高三生物一輪復習課件新課標視角下高中生物STEM教育實施路徑探析

——新課標視角下高中生物STEM教育實施路徑探析研新課標新教材探究新教學策略目錄1.生物課標落實需要STEM教育2.高中生物STEM教育的實施路徑3.高中生物STEM教育的實踐成效4.高中生物STEM教育中的注意事項但是STEM教育對學生的工程技術素養(yǎng)的提升、核心素養(yǎng)的培養(yǎng)、解決實際問題能力的提高有著無可替代的作用，也符合新課標的教育目標，因此是高中教育必須直面的問題。這種矛盾下，以某學科知識為主，技術、工程學和數(shù)學為輔的學科內(nèi)STEM教育不失為一種折中的好選擇。以學科知識為主的學科內(nèi)STEM教育比較適合現(xiàn)階段高中STEM教育。高中生物學科STEM教育是新課標明確提出的要求，其實施路徑主要包括：從單元設計出發(fā)，尋找適宜的結合點設計STEM主題；因材整合，以解決實際問題為主線整合STEM要素。01生物課標落實

需要STEM教育課標要求加強STEM教育2017年版（2020年修訂）的普通高中課程標準將STEM教育納入其中。普通高中生物學、通用技術和信息技術課程標準中都提出了在學科教學中加強STEM教育，如生物學課程標準“學業(yè)質(zhì)量”部分對STEM的評價提出了較高的具體等級要求：基于生命觀念，“能夠?qū)⒖茖W、技術、工程學和數(shù)學（STEM）知識和能力綜合運用在實踐活動中，解決生活中的實際問題”。生物學不僅與自然科學中的物理學、化學等基本原理、思想方法、研究內(nèi)容聯(lián)系密切，具有科學探究和科學思維跨學科的核心素養(yǎng)，而且和數(shù)學、技術、工程學、信息科學也是相互滲透、共同發(fā)展的。加強生物學科與其他學科間的橫向聯(lián)系，有利于學生理解科學的本質(zhì)、科學的思想方法和跨學科的科學概念，有利于學生建立科學的生命觀，逐步形成正確的世界觀，發(fā)展生物學學科核心素養(yǎng)。教材欄目涉及STEM教育在高中生物教材中，突出體現(xiàn)STEM的是選擇性必修3《生物技術與工程》。其中“發(fā)酵工程利用微生物的特定功能規(guī)?；a(chǎn)對人類有用的產(chǎn)品”“細胞工程通過細胞水平上的操作，獲得有用的生物體或其產(chǎn)品”和“基因工程賦予生物新的遺傳特性”三個大概念，既是對必修內(nèi)容的擴展和應用，又是對生物技術和工程的認識和理解。這些生物學最基本的技術與工程，是STEM教育的有力抓手，要求學生在學習了生物技術和工程知識的基礎上設計STEM實踐方案，或進行科學探究，或收集和整理資料、相互討論、撰寫報告。根據(jù)本模塊的特點，教學中應該給予學生更多的機會，讓他們參與主動的學習活動。教材欄目涉及STEM教育必修模塊《分子與細胞》和《遺傳和進化》STEM教育主要體現(xiàn)在“探究實踐”“科學方法”“思維訓練”“課外制作”“科學方法”等欄目中，如“用廢舊物品制作生物膜模型”，涉及科學、技術、工程；“分離細胞器的方法——差速離心法”“同位素標記法”等向?qū)W生介紹了解決生物學問題的技術，生物學史中科學家每次重大發(fā)現(xiàn)都離不開生物技術和工程思維。這些欄目為生物學STEM教育提供了豐富的資源和動手動腦的機會?！翱啤獢?shù)”整合，通過建構數(shù)學模型如酶隨溫度或pH變化曲線、光照強度對光合作用的影響曲線等，在必修教材中更是比比皆是。