張 鋒

(福建省普通教育教學(xué)研究室 福州 350003)

越來越多的國家將教育視角投向了STEM教育，學(xué)科交叉和知識(shí)融合已經(jīng)成為教育教學(xué)改革的關(guān)鍵詞。但是，課程如何設(shè)置、教學(xué)如何開展也是擺在學(xué)者和教師面前亟待厘清和解決的兩大問題，這也是STEM教育的落腳點(diǎn)和突破口。

1 STEM理念融入初中生物學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的價(jià)值思考

長久以來的分科教育造成了學(xué)科人才培養(yǎng)的分離局面，教師的教育專業(yè)化和從教專門化的結(jié)果就是： 讓他們喪失學(xué)科的整合能力或者從心理上抗拒學(xué)科的整合。但教育的發(fā)展趨勢(shì)昭示著這樣的抗拒是不利于人才的培養(yǎng)的。在美國《下一代科學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)》中，跨學(xué)科概念、學(xué)科概念以及科學(xué)與工程實(shí)踐一起被作為課程的三大維度。其中，跨學(xué)科概念是搭建各個(gè)學(xué)科之間的橋梁，它主要包括系統(tǒng)和系統(tǒng)模型、物質(zhì)與能量、結(jié)構(gòu)與功能、穩(wěn)定性與變化、模式、規(guī)模、比例和數(shù)量等。作為科學(xué)課程的組成部分，生物學(xué)越來越從定性、觀察性的學(xué)科發(fā)展為定量、預(yù)測性的學(xué)科，新生物學(xué)的學(xué)科范疇已經(jīng)覆蓋了物質(zhì)科學(xué)、計(jì)算機(jī)科學(xué)和工程學(xué)等內(nèi)容。因此，生物學(xué)教師應(yīng)該要做適當(dāng)前瞻。

將STEM的理念適當(dāng)?shù)厝谌雽W(xué)科教學(xué)，特別是融入初中生物學(xué)實(shí)驗(yàn)的教學(xué)具有其必要性和可操作性。其一，就初中生的心理特征而言，他們的學(xué)科分離意識(shí)較高中生弱，其學(xué)習(xí)習(xí)慣的可塑性更好，盡管知識(shí)網(wǎng)絡(luò)的完整性弱一些，但是學(xué)科兼容性會(huì)更好，教學(xué)中可根據(jù)初中生的認(rèn)知層次設(shè)計(jì)問題和研究項(xiàng)目，對(duì)初中生的學(xué)習(xí)評(píng)價(jià)也應(yīng)該基于他們的能力基礎(chǔ)。其二，就課程標(biāo)準(zhǔn)和教學(xué)設(shè)計(jì)而言，《普通高中生物學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)(2017年版)》可以作為初中生物學(xué)教學(xué)的風(fēng)向標(biāo)，其在“基本理念”中明確提出“教學(xué)過程重實(shí)踐”，要求學(xué)生通過探究性學(xué)習(xí)活動(dòng)或完成工程學(xué)任務(wù)，加深對(duì)生物學(xué)概念的理解，提升應(yīng)用知識(shí)的能力等[1]。因此，在初中生物學(xué)實(shí)驗(yàn)中融入STEM理念，有助于學(xué)生從學(xué)習(xí)生物學(xué)之初就帶著大科學(xué)視角審視學(xué)科本質(zhì)。

2 基于STEM理念的初中生物學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)一般流程

流程建立在學(xué)生任務(wù)驅(qū)動(dòng)式合作學(xué)習(xí)的基礎(chǔ)上，主要為發(fā)展學(xué)生解決實(shí)際問題能力而設(shè)計(jì)。生物學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，可以適當(dāng)滲透STEM的理念，拓展和改進(jìn)實(shí)驗(yàn)的研究目的、材料、步驟等，將數(shù)學(xué)、技術(shù)和工程整合進(jìn)科學(xué)教育中。STEM研究大致分為： 生成研究主題，制定研究計(jì)劃，了解研究主題，撰寫研究方案，準(zhǔn)備并開展實(shí)驗(yàn)，統(tǒng)計(jì)分析，解釋數(shù)據(jù)，報(bào)告結(jié)果8個(gè)階段[2]。結(jié)合初中生物學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的現(xiàn)狀，我們將具體流程做了適當(dāng)簡化(圖1)，可在教學(xué)中進(jìn)行簡單操作。

