基于STEM理念的初中生物學(xué)實(shí)踐活動(dòng)探索

1、PAGE PAGE - 9 -基于STEM理念的初中生物學(xué)實(shí)踐活動(dòng)探索袁平平楊守摘要通過“自制反射弧模擬演示器”實(shí)踐活動(dòng)，讓學(xué)生親歷搜集資料、繪制草圖、完善方案、合理選材、調(diào)試檢測等活動(dòng)的全過程。在活動(dòng)實(shí)施中，學(xué)生承擔(dān)真實(shí)任務(wù)，體驗(yàn)真實(shí)角色，學(xué)會(huì)合作與取舍，懂得學(xué)科間融合的基礎(chǔ)上，全面鍛煉能力，提升科學(xué)素養(yǎng)。關(guān)鍵詞STEM理念實(shí)踐活動(dòng)生物學(xué)教學(xué)中圖分類號(hào)G633.91文獻(xiàn)標(biāo)志碼B義務(wù)教育生物學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2022年版）更加突出對(duì)學(xué)生實(shí)踐能力的培養(yǎng)，明確要求教師應(yīng)該提供更多的機(jī)會(huì)讓學(xué)生實(shí)踐。在初中生物學(xué)教學(xué)中開展實(shí)踐活動(dòng)能跨越書本與現(xiàn)實(shí)的鴻溝，打通學(xué)科知識(shí)關(guān)聯(lián)，打破學(xué)科間的知識(shí)壁壘。這與STEM教

2、育所強(qiáng)調(diào)的以跨學(xué)科融合為特征，以問題為載體，以學(xué)生自主參與為主內(nèi)核的創(chuàng)新性、綜合性、實(shí)踐性理念相一致。STEM教育以真實(shí)問題的解決為切入點(diǎn)，將科學(xué)、技術(shù)、工程、數(shù)學(xué)等學(xué)科有機(jī)融合，注重鍛煉學(xué)生對(duì)跨學(xué)科知識(shí)整合的能力和運(yùn)用跨學(xué)科知識(shí)解決實(shí)際問題的能力?！白灾品瓷浠∧M演示器”這一實(shí)踐活動(dòng)將生物學(xué)、物理學(xué)知識(shí)融為一體，最終實(shí)現(xiàn)學(xué)生跨學(xué)科思維、科學(xué)思維、工程思維的提升。1活動(dòng)確立的背景我國教育學(xué)家陳鶴琴提出“做中學(xué)，做中教，做中求進(jìn)步”。生物學(xué)作為一門以實(shí)驗(yàn)探究為基礎(chǔ)的自然科學(xué)，其學(xué)科特征要求教師要引導(dǎo)學(xué)生主動(dòng)參與，積極動(dòng)手，幫助學(xué)生領(lǐng)悟科學(xué)的本質(zhì)?！叭说纳L發(fā)育及對(duì)環(huán)境的適應(yīng)都受神經(jīng)系統(tǒng)和內(nèi)分泌系

3、統(tǒng)的調(diào)節(jié)”，是課程標(biāo)準(zhǔn)中50個(gè)重要概念之一。要落實(shí)這一重要概念，教師需要引導(dǎo)學(xué)生理解神經(jīng)調(diào)節(jié)的基本方式反射，反射的實(shí)現(xiàn)需要有完整的反射弧。教學(xué)中，教師通常采取圖片、動(dòng)畫、視頻等多種方式，力圖突破難點(diǎn)，幫助學(xué)生理解反射弧的組成及功能。但是，學(xué)生往往會(huì)出現(xiàn)反復(fù)記、反復(fù)忘的現(xiàn)象。即便教師利用習(xí)題訓(xùn)練進(jìn)行強(qiáng)化鞏固，學(xué)生的知識(shí)掌握情況也不如人意，距離落實(shí)“概述神經(jīng)調(diào)節(jié)的基本方式”這一目標(biāo)相差甚遠(yuǎn)。為幫助學(xué)生深度理解概念，筆者開展了“自制反射弧模擬演示器”的實(shí)踐活動(dòng)，將生物學(xué)知識(shí)與STEM教育進(jìn)行融合，以幫助學(xué)生理解重點(diǎn)、突破難點(diǎn)，最終提升學(xué)生的生物學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)，促進(jìn)學(xué)生個(gè)性化發(fā)展的目標(biāo)。2活動(dòng)準(zhǔn)備2.

