基于STEM教育理念的高中生物教材分析——以遗传与进化模块为例

陈慧珊，王 伟*，吴久利，孙 娴，徐忠东

(1.合肥师范学院 生命科学学院，安徽 合肥 230601；2.合肥市第六中学，安徽 合肥 230061)

教师是学生与课本知识沟通的桥梁，是课堂的主导者，其主要任务是将复杂的知识简单化并教授给学生，所以教师对教材的掌握尤为重要。STEM是科学(Science)，技术(Technology)，工程(Engineering)，数学(Mathematics)四门学科英文首字母的缩写，强调学科的交叉融合。STEM教育理念是将四门学科进行有机整合并呈现于课堂，旨在提升学生的综合能力[1]。生物学课程的目标是让学生通过学习，能够运用生物学知识解决生活中的问题，并在这个过程中树立生命观念和科学思维。如何在分析教材的过程中渗透STEM教育理念、促进生物学核心素养落地课堂，下面结合相关的内容进行分析和说明。

1 基于STEM教育理念的教材分析作用和意义

教材内容是实现教学目标的重要载体，分析教材内容有利于教师在教学的设计和实施过程中落实教学目标，使学生在学习过程中发展学科核心素养。有针对性地理解和分析教学内容，提取教材当中的学科本质，是教师设计教学目标和教学环节最重要的基础，能有效保障教学效果，进而达成教学目标。

1.1 有利于实现学科之间的整合

STEM教育理念的核心思想是跨学科的整合，注重学科间的相互整合，寻找各个学科之间的关系，提升学生的整体观和融会贯通的能力，培养学生进行全方面发展[2]。跨学科的整合主要落实到生活中，要运用一切资源，多方面多角度地思考问题，让学生能够运用所学知识解决实际问题。

1.2 有利于核心素养落地课堂

STEM教育理念注重教学实践活动的开展，能够有效增强学生在学习过程中的亲身体验，切身体验到学科的多样性和乐趣，从实践活动中理解教学内容[3]。《普通高中生物学课程标准(2017年版)》[4]指出要适当地将跨学科知识和技能放到学生的实践活动当中去，特别是科学、技术、工程学和数学(STEM)，让学生在实践活动中形成必备的品格和关键的能力。

1.3 有利于实现知识本位向育人本位转变

STEM教育理念强调团队协作，注重在实践活动和学科教学内容中培养学生的团结意识与合作能力。教育的根本任务是立德树人，其要求和STEM教育理念相符，都注重对“人”的培养，旨在落实培养全面发展的人，将教育从知识本位转变为育人本位。

2 基于STEM教育理念的三个层次教材分析

对教材进行分析最终目的是更好地促进教师的“教”与学生的“学”，生物学教材中蕴含着丰富的STEM教育素材，有待于教师的发掘与利用，从而发挥教材中STEM相关内容的育人价值，帮助学生全面成长成才。基于STEM教育理念，本文从模块、章、节三个层次对人民教育出版社出版的《普通高中教科书 生物学 必修2 遗传与进化》(2019年版)[5](以下简称《生物学 必修2》)进行教材分析。

2.1 模块教材分析

2.1.1 STEM教育视野下学科间的相互渗透与干预

整合性是STEM教育理念最重要的特点之一，《生物学 必修2》也充分体现了学科间的相互渗透与干预。它以基因为核心进行展开，包含跨科学、技术、工程和数学这四门学科的内容，并且以科学类知识为主，占比达到一半以上，远超其他三门学科，说明教材在对知识进行整合的同时又突出了科学知识，体现了学科的差异性。

STEM教育的价值在于不单表现其中一门学科的优势，还将学科间可以相互渗透的内容有效地进行融合，进一步促进了学科的发展[6]，高效提升了对“人”的培养。例如在遗传因子的发现部分，关于性状分离比的模拟实验中，性状分离是生物学知识；而在教材中呈现的实验操作过程中，将小桶和彩球比作哺乳动物的雌雄生殖器官和配子，让学生随机抽取并进行结合，通过表格进行记录，使学生关注数据进而发现规律用的却是数学思维。在这一个实验的过程中，不仅将生物学知识与数学思维进行结合，还锻炼了学生的技术和设计能力。

2.1.2 STEM教育视野下生物学学科核心素养的培养

在《生物学 必修2》中有大量的模型制作、实践探究以及调查研究活动。例如：制作DNA分子的物理模型、计算DNA分子中的碱基数、调查人群中的遗传病、收集恶性疾病防治方面的资料等。这些活动趣味性较强，且易于学生理解和掌握，需要学生通过小组互助才能完成，有助于培养团结协作的意识。教材较为侧重生命观念以及科学思维的培养，涵盖了大量的资料，融入STEM教育理念的同时可以促进学生综合能力的发展。这与我国教育的目标：使学生能够用科学的思维、态度、精神和习惯去解决将来在学习、工作与生活中遇到的问题[7]是一致的。

