摘 要：STEM教育理念強(qiáng)調(diào)科學(xué)、技術(shù)、工程和數(shù)學(xué)的深度融合，以培養(yǎng)學(xué)生的問題解決能力、創(chuàng)新精神和實(shí)踐操作能力。雖然該理念在促進(jìn)學(xué)生發(fā)展方面優(yōu)勢顯著，但在高中生物實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用并不理想。鑒于此，文章重點(diǎn)探討了STEM教育理念在高中生物實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用策略，旨在通過跨學(xué)科的學(xué)習(xí)方式，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，提升他們的實(shí)驗(yàn)技能和科學(xué)素養(yǎng)，培養(yǎng)出具備STEM素養(yǎng)的人才。

關(guān)鍵詞：實(shí)驗(yàn)教學(xué)；高中生物；STEM教育理念；項(xiàng)目式學(xué)習(xí)

生物實(shí)驗(yàn)教學(xué)是高中階段培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)素養(yǎng)和實(shí)踐能力的重要路徑。近年來，不同階段、學(xué)科的一些教師開始嘗試將STEM教育理念融入日常教學(xué)中，以期提升教學(xué)效果，培養(yǎng)學(xué)生的學(xué)科素養(yǎng)。為了深入了解STEM教育理念在高中生物實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用情況，筆者對本校及周邊學(xué)校的一些教師進(jìn)行訪談。訪談結(jié)果顯示，教師普遍認(rèn)為STEM教育相較于傳統(tǒng)教育具有顯著優(yōu)勢，其跨學(xué)科、趣味性、體驗(yàn)性的特點(diǎn)能夠更好地激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和探究欲望。同時，教師也認(rèn)識到，在當(dāng)前教育環(huán)境下，家長和學(xué)生對STEM課程的熱情主要集中在小學(xué)階段，隨著學(xué)生升入初中、高中，學(xué)業(yè)壓力逐漸增大，導(dǎo)致許多學(xué)生放棄STEM課程，轉(zhuǎn)而投身于應(yīng)試教育。鑒于此，將STEM教育理念融入高中生物實(shí)驗(yàn)教學(xué)顯得尤為重要，為了實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，需要探索更多實(shí)用、新穎的應(yīng)用策略。

一、STEM教育理念的內(nèi)涵和特點(diǎn)

（一）內(nèi)涵

STEM教育理念強(qiáng)調(diào)科學(xué)（Science）、技術(shù)（Technology）、工程（Engineering）和數(shù)學(xué)（Mathematics）四個領(lǐng)域的深度融合。這一理念的核心在于，通過整合這些傳統(tǒng)上被視為獨(dú)立學(xué)科的知識和技能，使學(xué)生具備在復(fù)雜多變的世界中解決問題、創(chuàng)新思考以及終身學(xué)習(xí)的能力[1]。STEM教育理念的內(nèi)涵遠(yuǎn)超出了簡單的學(xué)科疊加，它鼓勵學(xué)生以跨學(xué)科的方式探索現(xiàn)實(shí)世界，理解不同領(lǐng)域之間的內(nèi)在聯(lián)系，并應(yīng)用這些知識解決實(shí)際問題。在這個過程中，學(xué)生不僅獲得了扎實(shí)的學(xué)科基礎(chǔ)，更重要的是學(xué)會了如何將這些知識融會貫通，形成了一種全面的、以解決問題為中心的學(xué)習(xí)方式。同時這種教育理念認(rèn)為，學(xué)生只有在真實(shí)的環(huán)境中親身體驗(yàn)，才能真正理解知識的本質(zhì)，并將其轉(zhuǎn)化為實(shí)際應(yīng)用的技能。

（二）特點(diǎn)

一是跨學(xué)科性。STEM教育理念強(qiáng)調(diào)科學(xué)、技術(shù)、工程和數(shù)學(xué)等學(xué)科的有機(jī)融合，讓學(xué)生在解決問題的過程中，能夠綜合運(yùn)用各種知識和技能。這種跨學(xué)科的學(xué)習(xí)方式，不僅能夠拓寬學(xué)生的知識視野，還能夠培養(yǎng)他們的綜合素養(yǎng)和創(chuàng)新能力。二是趣味性。STEM教育理念注重激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和好奇心，通過設(shè)計富有挑戰(zhàn)性和趣味性的學(xué)習(xí)任務(wù)，讓學(xué)生在輕松愉快的氛圍中探索未知、發(fā)現(xiàn)新知[2]。這種趣味性的學(xué)習(xí)方式，不僅能夠調(diào)動學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，還能夠培養(yǎng)他們的自主學(xué)習(xí)能力和終身學(xué)習(xí)的意識。三是體驗(yàn)性。STEM教育理念關(guān)注學(xué)生的親身體驗(yàn)和實(shí)踐操作，通過讓學(xué)生親身參與到科學(xué)實(shí)驗(yàn)、工程設(shè)計等活動中，讓他們在實(shí)踐中感受知識的魅力、體驗(yàn)成功的喜悅。這種體驗(yàn)性的學(xué)習(xí)方式，不僅能夠增強(qiáng)學(xué)生的實(shí)踐能力和動手能力，還能夠培養(yǎng)他們的團(tuán)隊合作精神和創(chuàng)新意識。

