內(nèi)蒙古科技大學(xué)包頭師范學(xué)院 趙 艷 高 穎 劉雅萍*

目前，我國的初中生物課堂普遍存在一些問題，主要表現(xiàn)為以教師教授知識(shí)為主，學(xué)生過分被動(dòng)；蘊(yùn)含在生物學(xué)科中的理性思維、探究等科學(xué)方法沒有得到學(xué)生的重視等等。在這樣的環(huán)境下，學(xué)生學(xué)習(xí)的主動(dòng)性很難發(fā)揮出來，思維沒有得到很好的拓展延伸。為解決這些教學(xué)問題，我國引入STEM教育，并將其應(yīng)用于生物教學(xué)中。STEM教育是有機(jī)融合了Science（科學(xué)）、Technology（技術(shù)）、Engineering（工程）和Mathematics（數(shù)學(xué)）四門課程的綜合性教育。在此過程中，學(xué)生需要運(yùn)用平時(shí)學(xué)到的多門學(xué)科的知識(shí)，自己動(dòng)手操作。學(xué)生不僅可以獲得科學(xué)知識(shí)，還可以習(xí)得工程設(shè)計(jì)以及一些技術(shù)的操作方法，以此提高學(xué)生各方面的綜合素質(zhì)。

一、緒論

（一）研究綜述

自STEM教育被提出以后，很多國家紛紛開展了STEM教育。各個(gè)國家開展STEM教育的初衷都是為了國家的發(fā)展，但在具體落實(shí)STEM教育的過程中，各國又結(jié)合自身的實(shí)際情況采取了不同的政策與措施。例如，英國在STEM教育中加大了資金的投入，以便更多的學(xué)生可以參與其中。同時(shí)為了使學(xué)生熱衷于STEM教育的學(xué)習(xí)，政府特別鼓勵(lì)開發(fā)STEM活動(dòng)和項(xiàng)目。1998年，日本由于實(shí)施了“寬松教育”政策，學(xué)生學(xué)業(yè)成績(jī)有些下滑。因此，日本加強(qiáng)了STEM教育。芬蘭是一個(gè)特別具有創(chuàng)新精神的國家。20世紀(jì)90年代，芬蘭提出了LUMA（芬蘭語自然學(xué)科和數(shù)學(xué)的縮寫）項(xiàng)目。這個(gè)計(jì)劃的目的是促進(jìn)國家科學(xué)教育水平的發(fā)展，主要通過改進(jìn)傳統(tǒng)教學(xué)實(shí)踐的方式來提高學(xué)生對(duì)創(chuàng)新和技術(shù)的興趣。

我國對(duì)于STEM教育的研究相對(duì)來說開始得晚一些，但發(fā)展速度比較快，研究成果非常具有實(shí)用價(jià)值。我國學(xué)者朱學(xué)彥、楊明全等人分別在不同時(shí)期對(duì)STEM教育進(jìn)行了研究。朱學(xué)彥等闡述了STEM戰(zhàn)略在美國的發(fā)展和組織保障，由此認(rèn)為STEM教育可以促進(jìn)科技人力的發(fā)展。2011年，楊明全介紹和分析了二戰(zhàn)后美國重要的教育改革。最近的一次并且比較重大的教育改革就是STEM教育。該文章詳細(xì)闡述了當(dāng)前美國中小學(xué)STEM教育體系，對(duì)中國小學(xué)科學(xué)教育啟發(fā)很大。

綜上，美國、英國等西方發(fā)達(dá)國家對(duì)STEM教育的研究比較超前并且均強(qiáng)調(diào)發(fā)揮學(xué)生的主體性，有利于培養(yǎng)創(chuàng)新型人才。從STEM教育引入中國至今，我國對(duì)于STEM教育的研究?jī)?nèi)容比較多，但大多數(shù)比較寬泛，不夠深入聚焦，在教學(xué)設(shè)計(jì)方面的內(nèi)容比較薄弱。因此，我們要繼續(xù)深入研究STEM教育，使其形成一個(gè)完整的體系。