評價方式體現(xiàn)STEM教育從評價角度看，每年的學業(yè)質(zhì)量評價和高考評價對生物工程、技術都有涉及，不斷引領高中生物教學重視STEM教育：2020年全國Ⅰ卷37題，以分離得到能高效降解某種污染物的細菌菌株實驗流程的真實情境為材料，涉及科學（生物學知識）、技術（微生物培養(yǎng)與分離技術）、工程（設計測定污染物分解菌數(shù)量的實驗流程）和數(shù)學（計算菌液稀釋倍數(shù)，保證每個平板上長出的菌落數(shù)）評價方式體現(xiàn)STEM教育02高中生物STEM教育的實施路徑高中生物STEM教育的實施路徑2017年版《新生物學課程標準（2020年修訂）》提出生物學基本課程理念是“核心素養(yǎng)為宗旨、內(nèi)容聚焦大概念”。核心素養(yǎng)的培養(yǎng)需要一個長期而持續(xù)的整體規(guī)劃，概念教學要求教學要重視結構化和概念化。單元教學的結構完整，關系明確，價值主線清晰，有利于核心素養(yǎng)和生物學概念的形成。因此，“單元設計”比較適合指向核心素養(yǎng)的高中生物教學，也有利于STEM教育的實施。高中生物STEM教育的實施路徑“單元設計”體現(xiàn)在對生物學科教學單元內(nèi)容進行的二度開發(fā)和整體設計。指向核心素養(yǎng)的“單元設計”，要求教師建立好學科核心素養(yǎng)與STEM之間的關系，依據(jù)課程標準和教材，選擇有利于培養(yǎng)學科核心素養(yǎng)的教學內(nèi)容和情境素材，制定學習目標、選擇學科內(nèi)容、設計學習活動、開展課堂教學、進行學習評價，環(huán)環(huán)緊扣，使指向?qū)W科核心素養(yǎng)的STEM具體化，可培養(yǎng)、可干預、可評價。同時，單元設計有助于內(nèi)容整合，方便統(tǒng)籌生物學知識與技術、工程學和數(shù)學的融合，進行有效的STEM教育實踐。單元設計改變知識點教學的碎片化，從單元的高度明確每課時的學科核心素養(yǎng)目標；也能夠系統(tǒng)整合單元中適合STEM教育的切入點，實現(xiàn)STEM教學設計與素養(yǎng)目標的有效對接，減少STEM教育的盲目性。下表以“細胞的生存需要能量和營養(yǎng)物質(zhì)”單元為例，說明高中生物STEM單元設計策略。章節(jié)STEM教育設計第4章細胞的物質(zhì)輸入和輸出第1節(jié)被動運輸“蛋殼膜容器”滲透裝置構建滲透系統(tǒng)模型（科學、工程、技術）；手持技術檢測滲透作用（科學、技術）第2節(jié)主動運輸與胞吞、胞吐動畫展示主動運輸過程（科學、技術）第5章細胞的能量供應和利用第1節(jié)降低化學反應活化能的酶手持技術探究酶的催化的高效性、專一性和環(huán)境因素對酶活性的影響，檢測酶的化學本質(zhì)（科學、技術、工程）；描點法繪制不同溫度下酶促反應曲線、用錐形瓶-注射器裝置測定反應速率（科學、工程、數(shù)學、技術）第2節(jié)細胞的能量“貨幣”ATP信息技術展示ATP的作用（科學、信息技術）、ATP熒光檢測儀等檢測衛(wèi)生狀況（科學、技術）第3節(jié)細胞呼吸的原理和應用手持技術探究酵母菌的呼吸方式（科學、技術）；用血糖儀檢測葡萄糖濃度變化計算呼吸作用速率（科學、技術、數(shù)學）；酒精測試儀檢測酒精濃度（科學、技術）。第4節(jié)光合作用與能量轉化激光筆透視色素提取液（科學、技術）；展示科學家利用半葉法、水綿放氧實驗、同位素標記法等生物技術（科學、技術）；展示光合作用的動態(tài)變化過程（科學、技術）；手持技術探究環(huán)境因素對光合作用強度的影響（科學、技術、工程）。單元設計——從單元高度分析STEM教育要素的切入點生物學與數(shù)學整合在各個模塊都普遍存在，如利用數(shù)學模型解釋生命現(xiàn)象、定量分析實驗現(xiàn)象解決生物學問題等工程主要是工程思維，指的是能運用系統(tǒng)分析的方法，針對某一具體技術領域的問題進行要素分析、整體規(guī)劃，并運用模擬和簡易建模等方法進行設計，能進行簡單的風險評估和綜合決策，這種思維能夠體現(xiàn)在STEM項目活動的整個過程中?！