圖1 基于STEM理念的初中生物學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)流程圖

在STEM研究中被廣泛關(guān)注的三個(gè)核心要素： 情境學(xué)習(xí)、工程設(shè)計(jì)和科學(xué)探究[3]，可在上述流程中逐步體現(xiàn)，其中師生共同尋找研究對(duì)象對(duì)應(yīng)“情境學(xué)習(xí)”，主張通過教師或?qū)W生的情境設(shè)置、問題凸顯來引發(fā)學(xué)生的深度思考。以真實(shí)世界的問題情境為線索，建立教學(xué)與真實(shí)世界的鏈接，調(diào)動(dòng)學(xué)生的探究興趣，并使之有效維持。需要學(xué)生的個(gè)體反思和團(tuán)隊(duì)的互助，以便整合更多的智慧參與；從科學(xué)、技術(shù)、工程和數(shù)學(xué)四個(gè)維度進(jìn)行研究方案設(shè)計(jì)指向“工程設(shè)計(jì)”，在傳統(tǒng)的生物學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，“工程設(shè)計(jì)”往往是被隱藏的，師生按照教材既有的方案實(shí)施實(shí)驗(yàn)，進(jìn)行驗(yàn)證或者探究，尋求原理的理解和認(rèn)同。而基于核心素養(yǎng)的發(fā)展的教學(xué)，應(yīng)該更強(qiáng)調(diào)學(xué)生在新情境中利用對(duì)原理、規(guī)律的認(rèn)知來解決生物學(xué)問題。因此，凸顯“工程設(shè)計(jì)”環(huán)節(jié)，讓學(xué)生在教師的引導(dǎo)下嘗試自主設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)、設(shè)計(jì)方案和科學(xué)建模等，有利于其高階思維的發(fā)展。解釋實(shí)驗(yàn)所涉及的科學(xué)與技術(shù)原理并適當(dāng)改進(jìn)與從實(shí)驗(yàn)中獲得數(shù)據(jù)、證據(jù)和反思主要指向“科學(xué)探究”，其過程包含著實(shí)驗(yàn)的實(shí)施、科學(xué)論證和反思的過程，涉及收集、分析和解釋數(shù)據(jù)，提出基于證據(jù)的預(yù)測和解釋、分享實(shí)驗(yàn)成果等內(nèi)容。

3 案例分析

3.1 案例1： 探究綠色植物呼吸作用的過程 本實(shí)驗(yàn)包括探究綠色植物六大器官的呼吸作用以及探究溫度對(duì)果實(shí)呼吸作用的影響。首先，學(xué)生分小組利用生活廢棄物品自制一套實(shí)驗(yàn)裝置，分別探究植物根、莖、葉、花、果實(shí)的呼吸作用；其次，利用DIS實(shí)驗(yàn)技術(shù)探究溫度對(duì)果實(shí)呼吸作用的影響： 利用二氧化碳傳感器和平板電腦，觀察對(duì)比單位時(shí)間內(nèi)常溫組和低溫組二氧化碳的釋放量。

環(huán)節(jié)1： 學(xué)生通過微課自學(xué)萌發(fā)的種子進(jìn)行呼吸作用釋放出熱量、產(chǎn)生二氧化碳、消耗氧氣這三個(gè)實(shí)驗(yàn)，初步建構(gòu)呼吸作用的概念。部分學(xué)生質(zhì)疑： 綠色植物的其他器官能不能進(jìn)行呼吸作用？針對(duì)學(xué)生的疑問，教師布置探究任務(wù)，要求各小組利用生活中的廢棄物品制作一套實(shí)驗(yàn)裝置，整合教材中的三個(gè)實(shí)驗(yàn)，五個(gè)小組自選一種實(shí)驗(yàn)材料分別探究植物其他五種器官的呼吸作用。