4、1活動(dòng)介紹，確立目標(biāo)教師聯(lián)系生活，使學(xué)生回憶“手碰到熱的物體迅速縮回”“沙灘上腳踩到利物迅速抬起”等切身感受，引出這些反應(yīng)都與反射有關(guān)，明確告知學(xué)生制作反射弧模擬演示器的任務(wù)。2.2搜集資料，了解反射活動(dòng)開展前，學(xué)生分組，合理分工，小組成員通讀教材了解“反射”和“反射弧”的基本知識(shí)，利用平板對(duì)教師推送的網(wǎng)址進(jìn)行知識(shí)檢索，進(jìn)一步加深對(duì)“反射”和反射弧”等知識(shí)的理解。2.3動(dòng)態(tài)拆解，探究作用小組成員平板動(dòng)畫拆解反射弧5部分組成，在阻斷與整合反射弧的過程中探究某部分的作用。通過動(dòng)態(tài)拆解，學(xué)生得出：反射弧由感受器、傳入神經(jīng)、神經(jīng)中樞、傳出神經(jīng)、效應(yīng)器組成。感受器能受刺激產(chǎn)生神經(jīng)沖動(dòng);效應(yīng)器能接收神經(jīng)沖

5、動(dòng)，作出反應(yīng)。傳入神經(jīng)和傳出神經(jīng)都能傳導(dǎo)神經(jīng)沖動(dòng)。完整的反射弧是完成反射的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)。要想完成反射，反射弧必須完整，任何一部分出現(xiàn)障礙反射活動(dòng)都無法完成。2.4清晰繪圖，詳盡描述組內(nèi)成員選擇一種熟悉的簡單反射類型（如縮手反射、膝跳反射），以第一人稱的形式詳盡敘述該反射完成的全過程。然后，畫出所選反射的反射弧，標(biāo)明各部分結(jié)構(gòu)的名稱和作用。3活動(dòng)實(shí)施STEM教育注重學(xué)生的動(dòng)手能力，強(qiáng)調(diào)探究與工程設(shè)計(jì)相結(jié)合。這種結(jié)合一般以任務(wù)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，學(xué)生開展小組合作學(xué)習(xí)，最終實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的設(shè)計(jì)與制作。3.1搜集資料，設(shè)計(jì)方案以小組為單位利用平板進(jìn)一步檢索學(xué)習(xí)：串并聯(lián)電路的定義特點(diǎn)、連接方法;電磁開關(guān)（干簧管）的連接原理

6、和使用方法等跨學(xué)科知識(shí)。對(duì)學(xué)習(xí)中出現(xiàn)的疑難問題，小組利用網(wǎng)絡(luò)連線物理學(xué)教師或連線專業(yè)技術(shù)強(qiáng)的家長的方式進(jìn)行突破。教師或家長答疑解惑后，小組成員整合與取舍相關(guān)內(nèi)容，爭辯與商議確定出本小組與自制反射弧模擬演示器有關(guān)的備選方案。3.2繪制草圖，論證方案小組成員依據(jù)方案繪制出反射弧模式草圖。在方案論證前期，小組選代表結(jié)合草圖將自己小組所選取的材料、用途、制作原理等形成書面文字，注意重點(diǎn)闡述自己的難點(diǎn)突破方案和運(yùn)用到的制作原理。在論證環(huán)節(jié)，各小組聚焦“如何實(shí)現(xiàn)神經(jīng)沖動(dòng)的動(dòng)態(tài)傳遞”展開討論。經(jīng)過激烈的討論，2個(gè)小組聚焦用串并聯(lián)電路為突破點(diǎn)解決此問題;2個(gè)小組聚焦用磁力磁場與電路知識(shí)結(jié)合的方式對(duì)難點(diǎn)問題進(jìn)行

7、突破;1個(gè)小組聚焦物理壓強(qiáng)相關(guān)知識(shí)，決定用液體流動(dòng)突破神經(jīng)沖動(dòng)傳遞一難點(diǎn)。聚焦物理壓強(qiáng)知識(shí)小組選取的材料有表示反射弧各部分的卡片、去掉針頭的一次性塑料注射器、輸液管（大、?。?、防水膠帶、帶顏色的液體（紅墨水）、紅色橡皮泥。他們用帶顏色液體流動(dòng)模擬信號(hào)傳遞，塑料管模擬神經(jīng)，注射器模擬感受器。當(dāng)推動(dòng)注射器時(shí)（感受器接受刺激），就能看到紅色液體（信號(hào)）隨塑料管先傳導(dǎo)到效應(yīng)器，再看到信號(hào)傳達(dá)到腦部。聚焦磁力與電路結(jié)合組選取的材料是無線磁控?zé)簦饕w現(xiàn)的是生物學(xué)與物理學(xué)知識(shí)的融合。磁控?zé)粼诖帕ψ饔孟聲?huì)發(fā)出閃爍的燈光，燈光閃爍代表神經(jīng)沖動(dòng)信號(hào)的傳遞，燈光依次閃爍代表神經(jīng)沖動(dòng)傳遞的方向。3.3完善方案，修改

