STEM理念下初中生物學實驗教學實踐

■江蘇省揚州市儀征市南京師范大學第二附屬初級中學 康淑艷

隨著社會的快速發(fā)展，科技研發(fā)和社會經(jīng)濟建設需要更多的高素質人才參與其中。STEM是融合科學、技術、工程和數(shù)學知識的跨學科教育理念，在初中生物實驗教學中引入STEM教育理念，有助于打破學科間的間隔，跨學科整合生物知識，使學生從更加多元化的角度看待問題。此外，學科知識的相互融合強調生物學實驗活動的體驗感，激發(fā)了學生參與實驗活動的積極性和討論實驗現(xiàn)象的熱情，構建起以學生為主體的生物學實驗教學框架，為學生生物核心素養(yǎng)的發(fā)展提供有力支持。

一、STEM理念滲透初中生物學實驗教學的可行性

（一）基于初中生物學新課程標準分析

2022年頒布的《義務教育生物學課程標準》（以下簡稱新課標）指出，在生物教學中要“依據(jù)生物學的特點、社會發(fā)展對人才的需求和學生發(fā)展的需要，生物學課程以學習主題為單位構建課程內容體系……設置‘生物學與社會跨學科實踐’學習主題，引導學生綜合運用生物學、化學、物理、地理、數(shù)學等學科的相關知識和方法，嘗試分析和解決實際問題”。課程理念提倡在生物學實踐教學中引入跨學科知識開展教學活動，STEM教育理念主張跨科學、技術、工程、數(shù)學學科開展教學活動，所跨學科與社會發(fā)展對人才的需求相符合，而初中生物實驗教學以探究性學習為主導，與新課標課程理念和STEM教育理念相符合，因此在初中生物學實驗教學中引入STEM教育理念具有一定的可行性。

（二）基于教學目標核心素養(yǎng)分析

新課標指出教師應以核心素養(yǎng)為目標開展生物學教學活動，生物學核心素養(yǎng)由生命觀念、科學思維、探究實踐、態(tài)度責任共同組成。生命觀念是指通過學習生物學基礎知識形成基本的生命觀念；科學思維是指培養(yǎng)學生運用比較、分類、歸納、演繹等思維方法思考問題的能力；探究實踐是指培養(yǎng)學生科學探究和跨學科的實踐能力，使學生能夠解決真實情境中的生物學問題；態(tài)度責任要求培養(yǎng)學生嚴謹求實的科學態(tài)度。STEM理念主張引入數(shù)學、科學、工程、技術知識培養(yǎng)學生認識世界和改造世界的能力，以實踐的方式解決學習過程中的問題。對比分析可知，STEM教育理念與生物學核心素養(yǎng)的科學思維、探究實踐、態(tài)度責任等目標能力具有較高的契合度，STEM教育理念的融入對學生生物學核心素養(yǎng)的發(fā)展具有一定的促進作用，因此在初中生物學實驗教學中融入STEM教育理念具有一定的可行性。

二、STEM理念融入初中生物學實驗教學中的價值

（一）培養(yǎng)社會需要的多學科人才

科技的快速發(fā)展推動了現(xiàn)代生物學的發(fā)展，現(xiàn)代生物學主要研究社會發(fā)展過程中面臨的一系列問題，例如生物能源的利用、生物對自然環(huán)境的治理、微生物改良土壤環(huán)境、植物的良性變異、自然資源的可持續(xù)利用等，問題涵蓋動物保護、人體健康、環(huán)境治理、農(nóng)業(yè)等多個領域，單純依靠生物學單一的學科知識難以解決現(xiàn)代生命科學面臨的問題。初中生作為社會未來發(fā)展的優(yōu)質儲備人才，需要具有一定的跨學科意識和跨學科分析能力，為后續(xù)社會問題的解決提供有力支持。STEM理念的融入對多學科人才的培育具有一定的促進作用，為此，教師應該正視STEM教育理念在現(xiàn)代生物學教學中的價值，為二者的融合滲透奠定堅實基礎。

