工。

5）實施實驗計劃。按照之前確定的實驗時間，實驗人員分工協(xié)作，按照設(shè)計好的實驗流程著手開始實驗，并將過程詳細記錄下來。

6）整理實驗結(jié)果。不僅要每天觀察插條生根情況并進行記錄，還要根據(jù)變化圖表分階段進行總結(jié)和分析，然后與實驗前猜想的結(jié)果進行對比，每組實驗結(jié)果之間也要進行對比。

7）小組討論。實驗完成后，給予學(xué)生一定的時間，讓他們對本小組的實驗數(shù)據(jù)與實驗結(jié)果進行匯總整理。各小組對以下幾點實驗內(nèi)容進行記錄和總結(jié)。

①實驗中變化圖表與教材中的變化圖表有何不同？產(chǎn)生這種不同的原因是什么？

②實驗結(jié)果與之前預(yù)計的實驗結(jié)果有哪些不同？造成這種不同可能的原因有哪些？

③生長素濃度對植物插條生根數(shù)和生根速度有何影響？

教師可以利用教室內(nèi)的多媒體設(shè)備讓學(xué)生以小組為單位展示實驗圖表，并對本組的實驗過程進行講解，其他小組可以提出一些疑問，然后相互討論。小組討論可以活躍課堂氛圍，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情，提高他們的協(xié)作能力。

2 實驗技術(shù)性：實驗中STEM教育模式的應(yīng)用

STEM教育主張在科學(xué)理論指導(dǎo)下采取技術(shù)和工程手段進行科學(xué)驗證。學(xué)生開展此次實驗也要求預(yù)先掌握或者在實驗過程中學(xué)習(xí)實驗技能，比如認識和學(xué)會使用一些科學(xué)實驗工具，用量杯、滴管調(diào)配生長素溶液，確定溶液的濃度配比，設(shè)計實驗變化表并繪制，給植物插條制造大小相似的創(chuàng)面等。學(xué)生在本次實驗中不僅鍛煉了實驗?zāi)芰Γ覍茖W(xué)實驗的完成過程有了進一步的認識，增強了課堂的趣味性。

實驗具體操作? 學(xué)生先熟悉量杯和膠頭滴管這些實驗工具的使用方法，然后對小刀消毒，每個實驗小組選取數(shù)目相同的植物插條，幾人協(xié)作用小刀將每根插條下端削出長度2.5 cm的創(chuàng)面，斜度約為24°;制作不同濃度的生長素溶液，按順序排列好。

1）用膠頭滴管吸取生長素溶液，先用兩根手指捏住膠頭滴管的膠帽，保持膠管豎直，滴管末端部分浸入溶液，快速放松捏著膠帽的手指，完成吸取溶液。

2）將滴管末端對準量杯，再次捏住膠帽，液體滴入量杯內(nèi)。

3）把量杯內(nèi)的液體緩慢地倒入實驗用的試劑瓶內(nèi)，若是試劑瓶內(nèi)液體量與預(yù)計有偏差，則用膠頭滴管進行調(diào)整。

以上過程需要教師先對學(xué)生進行演示，再讓學(xué)生練習(xí)，確定學(xué)生掌握這些基本操作之后，方可允許學(xué)生進行實驗。演示過程中可以讓學(xué)生思考一些操作細節(jié)的作用，學(xué)生只有了解基本的實驗操作手法和工具使用方法，才能對科學(xué)實驗產(chǎn)生更多好奇。

創(chuàng)新部分? 引發(fā)學(xué)生對實驗進行思考，看看實驗中有哪些部分可以進行創(chuàng)新。比如：

1）不用植物插條而選用一些芽苗菜作為實驗對象，會有怎樣的效果？

2）植物插條不選用單一品種，使用其他品種，比如楊柳插條、葡萄科的方莖青紫葛等，又會有什么樣的實驗效果呢？

3）可不可以改變植物插條的生長環(huán)境，改水中培育為砂土培育呢？

4）要是用不同種類的生長素溶液進行培植，效果又會有什么不同？

學(xué)生總結(jié)出以上可創(chuàng)新點，反復(fù)進行實驗，最終在本市的少年科學(xué)成果研究賽上斬獲優(yōu)秀獎，在取得榮譽的同時，也養(yǎng)成了提出創(chuàng)新型疑問的思維習(xí)慣。