8、圖紙小組成員繼續(xù)討論，訂正圖紙，完善設(shè)計(jì)方案。例如，聚焦物理壓強(qiáng)知識(shí)的小組所涉及的最初方案無法實(shí)現(xiàn)神經(jīng)沖動(dòng)先到達(dá)效應(yīng)器再傳導(dǎo)到大腦。在完善環(huán)節(jié)，小組成員最終決定采用圖片剪輯的方式凸顯反射弧和大腦，借助針管推動(dòng)時(shí)的壓力實(shí)現(xiàn)反射神經(jīng)沖動(dòng)的傳導(dǎo)方向詮釋，通過在脊髓向腦部傳遞的部位設(shè)置塑料“關(guān)卡”解決神經(jīng)沖動(dòng)先傳達(dá)到效應(yīng)器后傳向大腦的問題?！瓣P(guān)卡”打開后，能看到紅色液體代表的信號(hào)傳遞過去。3.4合理選材，進(jìn)行制作小組成員仔細(xì)甄別選取自己所需的材料無線磁控?zé)?、普通小燈泡、電路、開關(guān)、針管、注射器，合理分工，制作模擬演示器。3.5調(diào)試檢測，迭代優(yōu)化在演示器調(diào)試檢測環(huán)節(jié)，各小組發(fā)現(xiàn)自己組的不足及提升改進(jìn)點(diǎn)。

9、將物理學(xué)電學(xué)串并聯(lián)知識(shí)應(yīng)用到生物演示器的制作中的小組因取材傳統(tǒng)，電路連接繁瑣且不易挪動(dòng)，神經(jīng)沖動(dòng)傳遞過程演示時(shí)受材料和電路操作熟練程度的限制，演示神經(jīng)沖動(dòng)傳導(dǎo)環(huán)節(jié)有斷層且演示器較笨重繁瑣，不適合大面積推廣和制成成品。將物理學(xué)壓強(qiáng)知識(shí)應(yīng)用到模擬演示器的不足之處是，在神經(jīng)中樞與效應(yīng)器和神經(jīng)中樞與大腦皮層之間用了塑料“關(guān)卡”，顯得很刻意，只有“關(guān)卡”打開墨水才能傳到效應(yīng)器和大腦皮層。信號(hào)傳導(dǎo)到效應(yīng)器和大腦皮層后墨水量和墨水的處理是要進(jìn)一步解決的問題。小組模型及模擬演示如圖1所示。將無線磁控?zé)魬?yīng)用到模擬演示器制作中的小組，能實(shí)現(xiàn)邊講解邊演示，講到哪兒，神經(jīng)沖動(dòng)就傳導(dǎo)到哪兒，特別適合在對(duì)某一反射的詳細(xì)講

10、解和剖析環(huán)節(jié)中應(yīng)用。其模型的提升改進(jìn)點(diǎn)為：若想實(shí)現(xiàn)快速動(dòng)態(tài)演示，可以推出有線LED小彩燈模擬演示器的制作。小組模型及模擬演示如圖2所示。4成果與推廣小組成員出謀劃策將自己團(tuán)隊(duì)制作的反射弧模擬演示器的性能、選材、優(yōu)勢等拍成視頻資料。為了便于推廣，小組成員還設(shè)計(jì)了專屬Logo和廣告語。5活動(dòng)反思陶行知先生曾經(jīng)說過：“強(qiáng)行把知識(shí)灌給學(xué)生，學(xué)生是不情愿的，即便學(xué)也是不消化，早晚要把知識(shí)還給老師。學(xué)的過程中充分發(fā)揮學(xué)生的主觀能動(dòng)性效果會(huì)好很多?！薄白灾品瓷浠∧M演示器”這一基于STEM理念的實(shí)踐活動(dòng)從真實(shí)情境中的真實(shí)問題出發(fā)，鼓勵(lì)學(xué)生參與制作模擬演示器。該活動(dòng)在開展時(shí)采取任務(wù)驅(qū)動(dòng)，以現(xiàn)有學(xué)科知識(shí)為基礎(chǔ)，