（二）與初中生物學教學特征相符合

相對而言，學生在初中階段正式開始接觸生物知識，對初中生物知識的理解較為有限，而小學階段學生所學生物知識屬于科學的一部分，科學學科所講內容包括生物、物理、化學等多學科知識，學科兼容性較強，方便教師將跨學科思想引入生物學課堂。此外，與高中生物學教學模式相比，初中生物學教學重視實踐，強調通過探究性活動完成教學目標，教學過程中的實驗探究機會更多，為STEM理念的融入提供了必要條件。

三、STEM教育理念下初中生物學實驗教學的策略

（一）滲透STEM研究理念，分階段開展實驗教學

STEM主張通過實踐活動研究問題，在探討問題的過程中分析影響問題解決的阻力，引導學生融入工程、科學、技術、數(shù)學等多學科知識提出解決問題的方案，在解決問題的過程中培養(yǎng)學生的跨學科思維能力。從活動過程入手分析STEM教育理念的應用關鍵不是跨學科知識的融入，而是通過活動設計引導學生應用跨學科知識解決問題的過程。

考慮到初中生物學實驗教學的特點，教師結合生物學核心素養(yǎng)發(fā)展目標重新設計實驗探究流程，結合STEM研究流程，將實驗探究流程簡化為生成研究主題、設計研究方案、組織實驗活動、分析數(shù)據(jù)信息、報告觀測結果等五個階段，教師結合各階段特征調整實驗教學方式。第一階段融入情境教學法，觀察現(xiàn)實生活情境，尋找研究對象，提出實驗探究問題；第二階段以小組合作探究為主導，在合作討論過程中融入多學科知識，從科學、技術、工程、數(shù)學、生物等多學科知識設計實驗方案，探討可能出現(xiàn)的實驗結果以及驗證假設的方法；第三階段組織學生進行實驗，在親手組裝實驗器材、完善實驗細節(jié)的過程中培養(yǎng)學生的探究實踐能力；第四階段師生共同分析實驗結果，思考出現(xiàn)這一實驗結果的原因和意義；第五階段各實驗小組輪流上臺報告整個實驗過程，師生共同討論，分析實驗過程中存在的問題，在反思性評價中對實驗流程進行再優(yōu)化，助力學生成長。

以蘇科版七年級生物下冊第十三章《土壤里的微生物》為例，教師開展生物學實驗“果酒的釀造”，觀察酵母菌出芽生殖過程，結合酵母菌特性完成釀酒工作，深化學生對所學真菌知識的記憶。首先，教師利用多媒體設備播放古代用酵母菌釀酒的視頻，引導學生思考：“為什么古人所釀酒水度數(shù)都不高呢？在視頻中投放的酒藥又是什么？”情境結合問題，激發(fā)學生的好奇心和探索欲。其次，教師用PPT簡要介紹果酒的釀制流程后，引導學生結合多學科知識設計實驗方案，將學生分為多個小組，以小組為單位融入多學科知識展開討論，若同學提出疑問：“果酒釀制過程的介紹較為簡略，細節(jié)上應該怎樣操作和把控呢？”教師引導學生運用科學技術知識解決問題：初次嘗試制作果酒，果酒是否保留果肉，酒精發(fā)酵過程持續(xù)時間，酵母投放總量，發(fā)酵適宜溫度都不清楚，因此需要引入科學實驗中的單一變量控制法，根據(jù)可能結果逐一進行嘗試，推算果酒制作細節(jié)。

部分學生在教師的引導下從數(shù)學角度出發(fā)提出建議：“為了保證對比實驗結果的精準度，我們應該制備更加精確的儀器，并在開始實驗前記錄實驗過程中的所有數(shù)據(jù)，避免數(shù)據(jù)變動影響實驗結果?！弊詈?，學生根據(jù)討論結果，嘗試對已有的實驗器具進行改造，在塑料膠杯外部繪制刻度，保證實驗的精確性。部分學生提出除了酵母菌以外的真菌和細菌如果進入器具，也可能會對果酒質量產(chǎn)生影響，學生在討論中引入技術知識，參照醫(yī)學消毒方式提出用酒精對器具進行消毒。部分學生質疑：“醫(yī)用酒精能否殺死真菌？對酵母菌的生長繁殖是否會造成影響？”在討論中豐富實驗設計細節(jié)，多學科知識融入，保證生物實驗活動的質量，為后續(xù)實驗探究流程的展開做好準備。

