石進德

生物學科的核心素養(yǎng)包括生命觀念、科學思維、科學探究、社會責任四個方面。高中生物STEM項目是基于高中生物基本知識、基本技能，圍繞生物學問題解決而開展探究的活動，科學、規(guī)范的STEM項目活動設計是開展STEM教育的關鍵，也是工程學的核心思想，有助于科學（Science）、技術（Technology）、工程（Engineering）和數(shù)學（Mathematics）的整合，能有效提高學生生物學核心素養(yǎng)。

下面以“花生根莖水煮液對小鼠血糖的影響”項目活動為例，從主題形成、課題確立、計劃制定、方案撰寫四個方面簡述高中生物STEM項目活動設計過程。

1啟迪思維，形成主題

高中生物STEM項目活動究竟要研究什么？學生怎樣圍繞社會熱點、難點問題，如何創(chuàng)新性地促使學生基于對生物學的認識參與個人與社會事務的討論，培養(yǎng)學生的社會責任感，這些是高中生物新課程的要求，需要引發(fā)學生的發(fā)散思維及奇思妙想。

1.1發(fā)散思維，找關鍵詞

學生思維易于發(fā)散，師生圍繞社會性的大概念共同探討，聚焦、提煉出一定的關鍵詞。此過程中，學生將不斷地提取原有生活經(jīng)驗、學習體驗，構思出生活中寬泛的問題。教師引導學生思考與問題關聯(lián)的生物學知識，羅列出解決此類問題所需了解與掌握的高中生物學知識。學生提出許多具有一定關聯(lián)性的大問題，類似于捕魚中的廣撒網(wǎng)，此時已有可提取的主題素材。如學生提出了有關環(huán)境污染、醫(yī)改、農(nóng)村用藥等社會問題，聚焦了生態(tài)平衡、血糖平衡、反饋調(diào)節(jié)、高血壓等生物學知識與概念，構建了項目主題素材關鍵詞。

1.2集中思維，形成中心

此階段是將網(wǎng)中的主題素材過濾，恰似將網(wǎng)中之魚進行分門別類。依據(jù)問題性質(zhì)對素材分類，將其與學生已有的知識融合。學生歸類出以下問題，現(xiàn)在農(nóng)村雖然政府投入全民醫(yī)保力度不斷加強，但在農(nóng)村（特別是邊遠山區(qū)）仍存在缺醫(yī)少藥，或是采用土方法來應對，使用過期藥物及中草藥治療糖尿病、高血壓方法等社會問題，糖尿病、高血壓發(fā)病率伴隨著人類生活方式的改變及社會的發(fā)展不斷遞增，而糖尿病、高血壓治療又與血糖平衡、反饋調(diào)節(jié)、糖代謝等生物學知識相關，學生通過討論，確定了以治療糖尿病、高血壓，并解決農(nóng)村農(nóng)民治病用藥、減少污染為主線的項目研究主題。

2聚焦核心，確立課題

核心問題的確立，確保了學生深入的思考，活動中采用頭腦風暴形式，圍繞項目主題，將問題分解開。在深入了解主題后，可能會產(chǎn)生許多新的問題，需要不斷解決問題，教師應尊重學生的原創(chuàng)、激發(fā)學習積極性，培養(yǎng)理性思維，鼓勵他們“異想天開”，細化問題的指向，尋找問題測量指標，聚焦問題核心，最后確立課題。

