基于核心素养培养的高中生物STEM项目活动开展

STEM项目活动是通过实践探究，将科学（Science）、技术（Technology）、工程（Engineering）和数学（Mathematics）有机地整合，增强学生发现问题的意识，提高其解决问题的能力，提升团队合作能力，激发其科学探究能力与创新能力，促进学生生物学核心素养的提升。STEM项目活动如何在生命观念、理性思维、科学探究、社会责任四个维度方面得到体现，值得思考与探索。

以获得第30届厦门市青少年科技创新大赛项目“花生根茎水煮液对小鼠血糖的影响”活动的开展为例，从实验探究、数据分析、假设检验、结果展示四个方面简述高中生物STEM项目活动的开展。

1 实验探究——培养科学探究能力

STEM项目活动关注学生的动手与实验能力，在活动探究过程将科学、技术、工程和数学有机地整合，依托前期科学、规范的项目活动设计，创造性地完成科学探究活动，在实践中探究、学习科学知识，认识科学的本质和真谛，有助于培养科学探究能力。

1.1 实验准备

项目预实验的结果提供了实验准备的依据，细致的实验准备工作是顺利完成实验探究的基础。

高中生物STEM项目实验准备包括：① 采集与处理生物材料，选择和处理实验材料，使项目研究操作方便、实验效果明显；② 基本设备和常用仪器用具，实验仪器和用具能否正常使用直接关系到项目研究的成败；③ 配制化学试剂，符合实验要求的试剂配制直接影响着实验的结果；④ 安排实验组与对照组，正确设置对照实验才能消除无关变量影响，获得科学有效实验结果。

案例中准备了动物血糖测试仪、四氧嘧啶等仪器与试剂以及体重为18～22 g的普通小鼠（雌雄兼用）。小鼠饲料主要成分配比为：标准饲料中蛋白质21%，碳水化合物51%，脂肪3%，采用新鲜花生根茎加8倍水浸泡2 h，两次（分别煮2 h和1h）水煮取滤液，静置过夜再过濾，滤液加热浓缩至500 g/500 mL。将100只重18～22 g的糖尿病模型小鼠随机分成5个实验组、5个对照组，每组各10只。

1.2 实验开展

实验的开展是整个STEM项目活动的核心环节，通过综合运用STEM知识探究、发现并解释未知的现象。在活动中，学生要对出现的未预见的问题及时反馈与修正，对研究方案和策略进行合理的调整，使活动尽可能往既定方向发展。实验时，教师应特别注意安全性，主要体现在仪器设备的安全与生物安全两方面，同时还要关注操作细节、操作顺序的合理性、操作标准的规范性等问题，使学生在探究中充分体验科学研究的严谨性和规范性。

本案例中首先建立了糖尿病小鼠的模型，使学生体验模型建构的特点与应用：选择100只实验小鼠，将其随机分组喂养7 d以确保其适应性，禁食24 h后再称重；每只小鼠从腹腔注射用pH为4.4的柠檬酸缓冲液溶解的四氧嘧啶（浓度为14 mg/mL）进行造模（剂量为0.1 mL/10 g），空白组按等量蒸馏水注射腹腔；实验7 d，小鼠禁食不禁水4 h后采血；测定血糖值高于11.1 mmol/L者定为造模实验小鼠。第二阶段对高血糖模型小鼠进行实验分组与给药，将100只重18～22 g的糖尿病模型小鼠随机分成5个实验组，每组10只：空白对照组（生理盐水）；模型对照组（生理盐水）；花生根茎水煮液高剂量组（30 g/kg）；花生根茎水煮液中剂量组（20 g/kg）；花生根茎水煮液低剂量组（10 g/kg）。每天分别用不同剂量花生根茎水煮液，生理盐水对两组小鼠按每只0.2 mL灌胃，连续14 d。第二阶段进行血糖测定，由社区医疗卫生所医生协助取血，采用血糖仪检测。

1.3 数据收集

数据的收集是STEM项目活动的重要环节。本环节的重点是现象的观察和记录，包括过程变化材料、定量数据的采集等。收集数据可采用直接靠感官感知观察记录——现象的定性描述、借助现有的仪器或设计新的仪器记录——图片（视频、数值）记录、理化方法检测获得的定量数据、设计特定的交互方案——综合材料收集等方式完成数据收集工作。

案例中主要收集用花生根茎水煮液灌胃后小鼠运动、取食、精神等变化的定性描述和取食量、体重、排泄量、血糖值等定量数据。

2 数据分析——提升理性思维水平

教师将学生利用科学的统计方法对收集的数据进行整理与分析，获取足够的证据，可增强学生的数据意识，提高其数据处理能力和数据交流能力。学生通过尝试解释和说明待解决的问题，培养了严谨科学研究态度，有效地提升理性思维。