（二）研究目的及意義

本研究旨在通過梳理國內(nèi)外STEM教育文獻(xiàn)，結(jié)合初中生物學(xué)教材，進(jìn)行基于STEM教育理念的初中生物課程的設(shè)計(jì)，希望能夠有效地促進(jìn)STEM教育理念與初中生物課程的融合，并針對(duì)所設(shè)計(jì)的課程進(jìn)行實(shí)踐研究，提升學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，同時(shí)也期望此研究能夠有助于初中生物教師做好以STEM教育為核心的課程設(shè)計(jì)，進(jìn)一步貼近新課改所提倡的“核心素養(yǎng)”這一主題。

本研究利用課程論、教育學(xué)原理與教育心理學(xué)的相關(guān)原理，呈現(xiàn)了完整的STEM教育理念下初中生物課程的設(shè)計(jì)與實(shí)施方案。通過該課程的實(shí)施，提高了學(xué)生的STEM素養(yǎng)水平，增加了學(xué)生對(duì)生物學(xué)科的學(xué)習(xí)興趣。教師通過對(duì)課程理論的學(xué)習(xí)、教學(xué)內(nèi)容的編寫與組織，增加了專業(yè)素養(yǎng)，提高了課程理論水平，鍛煉了教學(xué)能力。

（三）研究方法

本研究采用文獻(xiàn)研究法、案例分析法和問卷調(diào)查法。通過查閱有關(guān)文獻(xiàn)，了解STEM教育的研究現(xiàn)狀，熟悉STEM教育的教學(xué)模式，結(jié)合實(shí)習(xí)學(xué)校的實(shí)際情況，有機(jī)融入STEM教育理念進(jìn)行教學(xué)設(shè)計(jì)，并將其實(shí)施。課后收集學(xué)生的學(xué)習(xí)心得獲得課程反饋，反饋內(nèi)容主要包括對(duì)開展STEM課程的體驗(yàn)。

二、理論基礎(chǔ)

（一）建構(gòu)主義理論

建構(gòu)主義認(rèn)為，學(xué)生在學(xué)習(xí)新知識(shí)前，就已經(jīng)具備了一些經(jīng)驗(yàn)，教師要在此基礎(chǔ)上，找到新舊知識(shí)的連接點(diǎn)，從而幫助學(xué)生建構(gòu)出新的知識(shí)。建構(gòu)主義的學(xué)生觀強(qiáng)調(diào)學(xué)生在日常學(xué)習(xí)生活中已經(jīng)形成了豐富的經(jīng)驗(yàn)，因此教師在備課時(shí)，特別是在學(xué)情分析方面，一是要找到學(xué)生原有知識(shí)經(jīng)驗(yàn)中有利于教學(xué)的內(nèi)容，并將它充分利用起來；二是要糾正學(xué)生原有經(jīng)驗(yàn)中的一些不正確的認(rèn)識(shí)，以便學(xué)生順利且準(zhǔn)確地對(duì)新知識(shí)進(jìn)行建構(gòu)。教學(xué)活動(dòng)的設(shè)計(jì)應(yīng)該是相互聯(lián)系的，不浪費(fèi)學(xué)生有效學(xué)習(xí)的每一分鐘。

（二）探究學(xué)習(xí)理論

探究性學(xué)習(xí)是一種通過探究來引導(dǎo)學(xué)生獲得真正的知識(shí)和人格發(fā)展的教育。探究性學(xué)習(xí)無固定的教學(xué)模式，總的來說，就是分三步：明確問題、深入探究、得出結(jié)論。探究學(xué)習(xí)的過程需要學(xué)生主動(dòng)地參與其中，在動(dòng)手操作的過程中獲得科學(xué)知識(shí)，這些知識(shí)是認(rèn)識(shí)自然的基礎(chǔ)，有了良好的基礎(chǔ)，學(xué)生就更有興趣更積極地對(duì)未知世界進(jìn)行探索。

三、基于STEM教育理念的初中生物教學(xué)案例設(shè)計(jì)與實(shí)踐

（一）課程目標(biāo)的分析與確立

撰寫基于STEM教育理念的初中生物教學(xué)案例的課程目標(biāo)時(shí)，筆者參照了我國《義務(wù)教育生物學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2011年版）》的要求。

