应用STEM理念培养初中生的科学思维能力

王晓艳

(江苏省昆山市蓬朗中学,江苏 昆山 215333)

《义务教育生物学课程标准(2022年版)》明确指出“义务教育生物学课程注重探究和实践,以丰富的生物学知识为载体,通过多种教学活动展现人们认识自然规律和规律的思维方式及探究过程,反映自然科学的本质.学习生物学课程有利于学生养成科学思维的习惯,形成积极的科学态度,学会学习,提升科学素养,对学生的健康生活、终生发展具有重要意义”[1].本文通过将STEM课程实践活动融入初中生物的教学中,尝试通过创设不同的教学主线培养学生面对实际问题的勇于探究能力、模型构建能力、理性思维能力和批判性思维能力.

1 情境化教学主线

1.1 利用生活情境创设教学主线

STEM教学一般都是基于一定的情境中,这正是它最具有“吸引力” 的地方.学生在STEM教学活动设置的问题情境中展开学习,能把新的知识与旧的知识联系在一起,但是又不能完全确定关系,这样学生就会产生“跳一跳,能够到”的心理.在这种情况下,学生在好奇心和求知欲的驱动下,会主动去“跳一跳”,在这个过程中,就完全调动了学生自主学习的积极性和参与性,使学生对于解决真实情境中的问题产生期待,而主动去学习.

例如,在“人体内物质的运输”一课中,教师可以先问一下学生:平时有没有去医院抽过血?都是在什么情况下去抽血的呢?同学们会看血常规化验单吗?接下来给大家展示一个人的血常规化验单(见表1),请同学们思考化验单上的哪些项目的测定值不正常?

表1 血常规化验单

根据不正常的指标,同学们能判断他可能患有什么样的健康问题吗?学生们小组讨论很快得出他可能患有贫血和炎症.教师接着提问,贫血轻微的话,如果要食补,平时生活中要多饮食哪些食物呢?身体有炎症,要在医生的指导下,吃一些抗生素.继续追问,抗生素能随便吃吗?会不会把体内的一些益生菌也一同消灭了呢?本节课从学生生活中常见的血常规化验单入手,由于跟学生的生活紧密联系,能很快激起学生学习本节课的兴趣.同时也给学生如何健康生活和安全用药提供一些指导,让学生认同生物学及医学伦理观念,养成健康生活的态度和行为习惯.

1.2 利用角色情境创设教学主线

学生在创设角色情境教学主线中去学习,源自对自然界的好奇心和求知欲,可以很快地投入到课堂中,在不同的任务驱动中提升思维能力和情感体验[2].例如,在“食物链”一课中,教师找六位学生,分别扮演青草、蚱蜢、青蛙、鸡、蛇、猫头鹰,然后按照“吃与被吃”(被吃的在左边,捕食者在右边)的顺序站成一条线.让学生在角色体验中,自己总结食物链的概念,促进学生达成学科核心素养的目标.

2 探究化教学主线

STEM教育主张让学生在动手的过程中掌握知识,同时将所学的知识运用在动手中.即活动的实践性是STEM教育更注重的,力争让学生把学习到的知识从结果转变成过程.这正与《义务教育生物学课程标准(2022年版)》中的课程目标“探究实践”相一致.探究实践是获得生物学知识和发展学生科学素养的重要学习方式,是创新型人才的重要标志.因此,教师创设教学主线的过程中,要充分利用真实的实验探究情境,促进学生对自我的清晰认识、树立学科自信,改进学习方式,促进其核心素养的形成.

例如,在“探究种子萌发的环境条件的实验”中,图1甲装置的温度为26 ℃,乙装置的温度为6 ℃,请你说出本实验一共设置了几组实验组和对照组?控制的单一变量又分别是什么?你认为最容易萌发的种子是几号?

图1 实验装置图

学生通过思考交流,得出:①②可以形成一组实验,单一变量是水;②③可以形成一组实验,单一变量是空气;②⑤可以形成一组实验,单一变量是温度.学生最后推测,②号最容易萌发,因为它具备了充足的空气、适度的水分、适宜的温度等条件.教师继续追问光是否影响种子的萌发?大部分同学认为光影响种子的萌发.先不要着急说出你推测的结论,可以亲自做一个探究实验.那么,怎样设置无光的环境呢?如何保证除光这个因素不同外,其它的环境条件比如温度、水分等都保持一致呢?同学们还可以多选择几种种子进行探究实验.以探究种子萌发需要的外界条件为教学主线,引导学生分析实验过程并制定实施实验过程,通过对实验设计方案及实验现象的分析总结、推理判断,最终得出结论,培养学生的逻辑思维和学科探究的能力.

3 逻辑化教学主线

逻辑通常是指人们认识客观事物的思维方式和思维规律.其中,发展科学思维是培育学生理性思维、批判质疑、勇于探究等科学精神的重要途径[3].思维的出发点就是善于提出问题,教师应有意识地去设置疑问,让学生在“疑问”中产生对探究生命奥秘的兴趣,领悟科学的真谛,逐步培养学生的创新精神.