二、高中生物實(shí)驗(yàn)教學(xué)中STEM教育理念的應(yīng)用價值

（一）促進(jìn)知識融合，深化實(shí)驗(yàn)理解

在高中生物實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，STEM教育理念的引入為傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)注入了新的活力。STEM教育理念的核心在于跨學(xué)科融合，它鼓勵學(xué)生通過整合科學(xué)、技術(shù)、工程和數(shù)學(xué)等多個學(xué)科的知識來解決問題[3]。在這種教學(xué)理念的指導(dǎo)下，生物實(shí)驗(yàn)教學(xué)不再局限于單一的生物學(xué)知識傳授，而是成了一個促進(jìn)多學(xué)科知識融合的實(shí)踐平臺。在實(shí)際教學(xué)中教師引導(dǎo)學(xué)生運(yùn)用生物學(xué)知識的同時，可以結(jié)合其他學(xué)科，如物理、化學(xué)、數(shù)學(xué)等的相關(guān)知識，共同探索實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象背后的科學(xué)原理。

（二）激發(fā)實(shí)驗(yàn)興趣，培養(yǎng)探究精神

興趣是最好的教師，對于高中生而言，對生物實(shí)驗(yàn)產(chǎn)生濃厚的興趣是他們主動參與實(shí)驗(yàn)、積極探究科學(xué)原理的重要動力。STEM教育理念注重實(shí)驗(yàn)的趣味性和探索性，通過設(shè)計富有趣味性和挑戰(zhàn)性的實(shí)驗(yàn)任務(wù)，能夠吸引學(xué)生的注意力，引發(fā)他們的好奇心。在實(shí)驗(yàn)過程中，教師鼓勵學(xué)生提出問題、猜想假設(shè)，并自主設(shè)計實(shí)驗(yàn)方案進(jìn)行驗(yàn)證。這種以問題為導(dǎo)向的實(shí)驗(yàn)教學(xué)方式，能夠激發(fā)學(xué)生的探究欲望，讓他們在實(shí)驗(yàn)中找到樂趣，培養(yǎng)起對生物實(shí)驗(yàn)的興趣。

（三）強(qiáng)化實(shí)踐操作，提升實(shí)驗(yàn)技能

實(shí)踐操作是提升學(xué)生實(shí)驗(yàn)技能的重要途徑。在STEM教育理念的指導(dǎo)下，生物實(shí)驗(yàn)教學(xué)更加注重學(xué)生的親身體驗(yàn)和動手操作。教師需要提供給學(xué)生更多的實(shí)踐機(jī)會和時間，讓他們親手進(jìn)行實(shí)驗(yàn)操作，感受實(shí)驗(yàn)過程中的每一個細(xì)節(jié)和變化。這種實(shí)踐導(dǎo)向的教學(xué)方式能夠幫助學(xué)生更加直觀地理解實(shí)驗(yàn)原理和方法，加深他們對實(shí)驗(yàn)操作技能的掌握[4]。例如，在實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程中，教師可以通過模擬真實(shí)的實(shí)驗(yàn)環(huán)境和場景，讓學(xué)生置身于實(shí)際的研究環(huán)境中進(jìn)行實(shí)驗(yàn)操作。同時組織學(xué)生開展小組討論和交流活動，分享彼此的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)和成果。這種合作式的學(xué)習(xí)方式能夠幫助學(xué)生相互借鑒、取長補(bǔ)短，共同提升實(shí)驗(yàn)操作水平和技能掌握程度。

三、STEM教育理念在高中生物實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用策略

（一）融合數(shù)學(xué)應(yīng)用，精確實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

