STEM教育在初中生物探究活动教学中的渗透

    黄东姐

    

    摘 ? 要:本文举例阐述了在STEM教育理念的引领下,优化初中生物学探究活动,有利于学生科学思维的培养和STEM素养的形成。

    关键词:STEM;初中生物学教学;课例分析

    STEM是科学、技术、工程和数学的英文单词的简称。STEM 教育是科学、技术、工程和数学的综合性教育,它不是这四个学科教育的简单拼凑,而是要求学生在特定问题上,能运用多学科相互关联的知识解决问题,以培养学生对科学技术的兴趣,形成综合的STEM素养。

    STEM 教育的兴起缘于20世纪80年代美国对科技人才日益短缺的思考。这几年,STEM教育作为一种新颖的教学方式在我国开始流行,主要渗透在基础教育阶段,意在培养中小学生的STEM素养,为他们成为未来的科技人才奠定基础。在此教育理念下,教师引导学生利用工程设计,进行科学探究实施实验,形成自己的经验,掌握不同的设计思路,体会不同的数学处理方法,最终建构新的科学知识[ ?1 ?]。现以人教版初中生物学八年级下册“探究酒精或烟草浸出液对水蚤心率的影响”一节为例,谈谈在STEM教育理念的引领下,如何优化初中生物学探究活动。

    1 ?基于STEM教育理念的探究性实验的基本环节

    “探究酒精或烟草浸出液对水蚤心率的影响”是初中生物学“健康地生活”这一主题课程的一个探究性实验。学习者通过观察酒精(或烟草浸出液)对水蚤心率的影响,从而讨论酗酒(或吸烟)对人体健康的危害。

    1.1 ?明确探究问题

    STEM教學策略的核心是探究性学习,而探究必须始于问题,且一般是基于生活情景的真实问题。这个问题可以是学生在生活经验中自己发现的,也可以由教师给定或教材提供的。本节内容教材中提出的问题是:探究酒精(或烟草浸出液)对水蚤心率有什么影响?教师可以通过创设真实情境进一步引导学生,依据生活中的所见所闻及所学知识,提出探究问题。例如:在不同浓度的酒精(或烟草浸出液)中,水蚤心率变化情况如何?酒精(或烟草浸出液)对水蚤的生命活动会造成什么影响?酒精(或烟草浸出液)会导致水蚤死亡吗等问题。

    在初中生物探究教学活动中,教师不急于给定学生问题,可以通过创设真实情境引导学生发现问题。例如,展示图片“不吸烟者的肺和吸烟者的肺”、视频“酗酒引发心血管疾病等健康问题”,或提供“酗酒引起交通事故”等生活案例。这样既能充分运用初中学生的知识与能力储备,又能与STEM教学的创新性和开放性相契合。

    1.2 ?作出合理假设

    作出假设是指学生应用自身已有的知识,对问题的结论提出可能的设想和解答。它可以使科学研究更有针对性,而不是盲目的尝试。本节内容,学生根据自己提出的探究问题,作出相应的假设:一定浓度的酒精(或烟草浸出液)可能会使水蚤心率加大,浓度太高会导致水蚤死亡。

    在教学中,教师鼓励学生基于科学原理和事实,对探究的问题大胆地提出假设。在这过程中 ,学生充分发挥想象力和创造力,批判性思维得到了锻炼。

    1.3 ?设计并实施方案

    STEM是一种基于证据的学习。假说是否正确,需要通过设计、实施实验方案得到证据来加以验证。设计方案主要包括列出实验所需的材料和用具,选出实验控制变量,设计对照实验,拟定实验的具体步骤,确定小组成员的分工合作事项等。学生通过小组讨论自主制订实验方案,与教师共同评估方案的可行性,然后按照设计的实验步骤开始操作。即进行观察、实验,收集证据、数据,尝试评价证据、数据的可靠性等。

    本实验选择的材料用具主要有:活水蚤、体积分数为95%的酒精(或烟草浸出液)、蒸馏水、显微镜、载玻片、吸管、计时器等。在制订方案时,还需要讨论以下问题:①实验过程,需要用到多少只水蚤?水蚤应该分成几组?每组多少只?为什么?②该实验的变量是什么?③怎么样配制不同浓度的酒精(或烟草浸出液)?④怎样设计对照实验?实验的具体步骤是什么?⑤每次数水蚤心率的时长是应该是多少?怎么数水蚤的心率?怎么样才能减少实验误差?⑥怎么设计实验数据记录表?等。