根據(jù)要培養(yǎng)的學(xué)生的綜合素養(yǎng)，結(jié)合人教版生物學(xué)八年級(jí)下冊(cè)第七單元第二章第四節(jié)的具體內(nèi)容制定三維教學(xué)目標(biāo)。具體目標(biāo)如下。

1.知識(shí)目標(biāo)：（1）通過觀察男、女成對(duì)染色體排序圖，能夠辨別性染色體；（2）通過制作染色體模型，描述染色體、DNA和基因的關(guān)系；（3）通過實(shí)施模擬實(shí)驗(yàn)，闡明生男生女機(jī)會(huì)均等的原因。

2.能力目標(biāo)：（1）通過區(qū)分X、Y染色體，能夠正確書寫遺傳圖解；（2）通過參與模擬實(shí)驗(yàn)，發(fā)展合作和交流的精神；（3）通過計(jì)算性別比，鍛煉計(jì)算能力。

3.情感與價(jià)值目標(biāo)：（1）通過學(xué)習(xí)人的性別取決于哪種類型的精子與卵細(xì)胞結(jié)合，用科學(xué)的態(tài)度看待生育的問題，摒棄重男輕女的不良風(fēng)氣；（2）通過聯(lián)系性別比例失調(diào)的潛在危害，理解國家制定相關(guān)政策的原因，認(rèn)同國家相關(guān)規(guī)定。

（二）課程內(nèi)容的選擇與組織

在人教版生物學(xué)八年級(jí)下冊(cè)第七單元和第八單元中，利用STEM要素分析，對(duì)生物學(xué)內(nèi)容進(jìn)行選擇，結(jié)合內(nèi)容選擇與組織的科學(xué)性、邏輯性原則，最后決定本研究采用第七單元第二章第四節(jié)“人的性別遺傳”的內(nèi)容。性別是一種特殊的性狀，學(xué)生對(duì)此有一種神秘感，由此產(chǎn)生強(qiáng)烈的好奇心，并且具有濃厚興趣。本節(jié)內(nèi)容可以滿足學(xué)生對(duì)于性別決定和性別遺傳知識(shí)的需求。生命延續(xù)的奧秘就是親子代間遺傳信息的傳遞。遺傳信息在傳遞的過程中會(huì)發(fā)生復(fù)雜的變化，使親子代之間產(chǎn)生一些差異，致使物種在穩(wěn)定的基礎(chǔ)上進(jìn)化。

（三）課程活動(dòng)的設(shè)計(jì)

為了將STEM教育的各個(gè)元素與教材內(nèi)容有機(jī)結(jié)合，設(shè)計(jì)了三個(gè)教學(xué)環(huán)節(jié)。第一個(gè)教學(xué)環(huán)節(jié)是在男女染色體的差別板塊設(shè)計(jì)了制作染色體模型的活動(dòng)。制作染色體模型所用到的材料是超輕黏土?；顒?dòng)的要求是學(xué)生小組合作，制作出來的染色體模型要能夠正確反映基因、DNA、染色體之間的關(guān)系。這部分內(nèi)容雖然簡(jiǎn)單，但是由于染色體的微觀性，學(xué)生不能直觀地理解三者之間的關(guān)系，往往靠死記硬背記住三者之間的關(guān)系。因此，本研究設(shè)計(jì)了“制作染色體模型”作為第一個(gè)科學(xué)活動(dòng)，通過制作染色體模型將微觀的染色體結(jié)構(gòu)具體地表現(xiàn)出來，將復(fù)雜的知識(shí)簡(jiǎn)單化，同時(shí)學(xué)生通過對(duì)這一問題的思考，深化了對(duì)染色體結(jié)構(gòu)的認(rèn)識(shí)。這個(gè)科學(xué)活動(dòng)是以制作模型為任務(wù)，注重鍛煉學(xué)生的動(dòng)手操作能力，通過完成模型制作任務(wù)深化對(duì)科學(xué)知識(shí)的理解，不僅是科學(xué)與技術(shù)的相互滲透，還是對(duì)工程設(shè)計(jì)思維形成的促進(jìn)過程。