3 實驗數(shù)學(xué)性：STEM教育的數(shù)學(xué)應(yīng)用

生物實驗的數(shù)據(jù)必須運用數(shù)學(xué)知識進行統(tǒng)計匯總，還需要借助數(shù)學(xué)運算方法和圖表進行表達。STEM教育中的數(shù)學(xué)知識應(yīng)用就旨在為前期的科學(xué)理論和實際操作過程服務(wù)。在生物教學(xué)中要牢牢把握這一點，鼓勵學(xué)生使用和學(xué)習(xí)數(shù)學(xué)模型進行實驗。

數(shù)學(xué)知識? 學(xué)生在這次實驗中要學(xué)會在實驗過程中靈活運用數(shù)學(xué)知識，比如在做出有關(guān)植物插條生根最適宜生長液濃度的猜想之后進行實驗，然后用數(shù)學(xué)圖表按照時間記錄實驗對象的變化?？梢允褂们€圖，一方面，數(shù)據(jù)的對比直觀;另一方面能看出實驗體的整體變化趨勢。

數(shù)學(xué)假設(shè)? 數(shù)學(xué)假設(shè)的內(nèi)容需要根據(jù)選擇探究的實驗部分來決定，探究的實驗內(nèi)容不同，所做的數(shù)學(xué)假設(shè)也就不同。本次實驗的數(shù)學(xué)假設(shè)為：生長素濃度對植物插條生根的影響。

具體應(yīng)用? 學(xué)生先將之前每天記錄的結(jié)果匯總在一起，然后使用合適的數(shù)學(xué)圖表。為表現(xiàn)每個實驗體在相同時期內(nèi)的生根情況，可以繪制有關(guān)多個同時期不同實驗體的曲線圖，教師先讓學(xué)生在小組內(nèi)部進行討論，然后讓學(xué)生以小組為單位匯報實驗數(shù)據(jù)，對于小組內(nèi)產(chǎn)生的數(shù)學(xué)應(yīng)用方面的疑問，應(yīng)及時給予解答。

檢驗和修正? 在實驗中應(yīng)用數(shù)學(xué)知識和數(shù)學(xué)圖表來記錄實驗數(shù)據(jù)和表現(xiàn)實驗成果，在此過程中可能會出現(xiàn)一些失誤現(xiàn)象，這就需要在實驗過后再次檢驗實驗中應(yīng)用的數(shù)學(xué)模型，以及檢查之前每個時間段內(nèi)實驗數(shù)據(jù)記錄有無錯漏。實驗小組之間可以進行實驗圖表的對比，對于一些差異較大的實驗數(shù)據(jù)進行分析，是否本小組的實驗過程或者數(shù)據(jù)收集某個環(huán)節(jié)出了問題。教師還可以鼓勵學(xué)生思考不同生長周期、不同溫度環(huán)境運用的數(shù)學(xué)模型是否應(yīng)該一樣，不一樣的話，各自該采取何種數(shù)學(xué)模型？數(shù)學(xué)圖表的選擇應(yīng)遵循什么原則？

生物學(xué)習(xí)過程中要使學(xué)生意識到跨學(xué)科的結(jié)合和知識的融合，將為學(xué)習(xí)過程帶來更多的便捷;而且數(shù)據(jù)的記錄和表現(xiàn)不止可以使用一種數(shù)學(xué)模型，要根據(jù)探究內(nèi)容進行選擇。

4 生物學(xué)規(guī)律現(xiàn)象：STEM教育的工程部分

針對高中生物學(xué)習(xí)，STEM教育的工程部分具體就是讓學(xué)生運用生物學(xué)理論以及既有規(guī)律進行操作實踐，學(xué)習(xí)基本的生物實驗工具使用方法以及實驗方法。

1）運用生物學(xué)知識探求答案。學(xué)生根據(jù)習(xí)得的生物學(xué)知識對教師列舉的一些生物學(xué)現(xiàn)象進行解釋并給出答案。

2）與日常生活相聯(lián)系。在本次學(xué)習(xí)后，學(xué)生在教師的引導(dǎo)下對日常生活中類似的生物學(xué)現(xiàn)象進行思考，如：盆栽的培植;不同植物插穗的選取和處理;一些不易產(chǎn)生果實的植物，該用何種濃度的生長素促進果實發(fā)育;林木的前期栽培。

5 結(jié)語

在教學(xué)生物學(xué)過程中應(yīng)用STEM教育模式，在既有的生物學(xué)理論和規(guī)律指導(dǎo)下進行生物學(xué)實驗，并且在過程中運用數(shù)學(xué)知識記錄和表達實驗數(shù)據(jù)，有利于激發(fā)學(xué)生的探索熱情，使他們意識到跨學(xué)科學(xué)習(xí)的益處，并且有助于培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新型思維習(xí)慣，為以后的學(xué)習(xí)提供更多進步的空間。

參考文獻

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