    虽然在制订方案过程作了充分的准备,但在实施方案的过程中,学生还是会遇到很多问题。如载玻片上的水太多导致水蚤无法固定在一个位置;水蚤心跳太快导致学生数数出现问题;实验结果与实验预期不相符等。这时,教师可以指导学生查阅资料或提供解决办法的方案,并鼓励学生进一步优化实验方案,重复实验。在设计和实施实验方案的过程中,学生能够把工程、技术与科学原理系统地、创造性地运用于科学实践中,面对挑战,灵活地分析问题,大大提升了技术素养与工程素养。

    1.4 ?处理结果得出结论

    对实验现象进行描述、分析与判断实验数据等都需要运用到学生的数学素养。数学是STEM教育的辅助性工具,运用于科学、技术和工程之中,能帮助学生更好地分析实验结果,更科学地推导相应的结论。在实验过程中,学生设计实验结果记录表,教师引导学生根据实验结果填写真实数据,计算平均值,并画出相应的变化曲线。学生运用数学知识对实验数据进行不同方式的处理,深刻地体会到表格有利于实验结果的记录,而曲线更能直观反映变化趋势。

    例如,学生设计了“水蚤在清水和不同体积分数酒精中的心率记录表”(表1)和“水蚤在不同体积分数酒精中活动状态记录表”(表2),并将表格转化为相应的曲线图(略)。学生从图表信息推导得出以下结论:短时间内,一定浓度的酒精(或烟草浸出液)会使水蚤心率加大,在一定浓度范围内随浓度增加水蚤心率越大;30 min后,在一定浓度的酒精(或烟草浸出液)水蚤的生命活动受到影响甚至死亡。表明酒精(或烟草浸出液)对水蚤有一定的毒害作用。

    表1 ?水蚤在清水和不同体积分数酒精中的心率记录表

    表2 ?水蚤在清水和不同体积分数酒精中的活动状态记录表

    备注:摇晃后平放试管观察水蚤,以15秒内不动判定为死亡。

    学生在实验过程中设计表格及绘制曲线图,并与其他实验小组比较,从而进行适当的修正。在生物学科中进行构建数学模型思维的渗透,巧妙地把生物科学与数学有机地融合,使学生认识到数学方法是STEM教育中不可或缺的工具,能较好地解决一些生物学科问题。

    1.5 ?分享反思

    STEM教育理念指导下的探究性学习不只是一个科学研究过程,还应该有一个反思分享环节。实验小组呈现探究问题,探究方案,测量的结果,得出的结论等,并对科学研究的过程,各个步骤的成功与不足进行分析,说出实验方案中哪些地方可行,哪些地方不可行,如何改进。教师进行指导与点评,鼓励学生适当修正甚至重新设计实验方案与重新进行实验,给足时间让学生充分探究。在这个环节中,学習者与同学们分享成功的经验,进一步优化方案,体会到STEM教育中反思的重要性,能促进问题解决方法的迁移并发现新的问题。

    2 ?基于STEM教育理念的探究性实验的几点启示

    2.1 ?注重跨学科的整合

    STEM课程的核心是跨学科的整合性,在于综合运用各门学科的知识解决现实问题[ 2 ]。在现实生活中没有一个问题,用一个学科知识就能解决的。科学探究缘于生活问题,科学探究的过程需要学生综合运用各科知识,有效地进行创新与解决实践问题。因此,进行初中生物探究实验教学时,教师不能只局限于本学科的知识,应从发展学生的角度出发,引导学生整合学科知识,促进学生综合素养的形成。

    2.2 ?强调“以学生为中心”的理念

    STEM理念下的科学探究,强调的是学生的自主学习。发现问题,作出假设,制订方案,处理数据、表达分析成果等各个环节都是以学生为主体。但是由于知识、能力的局限,初中学生对于科学探究会产生畏难情绪,这就要求教师在进行每一个教学环节时,应以学生为中心选择适当的教学策略。例如,课题探究应贴近生活,适度讲解背景知识与核心概念,实验条件的提供应较为充足,实验任务应当明确,能正面激励、评价学生等。

    2.3 ?强调迭代、开放性的探索

    STEM是以工程设计为主线,强调在设计与实施中探究,不在乎探索的结果,而是注重探索方式的多样化。因此,STEM理念下的科学探究是开放性的。在教学过程中,教师应鼓励学生自主探究,开放思维,大胆想象,创新地设计实验,并提供给学生完善方案和重复实验的机会。迭代的科学探究,能实现学生对问题的充分探索,以达到找到解决问题的方式,有利于学生科学思维的培养和STEM素养的形成。

    综上所述,将STEM教育渗透到初中生物探究活动教学中,学生才真正经历一个充分的探索过程,主动习得科学概念,能力、素养得到全面的锻炼与提升。

    参考文献:

    [1]马晨晨, 解凯彬. STEM教育理念下的生物学教学案例分析与启示[J]. 生物学教学, 2017(5):9-11.

    [2]吕延会. STEM教育的核心精神[J].当代教育科学, 2017(5):16-19.

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