例如,在“探究绿色植物在光下制造有机物”一课中,教师可以设计一连串的问题为主线:检验有机物的方法是什么?绿色植物的叶子本身是绿色,可以直接滴加碘液吗?会不会影响观察效果?该如何将叶片的绿色褪去呢?同学们根据课前预习,知道了叶片之所以呈现绿色,是因为含有叶绿素,叶绿素溶于酒精,不溶于水.要想快速将叶绿素褪去,可以加热.那么,能不能将叶片放入酒精直接加热呢?如果直接把叶片褪色,然后滴加碘液,可以吗?

学生在解决问题的过程中会逐步体会科学家的每一个实验步骤的目的和意义,比如,先将叶片暗处理,是为了让叶片中本身就有的淀粉通过呼吸作用消耗掉,然后再放在光下处理3～4个小时,是为了让绿色植物在光下制造有机物,隔水加热的目的是为了防止爆炸.这样设置,学生的学习思路更清晰,更有利于发展学生的科学探究能力.

4 信息技术教学主线

使用信息技术与学科课程相整合,可以解决过去存在的、在各学科教学中难以解决的问题.面向全体学生,倡导学生主动参与、乐于探究,培养学生搜集和处理信息的能力、分析和解决问题的能力以及交流与合作的能力.

例如,在“人体对食物的消化和吸收”这节课中,首先以音频的形式导入——同学们生活中经常会遇到的腹痛、呕吐的情况,让学生初步分析引起小明腹痛、呕吐的可能的原因.紧接着展示消化系统的动画图,让学生更直观地知道本节课要学习的内容.在学习消化系统组成的时候,可以采用希沃白板,让学生直接在讲台上拖动消化道、消化腺到相应的位置,最后以自己制作的消化系统3D图,让学生通过平板亲自感受消化系统的组成,知道咽、食道、胃、小肠、大肠等消化道的具体位置.在讲述消化系统的功能时,可结合视频和仿真实验,让学生知道胃、胰腺、肠腺的功能.在探究小肠适于消化和吸收的结构特点时,先展示表格——消化系统各器官的长度,让学生根据表格,说一下小肠为什么适合消化和吸收.然后,在通过学生分组实验探究小肠的内部结构,接着结合小肠的3D图,让学生知道小肠是食物消化和吸收的主要器官.通过动手制作小肠模型,进一步巩固小肠的结构,再结合希沃中的游戏,让学生通过做游戏来巩固本节课的内容.学完本节课后,让学生结合人体生理知识,更专业性地解释引起小明呕吐、腹痛的原因.目的是让学生关注自身的健康和发展,养成良好的饮食习惯.最后,让学生制作一个关于消化系统的健康小贴士,送给好朋友和家人们.

本节课通过动手体验消化系统的3D图、PK游戏、手工制作等环节,增加学生学习的趣味性.让学生在“做中学、用中学、创中学”,充分体现了核心素养的实践性.

例如,在“植物的生长发育”这节课中,以一段视频《种子到参天大树》为导入,抛给学生一个问题:一个只有零点几克的种子发育成大树,到底种子内部蕴藏了什么秘密呢?从而激发学生学习本节课的兴趣.接着开始让学生观察种子的结构,首先观察蚕豆的种子,学生结合蚕豆3D模型,说出蚕豆的外形和形状,然后小组实验探究,把蚕豆的种皮慢慢剥掉,掰开豆瓣,观察内部结构,小组拍照片通过平板上传到钉钉群里,并找小组长到讲台,指出蚕豆的各个结构.此时,在结合蚕豆3D图,进一步巩固蚕豆种子的结构.在探究蚕豆各结构功能时,通过控制变量,让学生尝试用剔除法.如,探究胚芽的功能时,我们可以将胚根剔除,每隔一天观察生长状态,拍照片,……观察胚芽发育情况;探究胚根的功能时,我们可以将胚芽剔除,每隔一天观察生长状态,拍照,五天以后……观察胚根发育情况;由于胚轴与子叶相连,可以用记号笔给胚轴做好标记,每隔一天观察生长状态,拍照,五天以后……观察胚轴发育情况.以上这些,可以提前布置给学生,上课的时候让他们呈现结果和照片.从而得出胚芽发育成茎和叶,胚根发育成根,也会发现子叶逐渐萎缩,借机提问,子叶有什么作用?可滴加碘液.小组将观察结果用平板电脑拍照片上传,子叶变蓝色,说明子叶中含有营养物质,为种子的发育提供营养.

本节课以小组为单位,借助平板,学习种子的结构,利用钉钉群分享观察结果照片,充分体现了学生的主观能动性,让学生学会利用信息技术查阅资料,同时还培养了学生的科学探究思维、动手能力和合作与交流能力.