在STEM教育理念下，數(shù)學(xué)作為一門基礎(chǔ)學(xué)科，其在生物實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的作用不容忽視。數(shù)學(xué)在生物實(shí)驗(yàn)中的應(yīng)用是廣泛的。從實(shí)驗(yàn)設(shè)計到數(shù)據(jù)收集，再到結(jié)果分析，每一步都離不開數(shù)學(xué)的支持[5]。例如，在實(shí)驗(yàn)設(shè)計階段，學(xué)生需要運(yùn)用數(shù)學(xué)中的統(tǒng)計學(xué)原理來確定實(shí)驗(yàn)樣本的大小，以確保實(shí)驗(yàn)結(jié)果的可靠性。在數(shù)據(jù)收集階段，學(xué)生需要運(yùn)用測量和計數(shù)等數(shù)學(xué)技能來獲取準(zhǔn)確的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。而在結(jié)果分析階段，數(shù)學(xué)的應(yīng)用則更為關(guān)鍵。

以《探究光照強(qiáng)度對光合作用的影響》為例，在實(shí)驗(yàn)設(shè)計階段，學(xué)生需要運(yùn)用數(shù)學(xué)中的統(tǒng)計學(xué)原理來確定合理的實(shí)驗(yàn)樣本量。通過計算樣本量，可以確保實(shí)驗(yàn)結(jié)果的可靠性和代表性，為后續(xù)的數(shù)據(jù)分析提供堅實(shí)基礎(chǔ)。在數(shù)據(jù)收集過程中，學(xué)生將利用測量技術(shù)來準(zhǔn)確記錄不同光照強(qiáng)度下植物的光合作用數(shù)據(jù)。這要求學(xué)生熟練掌握測量工具，確保數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和可重復(fù)性。進(jìn)入數(shù)據(jù)分析階段，學(xué)生需要運(yùn)用統(tǒng)計方法來處理和分析實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。通過計算平均值和標(biāo)準(zhǔn)差，可以了解在不同光照強(qiáng)度下光合作用的平均表現(xiàn)和數(shù)據(jù)的離散程度。這將幫助學(xué)生揭示光照強(qiáng)度與光合作用之間的關(guān)系。并且，學(xué)生還可以利用軟件繪制圖表，如折線圖或散點(diǎn)圖，以直觀展示數(shù)據(jù)的變化趨勢。這些圖表將幫助學(xué)生更好地理解實(shí)驗(yàn)結(jié)果，并從中發(fā)現(xiàn)潛在的規(guī)律和關(guān)系。最后學(xué)生可以運(yùn)用數(shù)學(xué)中的歸納和推理方法，基于實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行科學(xué)推斷。他們可以根據(jù)數(shù)據(jù)的變化趨勢預(yù)測在更高或更低光照強(qiáng)度下光合作用的可能情況，進(jìn)一步拓展實(shí)驗(yàn)結(jié)論的適用范圍。

（二）引入工程設(shè)計，優(yōu)化實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計

工程設(shè)計作為STEM教育中的核心元素，強(qiáng)調(diào)以問題為導(dǎo)向，通過創(chuàng)新和優(yōu)化設(shè)計來解決實(shí)際問題。建構(gòu)主義學(xué)習(xí)理論認(rèn)為，學(xué)習(xí)是學(xué)習(xí)者在原有知識經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，通過新舊知識經(jīng)驗(yàn)間的相互作用來建構(gòu)新的知識的過程[6]。工程設(shè)計要求學(xué)生像工程師一樣思考，將已有的科學(xué)知識、技術(shù)技能和數(shù)學(xué)方法綜合運(yùn)用，設(shè)計出能夠解決實(shí)際問題的方案。這種學(xué)習(xí)方式恰好符合建構(gòu)主義的學(xué)習(xí)觀，能夠幫助學(xué)生在真實(shí)的問題情境中主動探索，積極建構(gòu)，實(shí)現(xiàn)知識的內(nèi)化和遷移。