第二個(gè)教學(xué)環(huán)節(jié)是模擬實(shí)驗(yàn)，用黑白棋子分別表示精子與卵細(xì)胞來演示它們的隨機(jī)結(jié)合。教師提出問題：如何重新制定模擬實(shí)驗(yàn)？任務(wù)要求學(xué)生采用容易獲得的材料來設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)用具，設(shè)計(jì)出來的實(shí)驗(yàn)用具要保證實(shí)驗(yàn)的科學(xué)性。首先，三位學(xué)生在教師的引導(dǎo)下完成教材上的模擬實(shí)驗(yàn)；然后教師組織學(xué)生設(shè)計(jì)并完成實(shí)驗(yàn)用具的制作；最后學(xué)生展示作品，討論實(shí)驗(yàn)用具的合理性與科學(xué)性。這個(gè)科學(xué)活動(dòng)是以制定模擬實(shí)驗(yàn)為任務(wù)，注重鍛煉學(xué)生的動(dòng)手操作能力，通過完成模擬實(shí)驗(yàn)制定任務(wù)深化對(duì)重要概念的理解，不僅是技術(shù)與工程的相互滲透，還是對(duì)創(chuàng)造性思維形成的促進(jìn)過程。

第三個(gè)環(huán)節(jié)是計(jì)算性別比活動(dòng)。關(guān)于性別比的問題，如果教師直接告訴學(xué)生男女人口的比例，有違教師的引導(dǎo)教學(xué)。因此，教師依次給出了包頭市、內(nèi)蒙古自治區(qū)、中國的男女人口數(shù)，請(qǐng)同學(xué)們計(jì)算性別比，同時(shí)展示相關(guān)數(shù)據(jù)的圖表，并講解了與生男生女機(jī)會(huì)均等相同原理的統(tǒng)計(jì)概率、數(shù)學(xué)概率以及大數(shù)法則等數(shù)學(xué)知識(shí)。這個(gè)科學(xué)活動(dòng)是以計(jì)算性別比為任務(wù)，注重鍛煉學(xué)生的計(jì)算能力，通過完成性別比計(jì)算任務(wù)深化對(duì)科學(xué)知識(shí)的理解，不僅是學(xué)習(xí)內(nèi)容與學(xué)生實(shí)際生活的相互滲透，還是對(duì)跨學(xué)科整合性思維形成的促進(jìn)過程。

（四）教學(xué)實(shí)踐

授課對(duì)象為包頭市第四十六中學(xué)八年級(jí)1、2、3、4班的學(xué)生。在課程結(jié)束后，收集了學(xué)生們的學(xué)習(xí)心得，了解學(xué)生對(duì)本節(jié)課程的真實(shí)感受。

四、結(jié)論與展望

（一）研究結(jié)果

基于STEM教育理念的初中生物學(xué)教學(xué)效果良好。開放式問卷設(shè)置了兩道題目：（1）在STEM課程上提高了哪些方面的能力？（2）對(duì)開展STEM課程的認(rèn)識(shí)。

根據(jù)問卷中第一個(gè)問題的調(diào)查結(jié)果，得出的結(jié)論如下。

1.STEM教學(xué)可以提高學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性。調(diào)查問卷反映，STEM課程的課堂內(nèi)容豐富，學(xué)生反應(yīng)積極，師生互動(dòng)良好。86%的學(xué)生在問卷中提到“提高了學(xué)習(xí)的積極性”。

2.STEM教學(xué)可以鍛煉學(xué)生的動(dòng)手能力和團(tuán)隊(duì)合作意識(shí)。本次STEM課程實(shí)踐以小組合作的形式進(jìn)行,所有活動(dòng)都由學(xué)生自己動(dòng)手實(shí)踐，小組內(nèi)成員分工明確，完成方案的設(shè)計(jì)后，學(xué)生進(jìn)行匯報(bào)，并交流討論。在反饋中，73%的學(xué)生表示通過動(dòng)手實(shí)踐加強(qiáng)了對(duì)知識(shí)的掌握，并且協(xié)作能力也得到了提升。

3.STEM教學(xué)可以促進(jìn)對(duì)知識(shí)的深入理解和有意義的建構(gòu)。84%的同學(xué)認(rèn)為STEM課堂教學(xué)促進(jìn)了對(duì)知識(shí)的深入理解和有意義結(jié)構(gòu)。如，有學(xué)生提到感受到了知識(shí)與知識(shí)之間的聯(lián)系，加深了對(duì)于染色體、DNA和基因三者關(guān)系的理解，以及想起模擬實(shí)驗(yàn)就想到男女比例為1：1等。

