生物教学教育理念研究

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摘要：在生物教学中落实STEM教育理念，打破学科界限，培养学生综合素养的基本途径有：整合科学知识，体现科学素养；整合技术手段，培养实践能力和信息素养；整合工程设计，形成工程素养；整合数学内容，领会数学方法。

关键词：STEM教育;生物教学;学科整合

STEM教育是融合了科学（Science）、技术（Technology）、工程（Engineering）、数学（Mathematics）等多门学科的一种综合性教育，强调“以设计和探索为目的，并对技术问题解决进行科学的探索”，采用以问题解决为驱动、以学生为中心的教学方式，使学生在获取科学知识的同时习得工程设计和技术手段，从而全面提升学生知识、能力与情感方面的综合素养。当下，我国的学校教育以分学科教学为主，设计和实施综合性的STEM教育在课程安排、教材编写、学校管理、教师培训等方面存在一定的困难。不过，在分学科教学中借鉴STEM教育的理念进行设计和实施，不失为落实STEM教育的一种有效途径。下面，笔者结合生物教学的实践，谈谈对落实STEM教育理念，打破学科界限，培养学生综合素养的认识。

一、整合科学知识，体现科学素养

生物学是一门自然科学。科学素养是指能够在现实生活中运用科学知识、技能和方法解决实际问题。理解科学的本质（一般过程），培养辩证唯物主义观，形成科学的审美观，是科学素养培养的主要内容。科学是对自然或社会现象进行系统性的、受控的、实证的、批判的调查研究，其典型图1的一般过程如图1所示。生物教学中可以让学生经历、感受此过程。生物课程中有许多内容体现了辩证唯物主义观，例如，生物体结构与功能相适应，各器官、各系统、各代谢活动之间相互依存和相互制约的对立统一关系；生物从无到有、从简单到复杂、从低等到高等不断发展、进化的运动变化观点；生物与生物之间及生物与环境之间的相互联系观点，等等。生物教学中可以对此进行总结提炼。从某种意义上说，科学与美学是相通的，科学是规律的反映，而规律是美的内在表现。生物学中存在许多美学现象，如生物遗传的优化组合、细胞结构与功能的协调对称、生理过程的协调统一等。这些内容可以使学生深切地感受自然的和谐与统一，从而激发他们的想象力，开拓他们的思路。生物教学中可以引导学生从美学的角度探索科学规律。

二、整合技术手段，培养实践能力和信息素养技术

在STEM教育中扮演着重要的角色。通过规划技术活动，学生能够获得学习、沟通和生活技能，达到解决问题、做出决策的目的。生物课程中的技术内容十分广泛，包含常见的生物技术手段（如实验操作技术等）、生物技术工具或仪器（如血液透析仪等），还包含一定的信息技术（如办公软件的使用、数据处理软件的使用）等。生物教学中根据实际情况整合技术手段，为学生提供丰富的技术资源，传授基本的技术思想与方法，可以培养学生的实践能力和信息素养。例如，“观察叶片的结构”实验要求学生练习徒手切片并制作成装片，放在显微镜下观察，以认识叶片的结构。完成切片，能培养学生的操作能力；在显微镜下先观察叶片横切面的临时装片，再观察叶片横切面的永久装片，然后分析、比较，能培养学生的识图能力、信息获取能力以及逻辑思维能力等；将实验图像、数据以画图的方式记录下来，使所学知识加深，能培养学生自主获取知识的能力。最后，可以启发学生体会知识、方法、工具、思想等对学习生物乃至生产生活的重大意义。

三、整合工程设计，形成工程素养

STEM教育中的工程就是应用数学、科学和技术领域的概念、原理系统地解决真实、复杂的问题，强调获得结果的过程和设计。而工程素养是指能够系统地、创造性地整合数学和科学知识，理解工程设计并开发造福人类的方法。工程设计思想的融入可以提高课堂所学内容在现实生活中的实用性，使学生在更加复杂而有意义的情境中学习，同时提升自身的批判性思考能力。例如，在“制作生态瓶”的活动中，生态瓶制作的工艺流程如下：第一步，确定问题，即设计并制作一个生态瓶———在密封的条件下，能让瓶中的水生动物至少生存7天。分析任务的限制条件，生态瓶密封，即不能和外界进行气体交换，不能给瓶内动物喂食，从而确定生态瓶内要有植物为动物提供氧气和食物，或者还有其他动物，从而形成食物链或食物网。第二步，设计方案。通过资料查阅，深入了解活动所提供的动物和植物，然后绘制出动植物之间的食物网（如图2），从而确定将哪些动物和植物放到生态瓶中；通过资料查阅和数据计算，确定动物和植物每天消耗的氧气量以及植物每天产生的氧气量，从而确定生态瓶中动物和植物的数量。第三步，方案实施，即根据设计方案，制作生态瓶。将沙石、水、植物和动物依次放入生态瓶中，对生态瓶进行密封和标记。第四步，对制作的作品进行测试，即测试在光照和室温条件下，瓶内的动物能否存活7天。小组讨论，制定生态瓶测试方案；合理安排小组分工，对生态瓶进行观察和数据记录，并绘制测试表格。再根据测试结果，发现生态瓶的问题，改进生态瓶的制作方案，并重新制作和测试生态瓶。第五步，交流展示。小组以绘制手抄报的方式展现本组的工作，以便小组之间相互交流和学习，并提高学生的自信心和成就感。

四、整合数学内容，领会数学方法

数学素养是指在生活中能运用具备的数学知识识别问题、表达问题、理解问题和解决问题，并能通过良好的数学能力做出较为准确的判断。数学方法作为生物研究的一种工具，可以对生物研究对象进行分析和描述、计算和推理，从而从定性到定量更好地认识化学变化及其规律。在生物教学中运用数学方法（如数形结合、函数与方程、守恒法、差量法、极值法等）分析某些生物问题，或把生物问题转化为数学问题，能够更快速、更科学地解决生物问题。例如，“花生果实大小的变异”研究包含花生取样、测量果实长轴的长度、整理数据、画出曲线图等活动。花生取样采用的是随机取样的方法，数量要足够，一般不少于30枚；果实长轴长度的测量考查测量技能的应用；将测量后的数据绘制成曲线图，需要运用坐标轴思想……研究过程中数学方法的应用，可以有效提高学生的问题分析能力、推理归纳能力以及识图用图能力。再如，上述生态瓶的制作过程，学生需要计算不同动物、植物每天呼吸作用需要的氧气量，不同植物每天光合作用产生的氧气量；要使生态瓶中的植物能够产生足够维持动物和自身存活的氧气量，还要计算植物和动物的体积比或重量比等。

作者:吴志强 单位:安徽省芜湖市第十二中学