STEM教育理念在中学生物学教学中的应用

尚静 金涛 张大乐

摘要：教育理念是培养德技并修、全面发展人才的基础和灵魂，STEM（Science，Technology，Engineering，Mathematics）素养是科学、技术、工程与数学素养的综合体现。阐述了STEM教育理念在中学生物学科教学过程中的融合创新，以加强中学生对生物学科核心素养的认识，对中学生物教学实践有一定的促进作用。

关键词：STEM;教育理念;生物学;教学

生物学是研究生命现象和生命活动规律的基础学科。通过生物学课程的学习，学生可以了解种植业、畜牧业、医疗、卫生等方面的知识及技术，从而强化对生命的感知和认识。生物学的研究经历了从定性到定量、从宏观到微观的发展后，它的应用仍在不断地扩大，如，生物学在食品、化工、能源和环境保护等领域得到了极大的发展和应用。同时，它和信息、工程等方面的结合也逐渐增加，对人类的社会、经济和生活有着越来越大的影响。相应地，生物学科的教育也越来越凸显其重要性，它不仅对学生的能力培养提出了更高的要求，同时对教师来说既是机遇又是挑战，对教师的教育理念也提出了前瞻性和创新性的要求。

不断更新的教育理念是生物学科教育永葆青春的灵魂。传统的教育理念是按照单一学科划分的，虽有利于知识的系统化、条理化，但是它使学科之间彼此分离，割裂了学科之间的联系，以知识为中心，把知识的传授作为教学的最终目标，目标十分明确。这种教育理念对学生创新意识和创新能力的培养有所限制。

2017年修订的中学生物学课程标准强调：生物学与其他学科之间具有密切的联系，生物学的教育应力争让学生能用科学的观点、思想和方法解决现实生活中的一些问题，形成相应的生物学学科核心素养。这就需要教师收集与教材内容相关的资料进行教学设计，对生物技术、生物信息和生物工程等相关的研究进展有总的了解和把握，将其巧妙地融合到教学中，提升学生在未来發展中所必备的品格和关键能力，培养学生的创新能力和科学素养。

在这种背景下，许多新的教育理念随着时代进步的需要应用而生。其中，起源于美国的STEM（即Science，Tech-nology，Engineering，Mathematics）教育理念与新课程所提出的要求和标准有许多相近之处，这种教育理念可以更好地促进学生在生物教育综合素养的培育和发展，STEM教育理念所提出的教学模式和方法可以最大程度地弥补和完善传统教育理念的不足。

一、STEM教育理念概述

STEM教育理念的英文缩写是由科学（Science）、技术（Technology）、工程（Engineering）和数学（Mathematics）英文首字母组合而成，在这四门学科中，科学在于探索自然界所蕴含的规律，完善对世界的认知;技术是利用自然界的物质、能量和规律对自然系统进行改造和加工的技能;工程是利用科学技术以及数学方面的知识，将某些实体转化为具有预期使用价值的人造产品过程;数学则是以培养人的逻辑思维为主，研究事物的数量、空间量化等方面的知识。但该理念不是科学、技术、工程和数学的简单叠加，而是超越传统教育的新理念，其特点是将原本分散的4门学科（科学、技术、工程、数学）进行有机的整合，使得学生所学到的零碎知识和机械过程转变为一个探究各事物之间相互联系的过程，这4门学科分别代表学生的四大素养，即：科学、技术、工程和数学素养。

科学的发展离不开技术的进步，数学是科学研究的基础，工程是数学和科学技术理论的应用和实践，这四门学科之间有着相互补充、共同发展的关系，在利用该理念时一定不能将他们其中的任何一个进行孤立，只有在相互交互中才能够深层次学习，才能真正做到培养学生各方面的知识和技能。