2.1.3 STEM教育对生活的价值

在《生物学 必修2》中，有生物学有关的职业、人类辅助生殖技术、DNA指纹技术、精准医疗、调查人群中的遗传病等内容，这些都与学生的生活有密切的联系，学生在学习的过程中能提前接触并理解生活中的经验技能对学生的发展具有极大的好处。STEM教育对生活的价值在教材中主要体现在以下两点：一是强调生物学知识与日常生活的联系，例如在学习DNA结构时对DNA指纹技术的介绍，让学生明白生物学知识与生活密切相关。二是注重培养学生的社会责任感，例如用例子说明人类遗传病的危害，使学生明白遗传咨询和产前诊断的重要性，具有遗传病预防的意识。

2.2 章教材分析

《生物学 必修2》共有六个章节的内容，均与遗传学内容有关，此外每章中均包含了科学、技术、工程和数学四门学科的知识，下面将以第1章“遗传因子的发现”为例，在STEM教育理念下对本章内容结构进行分析。

第一节内容主要是介绍孟德尔对豌豆一对相对性状的豌豆杂交实验。本节以科学史作为切入点，融入了性状分离比的模拟实验，让学生用简单的模型体验科学家的探究过程。学生可以利用前人的数据，通过数学统计方法分析后代可能出现的基因型或表现型比例；通过推理和证明，并结合实验的结果，解释性状分离现象，归纳总结得出孟德尔第一定律的内容。最后通过让学生设计用绿色豌豆和黄色豌豆培育纯种绿色豌豆的实验方案对学生进行思维训练。

第二节内容是孟德尔对豌豆两对相对性状杂交实验的研究过程，本节用数学统计方法分析得出两对相对性状的遗传规律，并运用“假说—演绎”法进行演绎推理，结合测交实验得出孟德尔第二定律的生物学知识，接着分析孟德尔获得成功的原因，肯定科学探究的过程需要不懈努力，最后总结孟德尔遗传规律在植物育种和医学实践等方面的应用。

本章注重对学生科学探究和科学思维的培养，融入了其他学科内容，尤其是数学学科，知识涵盖面较广泛，重视培养学生应用数学知识进行逻辑推理的思维和预测的能力，突出学科融合的同时也注重对核心素养的培养，充分体现了STEM教育理念。

2.3 节教材分析

教材分析的最终目的是让教师更好地实施教学，让课堂达到最高效。由于课堂时间的限制，在课堂上呈现的教学内容通常是以小节为单位进行的，故对每小节进行教材分析最为关键。下面基于STEM教育理念对教材第2章第1节“减数分裂和受精作用”的内容进行分析和说明。

本节首先介绍了魏斯曼的预言这一科学史，并说明这个预言通过显微镜的观察得到了证实，从而过渡到减数分裂的讲授。接下来，介绍哺乳动物精子的形成过程，用图和简单的文字展示减数分裂的完整过程，让学生关注减数分裂过程中染色体数目和行为的变化规律，进而学习卵细胞的形成过程。本节还安排了相应的实验，分小组对此实验进行项目设计，插入工程学知识，在项目实践中深化生物学知识。接下来结合模型构建活动，引导学生体验建构模型的过程，在学习技术类知识的同时提高动手能力。之后阐明配子中染色体组合多样性的原因，然后介绍精子和卵子的结合过程为受精作用，最后归纳减数分裂和受精作用对生物遗传的重要意义。在学习完本节课教材知识之后，引导学生画出有丝分裂、减数分裂和受精过程中核DNA与染色体数量的变化曲线并进行讲解，促进学生数学思维的发展。

本节内容包含了科学、技术、工程和数学知识点，充分体现出STEM教育理念的核心，即跨学科整合，同时包含了探究、实践等环节，让知识鲜活有趣，吸引学生学习的同时还突出对“人”的培养，在教学中渗透生物学学科核心素养。

3 基于STEM教育理念对教材内容分析的建议

教材是教师和学生在教学过程中使用最为广泛的知识载体，教师对教材分析是否透彻直接决定了课堂是否高效。当今，STEM已成为炙手可热的话题，成为各国教育改革的风向标之一，将STEM教育理念融合到教材分析和课堂教学中尤为重要，在分析和理解教材内容促进生物学核心素养落实到课堂当中，应注意以下几点。

3.1 精心创设问题情境，重视知识整合联结

STEM教育注重对教材内容进行情境创设，在学习情境中融合各个学科的知识，有利于培养学生的深度学习能力和高阶思维[8]。例如，在设计时对孟德尔的豌豆杂交实验研究过程进行情境的创设，将生物学遗传现象的知识串联在一起，这样的情境能让学生很好地融入到教学活动中，亲身感受科学家研究的过程，在学习和体验的过程中提升自身技能以及核心素养。

3.2 适当采用创新型教学模式

创新型教学模式大都是来自生物学科领域的专家或一线的教师，有专题的研究成果，也有一线教师经过实践得出的宝贵经验，聚集了生物学领域专家和一线教师的认识视角和教学智慧，是深化基于STEM教育理念对教材内容分析的宝贵资源。例如将指向深度学习的STEM教学模式在减数分裂和受精作用上的运用等，以现实生活中的问题作为出发点、以实验探究为基点、以小组合作为方式进行分析和教学，在此过程中发展学生批判思维能力。