以《還原糖的鑒定》實(shí)驗(yàn)為例，傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)多是使用特定的化學(xué)試劑來檢測還原糖的存在。但在STEM教育理念的引導(dǎo)下，教師可以讓學(xué)生從工程師的角度來重新設(shè)計這個實(shí)驗(yàn)。一是引導(dǎo)學(xué)生深入思考實(shí)驗(yàn)的目的和原理，明確實(shí)驗(yàn)的關(guān)鍵是準(zhǔn)確、高效地鑒定還原糖。接著，鼓勵學(xué)生發(fā)揮創(chuàng)造力和想象力，探索不同的鑒定方法。有的學(xué)生可能會提出利用光譜分析技術(shù)來鑒定還原糖，而有的學(xué)生則可能想到使用生物傳感器等先進(jìn)技術(shù)。二是在設(shè)計實(shí)驗(yàn)方案的過程中，學(xué)生需要綜合考慮實(shí)驗(yàn)材料的選擇、實(shí)驗(yàn)條件的控制、實(shí)驗(yàn)操作的簡便性和安全性等多個方面。這種工程設(shè)計的思維方式，不僅有助于學(xué)生更深入地理解還原糖鑒定的原理和方法，還能培養(yǎng)他們的創(chuàng)新思維和解決問題的能力。三是組織學(xué)生展開互相交流、合作。比如在小組內(nèi)討論各自的設(shè)計方案，相互評價并提出改進(jìn)意見。

（三）強(qiáng)化技術(shù)操作，提升實(shí)驗(yàn)操作能力

在STEM教育理念指導(dǎo)下，如何在高中生物實(shí)驗(yàn)教學(xué)中體現(xiàn)“技術(shù)”這一元素十分關(guān)鍵，建議從強(qiáng)化技術(shù)操作著手。技術(shù)操作的核心在于“做中學(xué)”，即讓學(xué)生在親手制作的過程中發(fā)現(xiàn)問題、解決問題，深化對知識的理解。在生物實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，教師可以結(jié)合實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，設(shè)計具有挑戰(zhàn)性的任務(wù)。

以《嘗試制作真核細(xì)胞的三維結(jié)構(gòu)模型》的實(shí)驗(yàn)為例，這個實(shí)驗(yàn)不僅是對學(xué)生生物學(xué)知識掌握情況的一次檢驗(yàn)，更是對他們技術(shù)應(yīng)用能力的一次挑戰(zhàn)。在實(shí)驗(yàn)開始前，教師可以通過詳細(xì)的講解和圖示，幫助學(xué)生回顧真核細(xì)胞的基本結(jié)構(gòu)，如細(xì)胞核、線粒體、高爾基體、內(nèi)質(zhì)網(wǎng)等。這樣學(xué)生在制作模型時就能更加準(zhǔn)確地還原這些細(xì)胞的形態(tài)。在實(shí)驗(yàn)過程中，教師應(yīng)鼓勵學(xué)生使用各種材料來模擬細(xì)胞器，如使用泡沫球代表細(xì)胞核，用彩色黏土塑造線粒體等。這一過程不僅要求學(xué)生具備細(xì)致的觀察力和豐富的想象力，還需要他們掌握一定的手工制作技能。學(xué)生在制作過程中，可能會遇到如何選擇合適的材料、如何精確塑造細(xì)胞器形態(tài)等問題，這些都是對他們技術(shù)應(yīng)用能力的考驗(yàn)。同時，教師還可以設(shè)計一些具有挑戰(zhàn)性的任務(wù)，如要求學(xué)生在模型中展示細(xì)胞分裂的過程，或者模擬細(xì)胞內(nèi)物質(zhì)轉(zhuǎn)運(yùn)的機(jī)制。通過這樣的實(shí)驗(yàn)教學(xué)，學(xué)生不僅能夠更加直觀地了解真核細(xì)胞的結(jié)構(gòu)和功能，還能在親手制作的過程中發(fā)現(xiàn)問題、解決問題，深化對生物學(xué)知識的理解。更重要的是，他們在這一過程中能夠真切地體會到技術(shù)操作的樂趣和挑戰(zhàn)，激發(fā)學(xué)生對生物學(xué)的興趣。

（四）開展項(xiàng)目學(xué)習(xí)，促進(jìn)知識綜合應(yīng)用

項(xiàng)目式學(xué)習(xí)符合建構(gòu)主義學(xué)習(xí)理論，該理論認(rèn)為學(xué)習(xí)是學(xué)生主動建構(gòu)知識的過程，而非被動接受。在項(xiàng)目式學(xué)習(xí)中，學(xué)生面對真實(shí)的問題情境，需要主動探索、收集信息、設(shè)計方案并進(jìn)行實(shí)踐驗(yàn)證，這一過程正是知識建構(gòu)的過程。并且這些教學(xué)方法還強(qiáng)調(diào)社會互動性，即學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中與同伴、教師等進(jìn)行交流、合作，共同完成學(xué)習(xí)任務(wù)，這種互動不僅有助于知識的共享和傳遞，還能培養(yǎng)學(xué)生的團(tuán)隊協(xié)作能力和溝通技巧。