2.1 数据统计

学生学习和运用科学的统计方法，避免统计数据时采用经验法则，学会处理原始数据与缺失数据，解决录入或统计错误等问题，剔除无效数据，选择有用数据，合并、整合分析有效数据。

2.2 数据转换

将数据转换成图表形式展示研究结果是高中生必备的一项数学理性思维。

教师指导学生学习平均数差异检验、方差分析、回归分析等原理，会利用相关系数或回归系数描述变量间的关系，会使用散点图、折线图、曲线图等阐述或推断统计结果，通过图表的使用和绘制，能清晰地展示定量和定性信息，并从图表分析中获得重要的发现。

在案例中以数学模式来展现，用表格来展示受试小鼠灌胃前后各组血糖值比较，可从中发现实验组与对照组的显著性差异。

2.3 模式构建

学生通过图表转换，对数据进行分析推断，尝试寻找规律性模式，构建出规范模型，避免过度依赖于结果的主观预测，利于理性分析问题，也有助于科学、技术、数学、工程有机整合。学生比较数据差异性，从对比中分析可能的原因或能佐证的结论、数据如何体现变量间的关系，从数据提炼出问题的本质。

通过与模型对照组比较，花生根茎水煮液低、中、高剂量组的血糖值均低于模型对照组，不过花生根茎水煮液低剂量组血糖值与模型对照组比较差异显著，而花生根茎水煮液中、高剂量组与模型对照组比较差异显著；从血糖差值来看，花生根茎水煮液低、中、高剂量组血糖均为负值，而且中、高剂量组的血糖差值与模型对照组比较血糖下降，差异显著，说明花生根茎水煮液中、高剂量组均具有较好的降血糖效果。

3 假设检验——践行生命观念

学生通过数据的分析来验证实验假设正确与否，选择一定的检验方法，明确统计结果对预设假设的认可度，进一步践行生命观念。

3.1 方法选择

检验是为了确定研究变量间的因果关系，检验研究策略、研究结果的准确性和可靠性，并据此对研究策略进行调整和改进的一种方法。研究的类型、变量的分布類型、研究目的，都决定着所选择的检验方法的差异。因此确定合适的检验方法，并分析统计结果至关重要。

本案例中以SPSS统计软件对样本进行分析，先统计样本是否符合正态分布，进而分析其显著性差异情况，通过差异性比较获取对结论的支撑。

3.2 假设验证

学生要依据统计数据分析误差产生的可能原因，进一步明确差异的性质，排除误差干扰进行排除，对假设进行验证，从而对个体特征做出正确的判断，综合归纳出本次研究结果对假设的支持度，判断接受或是推翻假设。

3.3 价值体现

项目研究及结果在本领域或其他领域是否有一定的价值，其价值体现是否有局限性与通用性。

案例中发现一定浓度的花生根茎水煮液对高血糖小鼠有一定的降血糖作用。因而，天然植物对降血糖作用机理和有效成分开发值得研究。

4 结果展示——增强社会责任意识

STEM项目是基于社会与生活，基于活动的开展尝试解决社会问题，通过结果的展示进一步增强社会责任感。

4.1 论文撰写

STEM项目活动论文的撰写包括项目名称、项目来源、完成本项目的目的、项目主题的形成、项目课题的确立、项目计划与方案、项目实验过程、项目实验结果、项目实验结论、讨论等。

4.2 展示交流

通过展板、幻灯片或口头表达方式展示STEM项目活动的内容，具体包括：本项目是怎样确定选题的、设计（或研究）项目的目的和基本思路、项目的研究过程（提出课题、交流讨论课题的可行性、制定探究计划、预实验阶段、正式实验阶段、论文撰写与修改、交流与讨论）、项目应用的科学方法（科学原理）、如何控制变量原理、项目的对照原则、统计学方法分析数据、根据已有知识和查阅文献对实验现象进行解释、根据实验现象提出假说等，本项目的主要贡献（创新部分）、他人同类研究的情况、进一步完善本项目的设想等。

总之，在开展“花生根茎水煮液对小鼠血糖的影响”项目活动中，通过实验探究获取真实数据，运用科学、规范的统计分析方法对项目假设进行检验，将科学、技术、工程和数学有效整合，提炼出有借鉴作用的理论，有助于高中生物核心素养的提升。

参考文献：

石进德.STEM教育在发展高中生物核心素养中的应用[J].福建基础教育研究，2016（8）：100-101.