?STEM教育在高中生物实验教学中的融合应用
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作者:王惠英
摘 要 STEM教育强调以科学为手段认识自然规律，然后利用技术和工程在已知的自然规律的基础上控制和改造世界，同时要重视数学对技术和工程活动的指导作用。为了研究STEM教育在高中生物课程教学中的应用效果，开展以“调配出适宜植物插条生根的生长素浓度”为课题的实验活动。
关键词 STEM教育;高中生物;实验教学;数学模型
中图分类号：G633.91 文献标识码：B
文章编号：1671-489X（2019）19-0122-03
1 探究科学方法：STEM教育模式的前沿性与科学性
科学探究是人们对各种自然现象进行探讨和研究活动的总称。一般步骤包括：提出要研究的问题;根据已有的经验提出关于问题答案的初步猜测;用实验来验证猜测;根据实验结果总结出确切的结论。高中生物课程标准对科学探究进行了总结，它是指学生先提出生物学问题，然后对提出的问题进行讨论，记录下对于问题的初步猜想，再对验证猜想的实验进行设计、实施，最后对实验结果进行相应的讨论和总结。高考对于学习实验中科学方法的要求是，学生能对生物实验进行初步思考，善于发现生活中的生物学问题，并且具备相应的动手实践能力，能够设计合适的实验方案，并且具备一定的分析和总结能力。
“调配出适宜植物插条生根的生长素浓度”是高中生物教材中关于生长素作用这节内容中的实践课题，也是人教版生物教材中涉及具体实验的重要课程部分，教材相关的实验指导中要求学生采用三种实验方法进行生长素浓度对植物插条影响的探究，分别是对比分析法、数据分析法以及测试实验法。这个探究实验对于学生理解课程内容是十分有帮助的。
此次实验流程构想：将对植物不同部位施以不同浓度的生长素产生的作用效果绘制成一张变化图表。根据植物的生长情况变化图表，先对植物插条需要的合适生长素浓度进行猜测→设置本实验变量→准备实验材料→实验参与者提出假设→设计实验流程→方案共享与讨论，教师指导改进实验方案→进行测试实验→正式实施实验，鼓励学生交流实验中出现的问题，记录实验结果，将实验数据进行汇总分类→要求学生利用所学数学知识对数据进行统计和研究→学生间交流实验心得，发现实验过程中的疏漏，采取措施加以弥补。
1）思考并提出生物学问题。教师先带领学生对本节课程内容进行学习，使学生对理论知识有初步的掌握，然后启发学生对植物插条所需生长素浓度这一课题进一步思考，促使学生提出问题：环境条件的差异，比如气温等，是否会影响植物插条生根？植物插条本身的生长条件（砂土栽培、水中栽培）是否会影响植物插条生根？插条本身的生长周期是否会影响植物插条生根？
2）初步假设。学生初步假设：在植物插条根部的土壤或水分中滴入一定浓度配比的生长素溶液，可以使插条下端的营养物质更快渗透吸收，使根部分化速度大大加快。
3）实验的初步讨论。教师鼓励学生列举出实验中值得思考的问题并进行讨论。若是先采取对比分析实验，如何确定本实验的变量？可否先对生长素浓度实验范围以及不同浓度下插条的生根情况进行预测？应该选取生长周期一年还是两年的插条？插条生长周期对实验效果有影响吗？如果有，是什么样的影响？要给插条下端创造什么样的创面，才更有利于营养吸收？每组实验应该选取的插条数目是多少？如何选定实验中的两种变量？设置清水对照组的目的是什么？怎样具体对插条的生根情况进行观察记录？采用何种变化表？图表内容包括什么？该进行几次实验后分析实验结果？实验中可能出现哪些疏漏？是否对实验结论有较大影响？先启发学生进行思考，有助于学生对实验流程有更完整的把握。
4）设计实验计划。实验预计耗时17 d左右，学生需要提前确定组员，准备好实验材料，确定实验时间，并且明确分工。
5）实施实验计划。按照之前确定的实验时间，实驗人员分工协作，按照设计好的实验流程着手开始实验，并将过程详细记录下来。
6）整理实验结果。不仅要每天观察插条生根情况并进行记录，还要根据变化图表分阶段进行总结和分析，然后与实验前猜想的结果进行对比，每组实验结果之间也要进行对比。
7）小组讨论。实验完成后，给予学生一定的时间，让他们对本小组的实验数据与实验结果进行汇总整理。各小组对以下几点实验内容进行记录和总结。
①实验中变化图表与教材中的变化图表有何不同？产生这种不同的原因是什么？
②实验结果与之前预计的实验结果有哪些不同？造成这种不同可能的原因有哪些？
③生长素浓度对植物插条生根数和生根速度有何影响？
教师可以利用教室内的多媒体设备让学生以小组为单位展示实验图表，并对本组的实验过程进行讲解，其他小组可以提出一些疑问，然后相互讨论。小组讨论可以活跃课堂氛围，激发学生的学习热情，提高他们的协作能力。
2 实验技术性：实验中STEM教育模式的应用