以《探究培養(yǎng)液中酵母菌種群的數(shù)量變化》實(shí)驗(yàn)為例，教師可以將其設(shè)計為一個綜合性的項(xiàng)目學(xué)習(xí)任務(wù)，促進(jìn)學(xué)生綜合運(yùn)用生物學(xué)、數(shù)學(xué)、統(tǒng)計學(xué)甚至工程學(xué)等多個學(xué)科的知識。一是學(xué)生需要深入了解酵母菌的生物特性和培養(yǎng)條件，這涉及生物學(xué)中關(guān)于微生物培養(yǎng)的基本知識。學(xué)生可以通過查閱相關(guān)資料、小組討論等方式，共同構(gòu)建對酵母菌生長特性和影響因素的全面理解。二是在設(shè)計實(shí)驗(yàn)方案時，學(xué)生需要運(yùn)用數(shù)學(xué)和統(tǒng)計學(xué)知識來確定取樣的時間間隔、樣本數(shù)量以及數(shù)據(jù)收集和分析的方法。例如，學(xué)生可以使用統(tǒng)計學(xué)方法來預(yù)測酵母菌數(shù)量的變化趨勢，或者建立數(shù)學(xué)模型來模擬酵母菌的生長曲線。這不僅要求學(xué)生掌握一定的數(shù)學(xué)和統(tǒng)計學(xué)知識，還需要他們能夠?qū)⑦@些知識應(yīng)用到實(shí)際問題中。三是在實(shí)驗(yàn)過程中，學(xué)生需要親手配置培養(yǎng)液、接種酵母菌、定期取樣和計數(shù)等，這要求他們具備一定的實(shí)驗(yàn)技能和操作能力。同時，學(xué)生還可以借鑒工程學(xué)的方法來優(yōu)化實(shí)驗(yàn)或提高實(shí)驗(yàn)效率，如使用自動化設(shè)備來精確控制培養(yǎng)條件，或者運(yùn)用傳感器技術(shù)來實(shí)時監(jiān)測培養(yǎng)液中的溶氧量、pH值等關(guān)鍵參數(shù)。四是實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，學(xué)生需要對收集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行深入分析和綜合討論。他們需要運(yùn)用統(tǒng)計學(xué)方法來處理數(shù)據(jù)，揭示酵母菌數(shù)量變化的規(guī)律，并結(jié)合生物學(xué)知識來解釋實(shí)驗(yàn)結(jié)果背后的科學(xué)原理。通過這一環(huán)節(jié)，學(xué)生可以進(jìn)一步加深對多學(xué)科知識內(nèi)在聯(lián)系的理解，提升他們的綜合應(yīng)用

能力。

結(jié)束語

綜上所述，STEM教育理念在高中生物實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用具有顯著的優(yōu)勢和廣闊的前景。通過融合數(shù)學(xué)、工程、技術(shù)等多個學(xué)科的知識和技能，生物實(shí)驗(yàn)教學(xué)變得更加生動、有趣和富有挑戰(zhàn)性，不僅能夠提升學(xué)生的實(shí)驗(yàn)技能和科學(xué)素養(yǎng)，還能夠培養(yǎng)他們的創(chuàng)新思維和問題解決能力。因此，為了培養(yǎng)出更多適應(yīng)當(dāng)前時代發(fā)展所需的人才，生物教師應(yīng)積極探索和實(shí)踐STEM教育理念在生物實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用策略，以促進(jìn)學(xué)生的全面發(fā)展。

參考文獻(xiàn)

[1]李紅梅.基于STEM教育理念的高中生物教學(xué)[J].新課程研究，2023（29）：20-22.

[2]劉閃閃，何榮江.基于STEM理念的高中生物學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)實(shí)踐與思考[J].中學(xué)生物學(xué)，2021，37（10）：35-37.

[3]王勤.STEM教育與高中生物教學(xué)的融合策略研究[J].高考，2021（24）：65-66.

[4]陳宜.STEM教育理念下高中生物活動課教學(xué)案例初探：以“微生物的培養(yǎng)與應(yīng)用”的拓展實(shí)驗(yàn)為例[J].中學(xué)生物學(xué)，2021，37（5）：68-70.

[5]潘一亮.核心素養(yǎng)下STEM教育理念在生物課堂中的構(gòu)建探析[J].當(dāng)代家庭教育，2021（10）：89-90.

[6]江楹華，楊智慧.STEM教育理念下高中生物實(shí)驗(yàn)的探究式教學(xué)模式初探[J].教學(xué)考試，2021（15）：38-40.