STEM教育理念，强调跨学科教学，而不是孤立地教学。在课堂上，学生自主探究是主体，教师的教学是补充，在实现教学目标的过程中，拓展了学生的思维和视野，提高了学生解决问题的能力。在中学生物的教育中融入跨学科STEM教育理念，可以更好地让中学生将所学的各个学科相互联系融合;有利于帮助学生打下扎实的学科基础，培养学生创新意识和解决实际问题的能力，对于提高学生的科学素养具有重要意义。

二、STEM教育在生物教学中的应用

（一）教学模式上，探索新的教学模式，加强学生创新意识培养

随着新课改的不断深入，新的教育理念对惯用的教学模式造成了很大的影响，在以往的教学中，教师总是教学的主导者，占据课堂的主要地位，课堂的主要内容往往是知识的传授，不能充分体现学生的主体性，需要去改进教学模式，以实现学生的自主发展。教师在探索新的教学模式时，必须满足建构性学习所强调的探究、发现和协助等基本要求。其实，不难发现探究式教学与STEM教育理念所要求的相吻合，所以将探究式教学运用于中学生物的教学中，把课堂的主人还给学生，教师提供要解决的问题，创造合适的情境，紧紧抓住学生的注意力，然后清楚地陈述每节课的目标和任务，教师作为促进者去协助学生解决问题。

探究学习之后，教师需对所要掌握的中心知识进行总结，这样不仅提高了学生的学习效率，还能够提高学生对学习的兴趣。在这种教学模式下，教师以科学探究的方式进行教学，学生分组进行学习，积极探索实践，使他们在自主探究的过程中真正理解知识，并掌握学习的方法。如，在学习《细胞的吸水和失水》时，首先给学生列举出生活中常见的现象，如，在盛有萝卜条的盘里撒适量的盐，盘里的水会逐渐增加，一段时间后萝卜条变软了;集市上卖菜的菜农会通过洒水来保持蔬菜的新鲜;农民施肥过多，会造成烧苗的现象。通过以上现象提出问题：植物细胞在什么条件下吸水？在什么条件下失水？植物细胞是怎样吸水和失水的？再利用动画视频来展示水分从哺乳动物红细胞进出的实验，学生观察和思考，当外界溶液浓度较低时，红细胞一定能够吸收水分涨破？红细胞失水和吸水是什么决定的？比较植物细胞的吸水、失水和动物细胞的吸水、失水有何不同？让学生以问题作为线索，明确目标，合作探究，主动思考，使问题得以解决，最后教师总结知识点，这种教学模式促进了学生创新能力和相应核心素养的提升。

（二）课程内容上，促进学科间的联系，让学生建立完整的知识体系

中学生物科学的主题有四个核心：从分子到有机体、生态系统、遗传、生物进化，教师在选择设计课程的问题或项目时需要重点关注各个学科的融合，注重知识的内在逻辑，以促进学生的深度学习，生物学科中重要的知识点离不开科学、数学等学科的主流思想，它需要以系统的、整体的观念来看待，这是STEM教育理念提出的基础。在课程内容上不在局限于将生物课程进行孤立教学，充分体现了该教育理念的综合性、跨学科性的特点。

通过引导学生利用整体的思维去面对不同的情境，以科学的方式探索问题的答案，建立完整的知识体系，并认识到生物学课程与科学、技术、工程等方面联系起来解决现实的问题，使学生的创新能力和科学素养都能够有所提升。如，在《观察鸡卵的结构》这一实验中，与鸡蛋结构有关的内容属于生物学范畴，但是鸡蛋不容易被捏碎，并且在醋酸溶液中容易沉降，又属于物理学的范畴，而有关鸡蛋壳的成分碳酸钙的内容又属于化学学科。再如，在《种群数量的变化》这一节内容的学习中，让学生观察“细菌繁殖产生的后代数量”，探究n代细菌数量的计算公式，描述、解释和预测种群的数量变化情况，建立以时间和细菌数为横、纵坐标的数学模型，画出相应的种群增长曲线，更加直观地观察种群数量的增长趋势，体现了数学在生物教学中发挥的重要作用。在进行上述内容的教学中，所授内容能够与其他学科进行密切联系，帮助学生建立完整的知识体系，将所学的知识进行整合贯通。

