STEM理念下初中生物学实验教学实践

■江苏省扬州市仪征市南京师范大学第二附属初级中学 康淑艳

随着社会的快速发展，科技研发和社会经济建设需要更多的高素质人才参与其中。STEM是融合科学、技术、工程和数学知识的跨学科教育理念，在初中生物实验教学中引入STEM教育理念，有助于打破学科间的间隔，跨学科整合生物知识，使学生从更加多元化的角度看待问题。此外，学科知识的相互融合强调生物学实验活动的体验感，激发了学生参与实验活动的积极性和讨论实验现象的热情，构建起以学生为主体的生物学实验教学框架，为学生生物核心素养的发展提供有力支持。

一、STEM理念渗透初中生物学实验教学的可行性

（一）基于初中生物学新课程标准分析

2022年颁布的《义务教育生物学课程标准》（以下简称新课标）指出，在生物教学中要“依据生物学的特点、社会发展对人才的需求和学生发展的需要，生物学课程以学习主题为单位构建课程内容体系……设置‘生物学与社会跨学科实践’学习主题，引导学生综合运用生物学、化学、物理、地理、数学等学科的相关知识和方法，尝试分析和解决实际问题”。课程理念提倡在生物学实践教学中引入跨学科知识开展教学活动，STEM教育理念主张跨科学、技术、工程、数学学科开展教学活动，所跨学科与社会发展对人才的需求相符合，而初中生物实验教学以探究性学习为主导，与新课标课程理念和STEM教育理念相符合，因此在初中生物学实验教学中引入STEM教育理念具有一定的可行性。

（二）基于教学目标核心素养分析

新课标指出教师应以核心素养为目标开展生物学教学活动，生物学核心素养由生命观念、科学思维、探究实践、态度责任共同组成。生命观念是指通过学习生物学基础知识形成基本的生命观念；科学思维是指培养学生运用比较、分类、归纳、演绎等思维方法思考问题的能力；探究实践是指培养学生科学探究和跨学科的实践能力，使学生能够解决真实情境中的生物学问题；态度责任要求培养学生严谨求实的科学态度。STEM理念主张引入数学、科学、工程、技术知识培养学生认识世界和改造世界的能力，以实践的方式解决学习过程中的问题。对比分析可知，STEM教育理念与生物学核心素养的科学思维、探究实践、态度责任等目标能力具有较高的契合度，STEM教育理念的融入对学生生物学核心素养的发展具有一定的促进作用，因此在初中生物学实验教学中融入STEM教育理念具有一定的可行性。

二、STEM理念融入初中生物学实验教学中的价值

（一）培养社会需要的多学科人才

科技的快速发展推动了现代生物学的发展，现代生物学主要研究社会发展过程中面临的一系列问题，例如生物能源的利用、生物对自然环境的治理、微生物改良土壤环境、植物的良性变异、自然资源的可持续利用等，问题涵盖动物保护、人体健康、环境治理、农业等多个领域，单纯依靠生物学单一的学科知识难以解决现代生命科学面临的问题。初中生作为社会未来发展的优质储备人才，需要具有一定的跨学科意识和跨学科分析能力，为后续社会问题的解决提供有力支持。STEM理念的融入对多学科人才的培育具有一定的促进作用，为此，教师应该正视STEM教育理念在现代生物学教学中的价值，为二者的融合渗透奠定坚实基础。

（二）与初中生物学教学特征相符合

相对而言，学生在初中阶段正式开始接触生物知识，对初中生物知识的理解较为有限，而小学阶段学生所学生物知识属于科学的一部分，科学学科所讲内容包括生物、物理、化学等多学科知识，学科兼容性较强，方便教师将跨学科思想引入生物学课堂。此外，与高中生物学教学模式相比，初中生物学教学重视实践，强调通过探究性活动完成教学目标，教学过程中的实验探究机会更多，为STEM理念的融入提供了必要条件。

三、STEM教育理念下初中生物学实验教学的策略

（一）渗透STEM研究理念，分阶段开展实验教学

STEM主张通过实践活动研究问题，在探讨问题的过程中分析影响问题解决的阻力，引导学生融入工程、科学、技术、数学等多学科知识提出解决问题的方案，在解决问题的过程中培养学生的跨学科思维能力。从活动过程入手分析STEM教育理念的应用关键不是跨学科知识的融入，而是通过活动设计引导学生应用跨学科知识解决问题的过程。