凹夹g”主要包括生物技術和教育信息技術，在生物學學習過程和成果展示中會有所體現(xiàn)。高中生物必修1“細胞的生存需要能量和營養(yǎng)物質(zhì)”單元中STEM要素在教材（人教社2019版教材）中的切入點見下表。單元設計——從單元高度分析STEM教育要素的切入點本單元實驗較多，使用較多的技術是手持技術（handheldtechnology）。手持技術即數(shù)字化手持技術實驗，是由計算機和微電子技術相結合的新型數(shù)字化實驗手段，能定量采集離子濃度、O2濃度以及pH等數(shù)據(jù)，即時顯示在計算機顯示器上，具有便捷、準確、實時、綜合和直觀等特點。該章節(jié)涉及很多代謝活動，模型制作、實驗和設備的設計安裝比較多，工程學在這些過程中體現(xiàn)非常多。數(shù)學則主要體現(xiàn)在實驗數(shù)據(jù)分析和數(shù)學模型構建方面。因材整合——以解決實際問題為主線整合STEM要素STEM教學的開放性和高中課堂教學局限性的矛盾，使其不可能大量地出現(xiàn)在日常學科教學中，所以我們要選擇合適內(nèi)容和形式進行“點式”學科STEM教學，使其成為常規(guī)教學的有效助力和璀璨明珠。因此，在單元設計的整體分析下，要根據(jù)課時和教學實際將某些內(nèi)容整合成為項目問題提出來，進行某些課時的STEM教學，不宜將所有常規(guī)課時都設計成STEM教學模式，這些項目問題的科學內(nèi)容要有一定的相關性，能構成一個結構性問題；要能有效地融入技術、工程和數(shù)學；最后，要有一定成型的成果以供展示和交流。比如，在“細胞的生存需要能量和營養(yǎng)物質(zhì)”單元中，我們可以整合內(nèi)容做“認識酶”的項目或“還原光合作用發(fā)現(xiàn)史”的項目，也可以做個課時內(nèi)簡單“制作滲透裝置”的項目。下面以人教版必修1第5章第1節(jié)“降低化學反應活化能的酶”為例，說明“認識酶”的因材整合STEM項目設計。因材整合——以解決實際問題為主線整合STEM要素指向生物學核心素養(yǎng)的STEM教育路徑中，如何選擇真實情境、跨學科有機整合在一起是最核心、最重要的工作。以解決實際問題為主線的STEM教學模式是一種有效的STEM思路，該模式主要分為四個部分，即問題引入、背景學習、解決問題和拓展應用?！罢J識酶”的STEM項目設計教育路徑見下圖。問題引入創(chuàng)設情境分析任務背景學習自主學習探討交流以身邊的酶的實例為情境，提出任務：認識和證明酶的本質(zhì)和特性。（第一課時）解決問題科學探究合作交流學生根據(jù)資源學習討論，總結酶的本質(zhì)和特性并提出實驗方案。教師指導確定方案。（科學、工程、數(shù)學、技術）（第一課時及課下）拓展應用聯(lián)系生活繼續(xù)探究實驗探究，收集數(shù)據(jù)進行分析，并提交報告。教師評價，生生之間相互評價、學習和交流（科學、工程、數(shù)學、技術）（第二課時及課后）關注生活中酶的應用和文章，科學地認識生活中酶的應用（課后）因材整合——以解決實際問題為主線整合STEM要素問題引入STEM教學問題要來源于生活才能有效地激發(fā)學生的興趣，所以提出問題的環(huán)節(jié)要從學生熟悉的生活入手，使學生有“知識有用”的樸素感知，從而對提出的問題投入最合適的熱情和智慧。學科學習終究還是有內(nèi)容和評價要求的，所以任務分析要以學科知識為主線，設計融合技術、工程和數(shù)學的項目活動。因材整合，不能過于開放而偏離了學科內(nèi)容的重心。