（二）把握核心要素，發(fā)展多學科素養(yǎng)

STEM理念融入生物學實驗教學推動實現(xiàn)跨學科資源整合，關鍵在于如何將科學、技術、工程、數(shù)學知識按照一定的規(guī)律融入實驗過程，在實驗過程中自然而然地完成跨學科知識融入，助力學生成長。為此，教師從STEM教育理念中提取與生物學實驗密切聯(lián)系的核心要素：情境學習、工程設計和科學探究，整合核心要素開展實驗教學活動，將跨學科知識融入生物學實驗過程，潛移默化地滲透STEM理念，為學生跨學科思維的形成與發(fā)展奠定堅實的基礎。

以蘇科版七年級生物上冊第三單元《植物的光合作用》為例，教師組織“光合作用驗證實驗”，探討植物在光合作用過程中空氣中氣體成分的變化。考慮到實驗流程較長，實驗較為復雜，教師將實踐類實驗轉換為觀察實驗，通過體會實驗設計過程、觀察實驗結果等方式培養(yǎng)學生的跨學科能力。

在實驗設計過程中，教師與學生一同規(guī)劃實驗細節(jié)，運用參照法分析光照對植物呼吸的影響。選擇長勢、大小基本相同的菠菜苗作為實驗對象，一盆菠菜放在陽光下的透明玻璃柜中，另外一盆菠菜放在被黑色膠帶密封的玻璃柜中，在柜中加裝溫度指示器，避免溫度因素破壞實驗結果，在實驗方法設計上融入科學探究知識?？紤]到植物的光合作用對密閉空間中空氣成分的影響速度較慢，氣體成分變化不明顯，教師引導學生思考如何突破困境，保證實驗效果，部分學生提出增加實驗植物數(shù)量，提高空氣成分變化速率，同時適當縮減密閉空間大小的方案。教師借問題引入技術知識，在實驗中引入非分散紅外線氣體分析儀、電化學氧氣傳感器、數(shù)據(jù)采集器等先進設備，測量空氣中二氧化碳和氧氣含量的細微變化，讓學生體會到技術發(fā)展對生物學實驗的支持作用。

觀察實驗開始后，教師引導學生自行觀察實驗結果，分析實驗結果的變化趨勢中隱含的信息。學生在教師的引導下通過繪制單位時間內二氧化碳與氧氣釋放曲線圖和條形統(tǒng)計圖的方式分析數(shù)據(jù)結果，證實光合作用會消耗二氧化碳，產(chǎn)生氧氣，讓數(shù)學知識融入生物學實驗中。在實驗反思環(huán)節(jié)，教師將提前準備的破損的密閉玻璃容器投入實驗活動，測量密閉玻璃容器中氧氣和二氧化碳含量的變化，學生發(fā)現(xiàn)玻璃容器中氧氣和二氧化碳含量并未發(fā)生明顯變化，運用工程設計思想重新分析實驗流程，認識到準備的器材有問題，于是從實驗器具的功能性入手設計驗證器材完整性的測試方案，在玻璃容器中放置干冰，檢測非分散紅外線氣體分析儀測試結果是否準確，抽絲剝繭查找問題原因，在探索中培養(yǎng)學生的工程思維，助力學生成長。