STEM教育主张在科学理论指导下采取技术和工程手段进行科学验证。学生开展此次实验也要求预先掌握或者在实验过程中学习实验技能，比如认识和学会使用一些科学实验工具，用量杯、滴管调配生长素溶液，确定溶液的浓度配比，设计实验变化表并绘制，给植物插条制造大小相似的创面等。学生在本次实验中不仅锻炼了实验能力，而且对科学实验的完成过程有了进一步的认识，增强了课堂的趣味性。
实验具体操作 学生先熟悉量杯和胶头滴管这些实验工具的使用方法，然后对小刀消毒，每个实验小组选取数目相同的植物插条，几人协作用小刀将每根插条下端削出长度2.5 cm的创面，斜度约为24°;制作不同浓度的生长素溶液，按顺序排列好。
1）用胶头滴管吸取生长素溶液，先用两根手指捏住胶头滴管的胶帽，保持胶管竖直，滴管末端部分浸入溶液，快速放松捏着胶帽的手指，完成吸取溶液。 2）将滴管末端对准量杯，再次捏住胶帽，液体滴入量杯内。
3）把量杯内的液体缓慢地倒入实验用的试剂瓶内，若是试剂瓶内液体量与预计有偏差，则用胶头滴管进行调整。
以上过程需要教师先对学生进行演示，再让学生练习，确定学生掌握这些基本操作之后，方可允许学生进行实验。演示过程中可以让学生思考一些操作细节的作用，学生只有了解基本的实验操作手法和工具使用方法，才能对科学实验产生更多好奇。
创新部分 引发学生对实验进行思考，看看实验中有哪些部分可以进行创新。比如：
1）不用植物插条而选用一些芽苗菜作为实验对象，会有怎样的效果？
2）植物插条不选用单一品种，使用其他品种，比如杨柳插条、葡萄科的方茎青紫葛等，又会有什么样的实验效果呢？
3）可不可以改变植物插条的生长环境，改水中培育为砂土培育呢？
4）要是用不同种类的生长素溶液进行培植，效果又会有什么不同？
学生总结出以上可创新点，反复进行实验，最终在本市的少年科学成果研究赛上斩获优秀奖，在取得荣誉的同时，也养成了提出创新型疑问的思维习惯。
3 实验数学性：STEM教育的数学应用
生物实验的数据必须运用数学知识进行统计汇总，还需要借助数学运算方法和图表进行表达。STEM教育中的数学知识应用就旨在为前期的科学理论和实际操作过程服务。在生物教学中要牢牢把握这一点，鼓励学生使用和学习数学模型进行实验。
数学知识 学生在这次实验中要学会在实验过程中灵活运用数学知识，比如在做出有关植物插条生根最适宜生长液浓度的猜想之后进行实验，然后用数学图表按照时间记录实验对象的变化。可以使用曲线图，一方面，数据的对比直观;另一方面能看出实验体的整体变化趋势。
数学假设 数学假设的内容需要根据选择探究的实验部分来决定，探究的实验内容不同，所做的数学假设也就不同。本次实验的数学假设为：生长素浓度对植物插条生根的影响。
具体应用 学生先将之前每天记录的结果汇总在一起，然后使用合适的数学图表。为表现每个实验体在相同时期内的生根情况，可以绘制有关多个同时期不同实验体的曲线图，教师先让学生在小组内部进行讨论，然后让学生以小组为单位汇报实验数据，对于小组内产生的数学应用方面的疑问，应及时给予解答。
检验和修正 在实验中应用数学知识和数学图表来记录实验数据和表现实验成果，在此过程中可能会出现一些失误现象，这就需要在实验过后再次检验实验中应用的数学模型，以及检查之前每个时间段内实验数据记录有无错漏。实验小组之间可以进行实验图表的对比，对于一些差异较大的实验数据进行分析，是否本小组的实验过程或者数据收集某个环节出了问题。教师还可以鼓励学生思考不同生长周期、不同温度环境运用的数学模型是否应该一样，不一样的话，各自该采取何种数学模型？数学图表的选择应遵循什么原则？
生物学习过程中要使学生意识到跨学科的结合和知识的融合，将为学习过程带来更多的便捷;而且数据的记录和表现不止可以使用一种数学模型，要根据探究内容进行选择。
4 生物学规律现象：STEM教育的工程部分
针对高中生物学习，STEM教育的工程部分具体就是让学生运用生物学理论以及既有规律进行操作实践，学习基本的生物实验工具使用方法以及实验方法。
1）运用生物学知识探求答案。学生根据习得的生物学知识对教师列举的一些生物学现象进行解释并给出答案。
2）与日常生活相联系。在本次学习后，学生在教师的引导下对日常生活中类似的生物学现象进行思考，如：盆栽的培植;不同植物插穗的选取和处理;一些不易产生果实的植物，该用何种浓度的生长素促进果实发育;林木的前期栽培。
5 结语
在教学生物学过程中应用STEM教育模式，在既有的生物学理论和规律指导下进行生物学实验，并且在过程中运用数学知识记录和表达实验数据，有利于激发学生的探索热情，使他们意识到跨学科学习的益处，并且有助于培养学生的创新型思维习惯，为以后的学习提供更多进步的空间。
参考文献
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[2]祁凤珍，王建，翟林，等.基于生物学核心素養的评价与思考：以2016年高考（天津卷）理科综合（生物部分）为例[J].考试研究，2016（6）：24-34.
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