（三）课堂实践上，开展科学探究，加强学生社会责任的培养

生物学同我们的生活和生产实践密切相关，生物学科中许多的专业知识都可以用来解释现实生活中的一些现象。STEM教育理念强调学生的发展是动态的、开放的，书本不再是教师传授知识的唯一途径，教室也不再是唯一的教学场所，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。

在教学过程中充分发挥STEM教育理念的实践性特点，让实践性课程以活动为基础，基于解决问题的学习，同时获得实践的课堂体验。STEM教育理念强调学生对学习过程的参与，使学生不仅能获得以结果为基础的知识，还能学习到在问题解决过程中所蕴含的过程性知识。教师在教学过程中增加学生进行科学实践的机会，鼓励学生利用科学的思维进行探究，亲自动手实验，在探究解决问题的同时学习科学知识，把问题解决作为课堂的主线来进行课程教学。

在课程实践上，教师提供给學生精良的硬件设施和系统的科学知识，实现从知识到实践的转变，并结合知识提供相应的情境，让学生通过分析实验现象和结果，发现其中的问题，并尝试运用生物知识解决问题，促进科学探究、实践和创新能力的提高。如，在由人民教育出版社出版的高中生物必修三《稳态与环境》第四章“种群和群落”一节学习后，教师可以指导学生开展“探究土壤中的小动物类群丰富度”的探究性学习。

课堂上理论学习结束后，引导学生走出教室，走进大自然，将校园、校外场地等作为研究学习的场所，灵活运用科学知识，去探究不同理化性质对土壤动物群落的影响。再如，在专题《传统发酵技术的应用》中，它涉及到多种与生活密切相关的食物的制作，如果醋、果酒以及泡菜等。果酒制作的学习中，可以先带领学生走进相关加工厂，去了解该工程的具体操作步骤，然后回到实验室向学生讲解果酒以及果醋的制作原理，并引导学生设计出可行的果酒制作装置，利用学生的生活经验，亲自体验葡萄酒的加工过程，获得醇香的葡萄酒。总结实验中所涉及到的知识，让学生的实验设计和动手能力得到提高，通过一系列的工程实践后，学生能够利用所学知识去解释和认识自然及社会中的一些现象，将所学知识能够灵活运用并掌握，和生活紧密联系去解决现实的问题，培养生命观念和社会责任等核心素养。

在STEM教育理念的指导下，教师对生物学课程内容进行传授时，不再局限于单科教学，而是能够加强各学科之间的联系，利用整体化、系统化的观点来进行教学，学生学到的知识也不再是孤立的，能够建立一个完整的知识体系。一堂好的STEM课堂不仅要有足够的深度，还要对学生有吸引力，将学生作为课堂的主体。

教师采取以学生为主体、教师讲授为辅、探究为主的教学模式，让学生从发现问题、提出问题到制定计划、实施计划，并对所得出的结果进行交流和讨论，最终得出相应的结论。这样能够更好地培养学生的合作意识和解决问题的能力，而且在制定计划的过程中创新意识得到了很大的提升，促进他们的生物学科核心素养的培养。在这种教学模式的课堂实施过程中，重心放在了学生的探究过程，让学生的参与度达到了一个较为理想的巅峰值，让学生自己去安排实施实验计划，增加了实践的机会，利用科学思维去探究解决问题，丰富学生的课堂活动，体验问题解决所带来的成就感;同时，能够走进生活，联系实际，对知识的理解也会达到一个深度，有效提升学生的自信心，提高科学实践的能力。

在知识经济迅速发展的二十一世纪，科学技术已经成为社会发展的重要部分，在中学生物学教学中融入STEM教育理念，开发学生的科学思维与科学探究能力，使学生具备良好的科学、技术、工程以及数学素养，有利于学生在社会的发展中积极应对所面临的各种挑战，在竞争激烈的社会中占据一席之地。