考虑到初中生物学实验教学的特点，教师结合生物学核心素养发展目标重新设计实验探究流程，结合STEM研究流程，将实验探究流程简化为生成研究主题、设计研究方案、组织实验活动、分析数据信息、报告观测结果等五个阶段，教师结合各阶段特征调整实验教学方式。第一阶段融入情境教学法，观察现实生活情境，寻找研究对象，提出实验探究问题；第二阶段以小组合作探究为主导，在合作讨论过程中融入多学科知识，从科学、技术、工程、数学、生物等多学科知识设计实验方案，探讨可能出现的实验结果以及验证假设的方法；第三阶段组织学生进行实验，在亲手组装实验器材、完善实验细节的过程中培养学生的探究实践能力；第四阶段师生共同分析实验结果，思考出现这一实验结果的原因和意义；第五阶段各实验小组轮流上台报告整个实验过程，师生共同讨论，分析实验过程中存在的问题，在反思性评价中对实验流程进行再优化，助力学生成长。

以苏科版七年级生物下册第十三章《土壤里的微生物》为例，教师开展生物学实验“果酒的酿造”，观察酵母菌出芽生殖过程，结合酵母菌特性完成酿酒工作，深化学生对所学真菌知识的记忆。首先，教师利用多媒体设备播放古代用酵母菌酿酒的视频，引导学生思考：“为什么古人所酿酒水度数都不高呢？在视频中投放的酒药又是什么？”情境结合问题，激发学生的好奇心和探索欲。其次，教师用PPT简要介绍果酒的酿制流程后，引导学生结合多学科知识设计实验方案，将学生分为多个小组，以小组为单位融入多学科知识展开讨论，若同学提出疑问：“果酒酿制过程的介绍较为简略，细节上应该怎样操作和把控呢？”教师引导学生运用科学技术知识解决问题：初次尝试制作果酒，果酒是否保留果肉，酒精发酵过程持续时间，酵母投放总量，发酵适宜温度都不清楚，因此需要引入科学实验中的单一变量控制法，根据可能结果逐一进行尝试，推算果酒制作细节。

部分学生在教师的引导下从数学角度出发提出建议：“为了保证对比实验结果的精准度，我们应该制备更加精确的仪器，并在开始实验前记录实验过程中的所有数据，避免数据变动影响实验结果。”最后，学生根据讨论结果，尝试对已有的实验器具进行改造，在塑料胶杯外部绘制刻度，保证实验的精确性。部分学生提出除了酵母菌以外的真菌和细菌如果进入器具，也可能会对果酒质量产生影响，学生在讨论中引入技术知识，参照医学消毒方式提出用酒精对器具进行消毒。部分学生质疑：“医用酒精能否杀死真菌？对酵母菌的生长繁殖是否会造成影响？”在讨论中丰富实验设计细节，多学科知识融入，保证生物实验活动的质量，为后续实验探究流程的展开做好准备。

（二）把握核心要素，发展多学科素养

STEM理念融入生物学实验教学推动实现跨学科资源整合，关键在于如何将科学、技术、工程、数学知识按照一定的规律融入实验过程，在实验过程中自然而然地完成跨学科知识融入，助力学生成长。为此，教师从STEM教育理念中提取与生物学实验密切联系的核心要素：情境学习、工程设计和科学探究，整合核心要素开展实验教学活动，将跨学科知识融入生物学实验过程，潜移默化地渗透STEM理念，为学生跨学科思维的形成与发展奠定坚实的基础。

以苏科版七年级生物上册第三单元《植物的光合作用》为例，教师组织“光合作用验证实验”，探讨植物在光合作用过程中空气中气体成分的变化。考虑到实验流程较长，实验较为复杂，教师将实践类实验转换为观察实验，通过体会实验设计过程、观察实验结果等方式培养学生的跨学科能力。

在实验设计过程中，教师与学生一同规划实验细节，运用参照法分析光照对植物呼吸的影响。选择长势、大小基本相同的菠菜苗作为实验对象，一盆菠菜放在阳光下的透明玻璃柜中，另外一盆菠菜放在被黑色胶带密封的玻璃柜中，在柜中加装温度指示器，避免温度因素破坏实验结果，在实验方法设计上融入科学探究知识。考虑到植物的光合作用对密闭空间中空气成分的影响速度较慢，气体成分变化不明显，教师引导学生思考如何突破困境，保证实验效果，部分学生提出增加实验植物数量，提高空气成分变化速率，同时适当缩减密闭空间大小的方案。教师借问题引入技术知识，在实验中引入非分散红外线气体分析仪、电化学氧气传感器、数据采集器等先进设备，测量空气中二氧化碳和氧气含量的细微变化，让学生体会到技术发展对生物学实验的支持作用。