環(huán)節(jié)2： 小組合作，并分別從科學(xué)、技術(shù)、工程和數(shù)學(xué)四個(gè)維度進(jìn)行研究方案設(shè)計(jì)(表1)，進(jìn)而確定實(shí)驗(yàn)操作步驟、科學(xué)獲取實(shí)驗(yàn)證據(jù)和數(shù)據(jù)的方法以及小組成員的具體分工等。

表1 探究綠色植物呼吸作用的過程涉及的STEM資源

注： 案例提供者——廈門大學(xué)附屬實(shí)驗(yàn)中學(xué)吳呈香

環(huán)節(jié)3： 小組成員在教師的指導(dǎo)下，利用生活廢棄物品分別設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)裝置，將教材探究呼吸作用的三個(gè)演示實(shí)驗(yàn)裝置整合成一個(gè)實(shí)驗(yàn)裝置，分三個(gè)步驟探究綠色植物五種器官的呼吸作用，學(xué)生利用溫度計(jì)檢測呼吸作用的熱量變化，利用溴麝香草酚藍(lán)檢測釋放出的氣體是二氧化碳，利用燃燒的蠟燭來檢測裝置中的氧氣含量變化。最后利用DIS實(shí)驗(yàn)技術(shù)中的二氧化碳傳感器和平板電腦檢測常溫組與低溫組單位時(shí)間內(nèi)釋放出的二氧化碳含量。

環(huán)節(jié)4： 小組成員分別觀察到實(shí)驗(yàn)組溫度計(jì)溫度升高、溴麝香草酚藍(lán)溶液由藍(lán)色變成黃色、燃燒的蠟燭熄滅，而對(duì)照組不變，進(jìn)而得出呼吸作用釋放熱量、呼出二氧化碳、消耗氧氣，建構(gòu)呼吸作用的概念；觀察到小番茄在單位時(shí)間內(nèi)低溫組呼出的二氧化碳?xì)怏w遠(yuǎn)低于常溫組，進(jìn)而得出果實(shí)低溫下呼吸作用較弱。在實(shí)驗(yàn)過程中，各小組利用科學(xué)、技術(shù)、工程、數(shù)學(xué)等知識(shí)解決問題，學(xué)生的核心素養(yǎng)培養(yǎng)得以有效地落實(shí)。

3.2 案例2： 水污染對(duì)生物的影響以及生物的凈化作用 本實(shí)驗(yàn)共包括兩部分，首先探究水污染對(duì)生物的影響： 家庭洗滌類污水是學(xué)生最常見的污水，在學(xué)生討論的基礎(chǔ)上，選取洗滌劑溶液(洗衣粉、洗手液、洗潔精)模擬洗滌污水，同時(shí)選取水蚤作為水污染指示生物，觀察水蚤在家庭洗滌類污水中的心率變化；隨后探究生物對(duì)污染水質(zhì)的凈化作用： 學(xué)生結(jié)合家庭養(yǎng)魚的經(jīng)驗(yàn)，選取沉水植物、硝化細(xì)菌制劑對(duì)模擬污水進(jìn)行凈化，觀察水蚤的心率變化[4]。