根據(jù)問卷中第二個(gè)問題的調(diào)查結(jié)果，得出的結(jié)論如下。

1.學(xué)生中以STEM課堂代替?zhèn)鹘y(tǒng)課堂教學(xué)的意愿很高。81%的同學(xué)愿意以STEM課堂教學(xué)課代替?zhèn)鹘y(tǒng)的課程安排；15%的同學(xué)沒有提到自己是否愿意以STEM課堂教學(xué)課代替?zhèn)鹘y(tǒng)的課程安排；只有4%的同學(xué)不愿意替換課堂教學(xué)方式。

2.學(xué)生對(duì)開展STEM教育的體驗(yàn)良好，尤其是平時(shí)上課注意力不集中的學(xué)生。有一位同學(xué)提到，自己作為“學(xué)渣”竟然一整節(jié)課都能學(xué)下來，中途也沒有搞小動(dòng)作或者做一些與學(xué)習(xí)無關(guān)的事情。還有一部分同學(xué)表示，這樣的課堂增強(qiáng)了師生之間的互動(dòng)，學(xué)生的學(xué)習(xí)意愿比較強(qiáng)烈，上課時(shí)的專注力更高。

（二）研究不足

本研究對(duì)八年級(jí)下冊(cè)可開發(fā)STEM教學(xué)案例的內(nèi)容進(jìn)行了篩選，僅詳細(xì)設(shè)計(jì)并實(shí)踐了1個(gè)STEM教學(xué)案例，初中階段還有許多內(nèi)容資源有待整合和發(fā)掘。本次研究設(shè)計(jì)的STEM課程較為基礎(chǔ)，各學(xué)科的融合應(yīng)用還不夠深入。若把活動(dòng)中心放在完成一個(gè)具體作品上，或許能更貼近融合運(yùn)用多學(xué)科知識(shí)的本質(zhì)。

受研究時(shí)間的限制，對(duì)于學(xué)生動(dòng)手能力、思維能力等方面的目標(biāo)缺乏衡量標(biāo)準(zhǔn)。未能大范圍、長(zhǎng)期地實(shí)施，所以無法武斷地肯定STEM教育在中學(xué)實(shí)施的實(shí)際效果。

（三）研究展望

近年來STEM教育已成為我國的教育熱點(diǎn)，國內(nèi)有關(guān)STEM教育的研究主題越來越廣泛，并且對(duì)同一主題研究得越來越深入。基于STEM理念的教學(xué)實(shí)踐活動(dòng)會(huì)得到持續(xù)的推進(jìn)。筆者對(duì)STEM教育的發(fā)展做出如下展望。

第一，構(gòu)建STEM課程體系，合理安排課時(shí)。筆者經(jīng)過本研究的實(shí)踐后發(fā)現(xiàn)，基于STEM教育理念的教學(xué)案例實(shí)施起來比較耗時(shí)。若沒有完善的STEM課程體系的安排，直接在普通課程中穿插STEM教學(xué)案例，會(huì)嚴(yán)重?cái)D壓傳統(tǒng)課程的課時(shí)安排。

第二，加強(qiáng)STEM課程資源開發(fā)與利用。組建專業(yè)的STEM課程資源開發(fā)團(tuán)隊(duì)，結(jié)合多門學(xué)科教師的經(jīng)驗(yàn)與智慧，不斷進(jìn)行教學(xué)實(shí)踐，對(duì)課程資源進(jìn)行完善和更新。

第三，建立健全STEM教師培養(yǎng)體系。單科教師準(zhǔn)備和實(shí)施STEM教育的工作量極大，為應(yīng)對(duì)STEM教育在中學(xué)推廣出現(xiàn)的教師缺口，提高STEM課程開展效率，高校應(yīng)加強(qiáng)對(duì)專業(yè)STEM綜合教師的培養(yǎng)，或是需要為一線教師提供豐富的培訓(xùn)資源與項(xiàng)目，通過培訓(xùn)完成轉(zhuǎn)化。