2.1項目查新與背景分析

學生針對項目主題提出自己的各種觀點和看法，提出問題。教師引導學生通過查閱資料，了解此問題的研究進程及他人的觀點，分析問題的背景。在活動中學生根據(jù)前期確立的主題，鑒于西藥降血壓、降血糖等存在的副作用，提出了諸如“蔥須配紅酒降血壓”“翻白草（俗稱‘大雞腿）泡水喝降血糖降血壓”“蒺藜降血糖降血壓”“玉米須降血糖”等項目。教師引導學生聚焦問題的核心：如何減少藥物的毒性及不良反應，如何利用便捷的方式及常見的物品來解決降血壓、降血糖。有學生提到閩南有農(nóng)民煮新鮮的花生地下根莖并服用以此治療糖尿病，但未在網(wǎng)上搜索到有關花生根莖降血糖的研究報道。而閩南又盛產(chǎn)花生，每年農(nóng)民收完花生后，花生根莖就“毫無價值”地被丟棄在農(nóng)田里作肥料。如果通過實驗能驗證花生根莖確實能降低血糖，這樣既開發(fā)出降血糖新途徑、將花生根莖變廢為寶，又能解決農(nóng)民就地用藥問題，節(jié)約開支，一舉兩得。

2.2選擇研究對象

依據(jù)查新結果與背景的分析思考，正確選擇研究對象有助于項目的研究順利開展。學生確定了以花生根莖為實驗藥材；以購自廈門大學動物醫(yī)學實驗中心的實驗小鼠為實驗用藥對象。

2.3設定自變量與因變量

正確控制自變量才能引導正確的探究方向；清楚設定因變量方可了解項目探究需要測量的效果，形成切實可行的項目研究課題。本次活動中設定的自變量是“不同劑量花生根莖水煮液”，因變量是“小鼠的血糖值”。理清了以上的變量關系后，最終確定了“花生根莖水煮液對小鼠血糖的影響”這一課題。

3細化方案，制定計劃

確定項目研究對象及變量后，必須進一步針對實驗條件等細化研究方案，更好地理清研究思路，初步規(guī)劃構建研究藍圖，制訂研究計劃，明確研究目標，依據(jù)實際情況合理地預測，嘗試調(diào)動各類資源，確保項目高效、有序地開展。

3.1掌握科學理論

STEM項目活動是科學、技術、工程和數(shù)學的有機融合，項目研究需要規(guī)范的科學理論，在方案的細化、制定過程中，教師需要指導學生學習掌握相關的理論知識，項目計劃中應充分體現(xiàn)相關的理論。本案例中主要涉及的科學理論有：實驗動物的分組與給藥方法、糖尿病動物模型的建立、血糖的測定方法、數(shù)據(jù)的科學分析（SPSS統(tǒng)計分析）。

3.2確定實驗條件

科學理論能為STEM項目活動技術手段、資源準備提供有力的支撐，綜合分析各種研究資源和技術手段，優(yōu)化最佳實驗條件，促使研究能有條不紊地進行。活動中以腹腔注射0.1mL/10g四氧嘧啶溶液的小鼠為糖尿病小鼠模型，每天分別用不同濃度的花生根莖水煮液及生理鹽水給小鼠用藥，測定其空腹血糖、2T糖耐量（2h口服糖負荷實驗）等，以學生家里種植的花生根莖、購買的實驗小鼠、動物血糖測試儀等為實驗資源。

4完善設計，撰寫方案

完成初步的研究計劃后，師生共同探討，采用相互質(zhì)疑、互相提問題的方式對計劃進行修訂，補充、完善設計，使學生體驗科學探究的嚴謹性，提高科學探究能力。

4.1確定實驗假設

前期概念的掌握、理論的學習及初步的模型構建，是項目設計的良好開端，能為合理的實驗假設提供明確的依據(jù)，合理的假設又是正確研究指向。學生提出了“花生根莖水煮液在一定程度上能降低糖尿病小鼠血糖”這一合理的假設，并在實驗中得到了“花生根莖水煮液高劑量組測得的空腹血糖與生理鹽水組相比較有顯著性差異（P<0.05），花生根莖水煮液中、低劑量組與生理鹽水組相比較有顯著性差異（P<0.01）的結果”，也印證了這個假設的合理性。