（三）適時提出問題，引導跨學科融合

不同于傳統(tǒng)知識類課堂，初中生物學實驗教學過程具有較強的實踐性、探究性和開放性特征。新課標提倡學生在課堂上自由探索，但完全將實驗過程交由學生完成，容易出現(xiàn)實驗效率低下等問題，如何在效率和自主性之間取得平衡是保證生物學實驗教學質量的關鍵性因素。為此，教師在授課中引入問題引導教學法，在學生完成實驗設計、實驗操作等一系列環(huán)節(jié)的過程中，教師通過提出問題的方式引導學生深入思考、探究實驗細節(jié)，自主融入跨學科知識解決實驗中出現(xiàn)的問題，在問與答的激烈交互中促進學生成長。

以蘇科版八年級生物上冊第七單元《植物的生殖和發(fā)育》為例，為了讓學生了解酸雨對植物種子萌發(fā)的危害，認識到保護自然環(huán)境的意義，教師組織設計生物學實驗“酸雨對生物的影響”。在探究實驗主題階段，教師利用多媒體設備展示農(nóng)田受酸雨侵襲的視頻，引導學生思考問題：“植物大面積死亡的原因是否和酸雨有關呢？”創(chuàng)設問題情境，激發(fā)學生的學習興趣，喚醒學生的實驗探究興趣。實驗開始前引入問題，引導學生利用工程思維設計實驗方案：“界定雨水是酸雨的標準是什么？哪種物質的存在導致雨水變成酸雨？酸雨中除了常見的二氧化硫外，還有哪些成分？”學生自主上網(wǎng)搜集資料，通過查找酸雨檢測報告，搜集酸雨定義等方式，了解實驗中出現(xiàn)的酸雨的性質，利用工程設計思想培養(yǎng)學生嚴謹、認真的科學態(tài)度。

為了培養(yǎng)學生的科學思維和探究能力，教師在實驗流程設計環(huán)節(jié)中提出問題：“降水量的不同、酸雨中物質成分的差異都有可能會對實驗結果造成影響，在實驗中應當如何控制變量對實驗結果的影響呢？”教師組織學生就問題進行頭腦風暴，共同制定實驗方案。為了模擬真實的酸雨效果，嚴格控制實驗中酸雨降水量，教師提出問題：“實驗室中缺少控制酸雨釋放量的設備，我們能否結合降雨特點自行制作酸雨模擬設備呢？”提問融入技術類知識，學生發(fā)揮想象力，在廢棄飲料瓶底部均勻打上小孔，并在瓶壁標量刻度，模擬酸雨排放場景，精確控制酸雨排放量，滿足實驗設計要求。學生在教師的指導下設置對照實驗，考察不同pH值的酸雨排放到自然環(huán)境中對植物種子、植物幼苗和植物成株的影響。

教師和學生一同觀察實驗結果，提出問題引導學生思考：“怎樣才能使酸雨的危害更直觀、清晰地展示出來呢？pH值較高的酸雨對植物生長的影響較大還是pH值較低的酸雨對植物生長的影響更大？酸雨對種子生長的影響更大還是對成年苗株的影響更大？”依托問題引導學生運用數(shù)學知識分析實驗結果，推動數(shù)學知識跨學科融入實驗進程。在實驗活動的最后，教師組織學生分享自己在實驗中的創(chuàng)新，如實驗的改良、對照組的增加等。為了培養(yǎng)學生負責任的科學態(tài)度，教師提出問題：“當?shù)赜晁欠駥儆谒嵊?？單一的檢測結果能否說明問題的答案？我們應該采取怎樣的措施預防酸雨對農(nóng)作物生長的破壞？”在交流互動中培養(yǎng)學生的環(huán)保意識以及愛護環(huán)境的責任感，促進學生成長。

四、結語

綜上所述，STEM理念融入初中生物學實驗教學活動，增加了活動的不確定性和知識的復雜性，學生不僅需要在實驗教學中學習如何應用生物知識，也要在活動中學習和應用其他學科的知識。為了保證生物學實驗教學質量，教師必須從學生的身心發(fā)展規(guī)律入手，將跨學科知識融入實驗探究過程，營造趣味化、生活化的環(huán)境氛圍，在實踐探究過程中接觸跨學科知識，為學生的生物學核心素養(yǎng)的發(fā)展提供有力支持。