石进德
(厦门第一中学集美分校,福建厦门361023)
STEM教育在发展高中生物学核心素养中的应用
石进德
(厦门第一中学集美分校,福建厦门361023)
应用STEM教育理念开展高中生物学教学,学习场所不再局限于教室和学校,有助于学生尝试用生命观念去认识生命世界、解释生命现象;在解决现实问题中综合应用所学的生物学、数学、物理等知识,提高学生的理性思维;在探究实验、实践活动中学习科学知识,增强社会责任感,提高分析问题、解决问题的能力、科学探究能力与创新能力,促进学生的生物学核心素养发展。
STEM教育;生物学核心素养;科学探究;实践活动
STEM最初是由美国政府提出的,它是指科学(Science)、技术(Technology)、工程(Engineering)和数学(Mathematics)以跨学科的形式在教学中整体呈现。STEM教育重视实施开放与动态的课程,要求学生利用已有知识解决现实问题,同时拓展和完善知识体系,具有生命性。强调跨学科整合的思维解决真实情境中的问题,具有融合性。关注实验探究与实践,具有科学性。强调社会的共同参与,具有社会性等特点。笔者尝试在高中生物学教学中应用STEM教育理念,探索发展学生生物学核心素养的途径。
不同学生的思维品质、个性特征、知识储备、经验积累具有较大的差异性,STEM教育强调学生的个性发展是开放和动态的,学习场所不应局限于教室和学校,开放式的学习有助于学生理解或解释生命过程和生命现象。
人教版《高中生物·必修3·稳态与环境》的第四章“种群和群落”一节学习后,教师指导学生开展“探究土壤中的动物类群丰富度”的探究性学习。学生通过理论学习、实验操作、校园内外指示动物生境调查、研究成果交流、展示及拓展延伸等活动,走出课本与教室,融入大自然和社会,以实验室、校园、校外场地等为研究、学习的场所,灵活运用科学知识,积极寻求高校或科研机构专家的理论指导和技术支持,学习指示值法、不同理化性质对土壤动物群落的影响、土壤动物的监测、大型土壤指示动物生态毒理实验等动物生态学原理与研究方法,主动探索解决有关生命活动具体问题的方法。
“探究土壤中的动物类群丰富度”的探究性学习内容是开放的、活动过程是动态的,是对课堂知识的拓展和延伸。在这个动态的活动过程中,学生尝试用生命观念去认识生命世界、解释生命现象,提升认识能力和解决现实生活问题的能力,体现STEM教育活动的生命性。
STEM教育强调科学、技术、数学、工程等跨学科整合,在解决现实问题中促进学生的理性思维。
学生学习高中微生物学知识后,基于DNA水平的非培养方法开展“杏林湾微生物群落组成及多样性研究”活动,通过查阅资料→实验准备→样本采集→实验处理→细菌多样性分析→水质检测、分析→结果分析处理等研究过程,学习科学研究的文献法、采样分析法、实验检测法、16SrDNA测序和PCR克隆技术,绘制研究水体微生物的S型、J型曲线,建立其数学模型,通过归纳与概括、演绎与推理,构建水体分离细菌系统发育树,发现和分离研究水域中未知细菌,为新型微生物资源的开发提供依据。通过研究发现研究水体的水质安全性较差,不适宜与人类肌肤直接接触(如游泳等),应加强水体管理,尤其要减少周边养殖废水、生活垃圾以及工业污水的随意排放,从源头上做好水体的保护工作。由此论证了水体安全性这一生物学社会议题,为城市规划建设中环境保护建设提供水体监测依据。
通过此活动,学生所学的高中生物学、数学、物理等理论知识得到有机的融合与应用,学生在解决现实问题中提高了思维能力。
STEM教育关注学生的动手实验,在实践中探究、学习科学知识,认识科学的本质和真谛,这与高中生物学倡导科学探究的理念相吻合。
在开展高中生物“比较H2O2在不同条件下的分解”实验时,学生观看该经典实验微课视频后发现实验存在科学性问题:一是滴加氯化铁和肝脏研磨液是分步进行的,不利于同时比较气泡产生的情况;二是带火星木条也是先后插入两支试管中,对带火星木条的助燃效果比较也没有同步进行;三是带火星木条易接触到试管壁导致木条熄灭;四是使用两个火星木条无法满足对照实验中单一变量原则。实验的准确性、科学性和可靠性等受到影响。同时学生还提出在对比试管中产生的氧气(或二氧化碳、氨气、氯气等)浓度等生物学或化学实验中,同样存在类似的问题。教师启发学生进一步思考能否尝试设计一种对两支试管中化学反应产生气体的浓度进行定性同步比较的实验装置?如何让比较实验同步进行?如何更科学合理地设计实验过程?接着师生共同研讨解决问题的方案。通过查阅资料,对探究实验的要求、对比实验单一变量原则有了进一步的理解和认识,激发了学生探究实验的兴趣,分组设计改进实验的方案。在众多的方案中,Z同学的方案最有创意,在同伴互助、教师指导下,她反复改进方案,最终设计出一种对两支试管中化学反应所产生气体的浓度进行定性比较的、能进行同步实验操作或演示实验装置。
通过“比较H2O2在不同条件下的分解”探究实验,学生认真分析实验现象与实验结果,从中发现问题,并尝试应用生物学知识解决问题,促进了科学探究能力、实践能力与创新能力的提高。
STEM教育是围绕社会热点、难点问题展开研究的。例如“体验古法酿酱技艺、传承中华酱文化”实践活动是源于学生的生活和体验,基于中华文化的传承而设计的,是“关于生活的教育”,也是“为了生活的教育”。通过此活动,学生学会识别有毒(劣质)酱油,践行健康饮食理念,体验酿酱技艺,体会“谁知盘中餐粒粒皆辛苦”的含义及父母培养子女的辛劳,让学生学会感恩和养成热爱劳动的思想品质。“花生根茎水煮液对糖尿病小鼠血糖的影响”实践活动是基于社会的发展和人类生活方式改变使得糖尿病发病率逐年递增,成为第三大非传染性疾病,严重威胁人类健康。而闽南地区盛产花生,每年花生收割后,花生根茎却被丢弃在农田里做肥料。通过本实践活动研究表明花生根茎水煮液确实能降低血糖,既能将花生根茎变废为宝,又能节约就医用药的开支问题。
这些实践活动均与学生的生活息息相关,学生在参与实践活动、解决问题的过程中,大大增强社会责任感。
STEM教育理念指导下的高中生物学教学,让学生通过“发现问题→提出问题→作出假设→制定计划→实施计划→分析结果→得出结论”等科学探究实践活动,增强了学生发现问题的意识,提高了解决问题的能力、团队合作能力、科学探究能力与创新能力,有利于促进学生生物学核心素养的提升。
[1]蒋桂林.基于高中生核心素养培养的生物学科素养的思考[J].中学生物学.2015(10).
[2]杨晓哲.数字化时代的STEM教育与创客教育[J].开放教育研究.2015(5).
[3]黄晓.论STEM教育的特点[J].江苏教育研究.2014(15).
(责任编辑:陈欣)
本文系福建省教育科研“十二五”规划2014立项课题“‘翻转课堂’——高中生物‘慕课’实践研究”(项目编号:FJJK14-404)研究成果。