環(huán)節(jié)1： 受人教版七年級(jí)《生物學(xué)》下冊(cè)第4單元第7章第2節(jié)“酸雨對(duì)生物的影響”探究實(shí)驗(yàn)的啟發(fā)，不少學(xué)生要求再試一試水污染對(duì)生物的影響。為了滿足學(xué)生的探究熱情，教師組織學(xué)生小組合作設(shè)計(jì)并實(shí)施實(shí)驗(yàn)“探究水污染對(duì)生物的影響”。有一組學(xué)生在實(shí)驗(yàn)方案中提出“水草能不能凈化污水？”的問題，受到該組學(xué)生的啟發(fā)，教師將實(shí)驗(yàn)拓展到“生物對(duì)污染水質(zhì)的凈化作用”，這有利于幫助學(xué)生深刻理解生物與環(huán)境的關(guān)系。在實(shí)驗(yàn)生物的選取過程中，師生共同查閱資料發(fā)現(xiàn)，沉水植物能夠有效降低污水中的氮、磷等營養(yǎng)物質(zhì)含量水平，對(duì)污水凈化效果顯著；另外，硝化細(xì)菌是一類自養(yǎng)好氧型細(xì)菌，其中亞硝化細(xì)菌能將水體中的氨氮轉(zhuǎn)化成亞硝酸氮，硝化細(xì)菌則能將亞硝酸氮最終轉(zhuǎn)化為硝酸氮，從而凈化水體水質(zhì)。

環(huán)節(jié)2： 小組成員根據(jù)興趣選擇模擬洗滌污水的種類及凈化生物，并分別從科學(xué)、技術(shù)、工程和數(shù)學(xué)四個(gè)維度進(jìn)行研究方案設(shè)計(jì)(表2)，進(jìn)而確定實(shí)驗(yàn)操作步驟、科學(xué)獲取實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的方法以及小組成員的具體分工等。

表2 水污染對(duì)生物的影響以及生物的凈化作用涉及的STEM資源

注： 案例提供者——廈門第一中學(xué)黃春曉

環(huán)節(jié)3： 為突破水蚤心率計(jì)數(shù)難點(diǎn)，師生運(yùn)用數(shù)碼顯微鏡的實(shí)時(shí)拍攝技術(shù)完成實(shí)驗(yàn)觀察，并借助計(jì)數(shù)器進(jìn)行單位時(shí)間內(nèi)的準(zhǔn)確計(jì)數(shù)，分別收集水蚤在培養(yǎng)液、模擬污水及凈化水中的心率變化，進(jìn)一步在Excel中完成作圖分析。

環(huán)節(jié)4： 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示，隨著洗衣粉溶液濃度的增加，水蚤心率受抑制的程度逐漸加深，而經(jīng)過凈化的洗衣粉溶液對(duì)水蚤心率的抑制作用明顯減弱。其他模擬洗滌污水(如洗潔精、洗手液等)對(duì)水蚤心率的影響與洗衣粉溶液相似，生物凈化效果也相似。學(xué)生受“酸雨對(duì)生物的影響”探究實(shí)驗(yàn)的啟發(fā)，提出“探究水污染對(duì)生物的影響”的探究設(shè)想，在教師的指導(dǎo)下，合作設(shè)計(jì)解決方法，進(jìn)而利用科學(xué)、技術(shù)、工程、數(shù)學(xué)等知識(shí)解決問題，并運(yùn)用理性方法驗(yàn)證解決效果。從實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)到實(shí)施，班級(jí)成員匯聚集體的理解、努力和分工來尋求問題的解決。

4 實(shí)施意義

STEM本身存在跨學(xué)科知識(shí)糅合的復(fù)雜性、學(xué)科跨界的不確定性，并對(duì)學(xué)校課程設(shè)置、教師課程開發(fā)和設(shè)計(jì)能力是巨大挑戰(zhàn)，因此在現(xiàn)階段進(jìn)行課程的改革不切實(shí)際。但是通過融合STEM理念的實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新則可以加深學(xué)生對(duì)概念的理解，有助于學(xué)生思維的成長，問題解決意識(shí)和能力的提升，也有助于教師對(duì)學(xué)生多維度、多元的評(píng)價(jià)。

從教育教學(xué)改革發(fā)展的層面上講，今后高中不再分文理科，開放學(xué)生學(xué)科的自主選擇，學(xué)科之間必然走向融合，培養(yǎng)全面發(fā)展的人才成為可能。