4.2學習實驗技能

STEM教育強調(diào)以跨學科整合的思維解決真實情境中的問題，預實驗前必然要提前學習和掌握項目設計中有關的實驗技術、實驗技能，完備的實驗技術與技能促進實驗探究與實踐的深入，使項目研究更具科學性。案例中構建糖尿病小鼠模型，將生物學知識融入工程學，培養(yǎng)了學生對科學與工程的整合能力；采用末梢全血快速血糖測定法測定血糖，對實驗小鼠剪尾取血，應用血糖儀檢測，提升了規(guī)范的科學與技術的整合能力；學習SPSS統(tǒng)計分析，檢驗組間顯著性差異，充分將數(shù)學與科學、技術融合。

4.3項目預實驗

為提高研究效率，STEM項目研究需要準確的預實驗，雖然在前期的計劃中預先確定了實驗材料，并預見了實驗過程可能出現(xiàn)的問題，但通過預實驗能更精確地控制無關變量，初步確定變量的大致范圍，掌握其他未預見的實驗條件，進而檢驗實驗方案的科學性及可行性，為后續(xù)正式實驗提供借鑒及資源支持。

本案例中通過預實驗確定了花生根莖取材、實驗小鼠的性別與體重范圍、花生根莖水煮液的制備方法及劑量范圍、糖尿病小鼠造模的四氧嘧啶濃度及造模方法、花生根莖水煮液用量與用時等，使正式實驗能按既定的計劃順利完成。

預實驗仍然可能出現(xiàn)預想不到的結果，對預實驗結果及未預見的實驗條件、要求及時反思，小結。

案例中預實驗花生根莖采自學生家中，但發(fā)現(xiàn)學生家里種植的花生也存在不同的品種，為滿足對照實驗要求，選擇同一種植大戶同一片田間、同時采摘的花生根莖。對小鼠剪尾取血測定血糖，由于現(xiàn)有中學生物已不再開展動物見血實驗，正式實驗則請社區(qū)醫(yī)療所專業(yè)人員幫助采集血液和測定血糖，既避免實驗過于血腥，也提高血糖檢測的科學性和準確性。預實驗中給藥方式采用將藥液拌入飼料飼喂的方式，但發(fā)現(xiàn)飼料中存在一定的殘留，影響實驗用藥的準確度，而改用灌胃方式來解決這一問題。

4.4撰寫最佳研究方案

在初步的研究計劃基礎上，補充完善實驗假設，將預實驗中出現(xiàn)的問題及錯誤的設想一一加以甄別，擬定科學的實驗步驟，撰寫最佳的研究方案，形成最終的項目設計。良好的設計是成功的一半，在高中生物STEM項目活動中，確定可行的研究主題，完成針對性的背景研究，進行問題核心的聚焦、確立明晰的項目，細化研究方案，形成完善的研究設計，為項目后續(xù)研究的順利開展奠定堅實的基礎。本案例中正是有了前期這些詳盡的準備工作，在后期研究中通過實驗組與對照組數(shù)據(jù)分析，發(fā)現(xiàn)了花生根莖水煮液低劑量組血糖值與模型對照組比較差異顯著，而花生根莖水煮液中、高劑量組與模型對照組比較差異顯著；說明花生根莖水煮液中、高劑量組均具有較好的降血糖效果，得出了一定濃度的花生根莖水煮液能在一定程度上降低高血糖小鼠的血糖的結論。

總之，引導學生圍繞“花生根莖水煮液對小鼠血糖的影響”活動開展科學、規(guī)范的STEM項目活動設計，有助于科學、技術、工程和數(shù)學的整合，學生將所學的反饋調(diào)節(jié)、胰島素調(diào)節(jié)血糖平衡、穩(wěn)態(tài)等知識，運用到花生根莖水煮液降低血糖，創(chuàng)新性解決農(nóng)村糖尿病用藥的問題中，在活動中培養(yǎng)創(chuàng)新思維，提高實踐能力，提高學科綜合能力，有效地提升學生的核心素養(yǎng)。