11、小組成員群體協(xié)作，解決多組問題。無論是畫簡單的反射弧還是演示器制作草圖，都是為了能順利完成核心任務(wù)“模擬演示器的制作”。在活動(dòng)實(shí)施過程中，學(xué)生始終是活動(dòng)的主體，經(jīng)歷從理論到實(shí)踐、從無到有的完善過程。5.1真實(shí)情境是活動(dòng)載體STEM教育中以學(xué)生為中心，通過創(chuàng)設(shè)真實(shí)情境、學(xué)生組建團(tuán)隊(duì)的方式，解決開放式問題。例如，反射弧模擬演示器制作就是以學(xué)生切身體會(huì)到的反復(fù)記、反復(fù)忘的問題為切入點(diǎn)展開的。學(xué)生在真實(shí)的情境下開展學(xué)習(xí)，展開探究。隨著解決螺旋式上升的問題，學(xué)生由淺入深地思考，產(chǎn)生新的疑問，有利于對(duì)現(xiàn)實(shí)生活中的問題保持敏感。STEM教育下的真情境讓學(xué)生不僅會(huì)學(xué)以致用，更學(xué)會(huì)用以致學(xué)，學(xué)中生疑。5.2學(xué)科

12、融合是必要基礎(chǔ)學(xué)科融合是STEM理念下初中生物學(xué)教學(xué)中開展實(shí)踐活動(dòng)教學(xué)的必要基礎(chǔ)。反射弧模擬演示器的設(shè)計(jì)以學(xué)生原有的知識(shí)經(jīng)驗(yàn)為基礎(chǔ)，符合認(rèn)知規(guī)律。反射弧模擬演示器制作將S（科學(xué)）、T（技術(shù)）、E（工程）、M（數(shù)學(xué)）四要素有機(jī)融合為一個(gè)整體。此實(shí)踐活動(dòng)STEM要素具體體現(xiàn)為：S（科學(xué)）要素包括反射的概念、反射弧的組成及各部位的作用、串并聯(lián)電路中的電流電壓關(guān)系，以及磁力、磁場、電磁能。根據(jù)材料的特點(diǎn)，對(duì)材料進(jìn)行甄別與篩選，熟練連接電路，體現(xiàn)了T（技術(shù)）要素。設(shè)計(jì)方案，繪制改進(jìn)圖紙，體現(xiàn)了E（工程）要素。導(dǎo)線長短的測量、截取、取舍體現(xiàn)M（數(shù)學(xué)）要素。模擬演示器的制作需要生物學(xué)反射及反射弧組成的知識(shí)，

13、也需要物理學(xué)中串并聯(lián)電路和磁力磁場等知識(shí)。因此，要達(dá)成活動(dòng)目標(biāo)就需要進(jìn)行學(xué)科知識(shí)的有效融合。在模擬演示器制作過程中，學(xué)生更深入地理解和掌握了生物學(xué)知識(shí)和物理電學(xué)、力學(xué)知識(shí)。活動(dòng)也讓物理學(xué)中原本枯燥生澀的電路、磁場等知識(shí)借助自制反射弧模擬演示器的實(shí)施變得鮮活起來。5.3發(fā)展性評(píng)價(jià)是有效保障教師無需事事評(píng)價(jià)，處處設(shè)限。教師要允許學(xué)生在活動(dòng)過程中犯錯(cuò)、走偏、焦躁、失落，要明確引導(dǎo)學(xué)生、評(píng)價(jià)學(xué)生、參與討論、進(jìn)行里程碑式的成果匯報(bào)、展示反思等的時(shí)機(jī)。學(xué)生在活動(dòng)實(shí)施過程中不斷復(fù)盤，不斷反思，在布局、復(fù)盤、反思中，獲得成功。該活動(dòng)從科學(xué)性、藝術(shù)性、創(chuàng)新性、合作學(xué)習(xí)等方面，采用自評(píng)、互評(píng)、師評(píng)三者結(jié)合的評(píng)價(jià)方式?！白灾品瓷浠∧M演示器”發(fā)展性評(píng)價(jià)量規(guī)見表1。STEM教育強(qiáng)調(diào)“動(dòng)手”“思考”“融合”。