因材整合——以解決實際問題為主線整合STEM要素背景學習因材整合——以解決實際問題為主線整合STEM要素解決問題根據(jù)討論研究后的結論和實驗方案，師生共同準備相應的實驗材料，進行實驗操作、數(shù)據(jù)收集分析，形成報告。教師對報告進行批閱和評價，然后張貼于教室，讓不同小組的學生相互評價，提出各自觀點。最后，各組根據(jù)老師和同學們的意見改進實驗，完善報告。因材整合——以解決實際問題為主線整合STEM要素拓展應用知識要在遷移應用中才能實現(xiàn)其真實價值。在解決因材整合的項目問題之后，繼續(xù)引導學生拓展應用解決生產(chǎn)生活實際中的問題，會影響學生對知識和生活的態(tài)度，培養(yǎng)學生的社會責任。因此，2個課時的學習結束后，教師可以布置一些課外興趣活動：收集生活中體現(xiàn)了酶的本質(zhì)和特性的案例，或者對一些不符合酶特點的現(xiàn)象和文章提出質(zhì)疑。這樣更能深化學生對酶的認識，同時也體會到科學的力量，培養(yǎng)學生良好的科學思維、探究能力和社會責任。03高中生物STEM教育的實踐成效增強教師整合意識，提升了教研能力通過運用課堂觀察框架進行課堂觀察的結果分析和多次教師訪談看，連續(xù)兩個學年“單元設計、因材整合”的STEM教學實踐，增強了教師的多學科整合意識。從教學設計、教學實施到教學反思，跨學科意識顯著增強，從零星點綴到系統(tǒng)設計，加強學科間的橫向聯(lián)系、運用多學科知識解決生物學實際問題的思路逐漸成熟，教研能力明顯提升。促進學生思維養(yǎng)成，提升了核心素養(yǎng)從課堂觀察的學生表現(xiàn)和學期末學科核心素養(yǎng)水平檢測來看，通過“單元設計、因材整合”的STEM教學實踐，提高了學生分析和解決實際問題的能力，提升了學生的科學思維和科學探究等核心素養(yǎng)，尤其是課程標準要求的“基于生物學事實和證據(jù)運用歸納與概括、模型與建模、批判性思維和創(chuàng)造性思維，探討生命現(xiàn)象及規(guī)律”方面，“加強學科間橫向聯(lián)系，理解科學本質(zhì)、科學思想和跨學科的科學概念和過程，建立科學的生命觀，形成正確的世界觀，發(fā)展學科核心素養(yǎng)”方面，有比較明顯的提升。在日常課堂觀察的定性分析中，發(fā)現(xiàn)實驗班在“信息技術”“器材使用和操作”“過程設計和實施”“數(shù)學建模和數(shù)據(jù)分析”方面提升效果也比較明顯。依據(jù)教材因材整合，結合實際設計的項目問題，拉近了書本與實際的距離，在利用STEM解決真實問題的過程中，學生們養(yǎng)成了跨學科思維的習慣，增強了生命觀念和社會責任。04高中生物STEM教育中的注意事項學科教學是STEM教育的基礎高中教育階段雖不以直接培養(yǎng)各領域工程師為目標，但是，關注學生的工程技術素養(yǎng)的提升，讓學生學會像工程師一樣思考和解決問題，不僅不能回避而且是更需要直面的問題。在高中生物教學中，選擇恰當?shù)膬?nèi)容，創(chuàng)設真實情境，引導學生運用STEM解決生物學的實際問題，不僅有利于培養(yǎng)學生的生命觀念、科學思維、科學探究和社會責任等生物學核心素養(yǎng)，而且對培養(yǎng)學生運用多學科知識嘗試解決問題具有很重要的意義。如果沒有分科課程保證學生獲得系統(tǒng)的知識，僅靠STEM課程不可能有效地掌握系統(tǒng)的知識。如果沒有系統(tǒng)學科知識，也談不上綜合運用知識進行科技創(chuàng)新和解決實踐問題。學生對分科知識掌握得越系統(tǒng)，解決實踐問題時綜合運用知識的能力就越強。所以，STEM的跨學科整合是建立在學科基礎上以及學科與社會、學科與個人之間的聯(lián)系上的。STEM教育需要單元設計、因材整合STEM提倡跨學科、使用多學科的思維和知識解決實際問題。ST