观察实验开始后，教师引导学生自行观察实验结果，分析实验结果的变化趋势中隐含的信息。学生在教师的引导下通过绘制单位时间内二氧化碳与氧气释放曲线图和条形统计图的方式分析数据结果，证实光合作用会消耗二氧化碳，产生氧气，让数学知识融入生物学实验中。在实验反思环节，教师将提前准备的破损的密闭玻璃容器投入实验活动，测量密闭玻璃容器中氧气和二氧化碳含量的变化，学生发现玻璃容器中氧气和二氧化碳含量并未发生明显变化，运用工程设计思想重新分析实验流程，认识到准备的器材有问题，于是从实验器具的功能性入手设计验证器材完整性的测试方案，在玻璃容器中放置干冰，检测非分散红外线气体分析仪测试结果是否准确，抽丝剥茧查找问题原因，在探索中培养学生的工程思维，助力学生成长。

（三）适时提出问题，引导跨学科融合

不同于传统知识类课堂，初中生物学实验教学过程具有较强的实践性、探究性和开放性特征。新课标提倡学生在课堂上自由探索，但完全将实验过程交由学生完成，容易出现实验效率低下等问题，如何在效率和自主性之间取得平衡是保证生物学实验教学质量的关键性因素。为此，教师在授课中引入问题引导教学法，在学生完成实验设计、实验操作等一系列环节的过程中，教师通过提出问题的方式引导学生深入思考、探究实验细节，自主融入跨学科知识解决实验中出现的问题，在问与答的激烈交互中促进学生成长。

以苏科版八年级生物上册第七单元《植物的生殖和发育》为例，为了让学生了解酸雨对植物种子萌发的危害，认识到保护自然环境的意义，教师组织设计生物学实验“酸雨对生物的影响”。在探究实验主题阶段，教师利用多媒体设备展示农田受酸雨侵袭的视频，引导学生思考问题：“植物大面积死亡的原因是否和酸雨有关呢？”创设问题情境，激发学生的学习兴趣，唤醒学生的实验探究兴趣。实验开始前引入问题，引导学生利用工程思维设计实验方案：“界定雨水是酸雨的标准是什么？哪种物质的存在导致雨水变成酸雨？酸雨中除了常见的二氧化硫外，还有哪些成分？”学生自主上网搜集资料，通过查找酸雨检测报告，搜集酸雨定义等方式，了解实验中出现的酸雨的性质，利用工程设计思想培养学生严谨、认真的科学态度。

为了培养学生的科学思维和探究能力，教师在实验流程设计环节中提出问题：“降水量的不同、酸雨中物质成分的差异都有可能会对实验结果造成影响，在实验中应当如何控制变量对实验结果的影响呢？”教师组织学生就问题进行头脑风暴，共同制定实验方案。为了模拟真实的酸雨效果，严格控制实验中酸雨降水量，教师提出问题：“实验室中缺少控制酸雨释放量的设备，我们能否结合降雨特点自行制作酸雨模拟设备呢？”提问融入技术类知识，学生发挥想象力，在废弃饮料瓶底部均匀打上小孔，并在瓶壁标量刻度，模拟酸雨排放场景，精确控制酸雨排放量，满足实验设计要求。学生在教师的指导下设置对照实验，考察不同pH值的酸雨排放到自然环境中对植物种子、植物幼苗和植物成株的影响。

教师和学生一同观察实验结果，提出问题引导学生思考：“怎样才能使酸雨的危害更直观、清晰地展示出来呢？pH值较高的酸雨对植物生长的影响较大还是pH值较低的酸雨对植物生长的影响更大？酸雨对种子生长的影响更大还是对成年苗株的影响更大？”依托问题引导学生运用数学知识分析实验结果，推动数学知识跨学科融入实验进程。在实验活动的最后，教师组织学生分享自己在实验中的创新，如实验的改良、对照组的增加等。为了培养学生负责任的科学态度，教师提出问题：“当地雨水是否属于酸雨？单一的检测结果能否说明问题的答案？我们应该采取怎样的措施预防酸雨对农作物生长的破坏？”在交流互动中培养学生的环保意识以及爱护环境的责任感，促进学生成长。

四、结语

综上所述，STEM理念融入初中生物学实验教学活动，增加了活动的不确定性和知识的复杂性，学生不仅需要在实验教学中学习如何应用生物知识，也要在活动中学习和应用其他学科的知识。为了保证生物学实验教学质量，教师必须从学生的身心发展规律入手，将跨学科知识融入实验探究过程，营造趣味化、生活化的环境氛围，在实践探究过程中接触跨学科知识，为学生的生物学核心素养的发展提供有力支持。