STEM教育融入高中生物课程的模型建构

作为促进学生学科综合素质提升的一种教学理念，STEM教育强调打破学科之间的知识壁障，强化彼此之间的融合运用，力求促进学生在综合运用多学科知识过程中促进学科综合素质全面提升。本文立足高中生物课程教学现状，就基于STEM教育理念的课程建构价值与策略进行了重点研究，旨在有效提高高中生的生物综合素质。

以往生物学科教学中主要以知识灌输为主，缺乏学生主观能动性的发挥，尤其是对思维培养没有给予足够重视，影响了学生学科核心素养的形成。生物学科在漫长发展历程中诞生了诸多类型的教学模型，如生物膜流动镶嵌模型等，它们对激发学生主动学习兴趣有积极意义。基于STEM教育理念进行课程模型建构，能够借助多样化的模型建构与多元化学科知识的有效运用打破以往生物模型构建的局限性，助力学生生物核心素养的持续发展。

一、STEM教育理念

STEM教育是综合运用数学、工程、技术与科学四门主要学科的一种综合创新教育理念，出发点是打破不同学科领域彼此之间的知识界限，有效培养学生的创新素养与科学思维。在实际的课程教学中融入STEM教育理念，不单是综合运用这四种学科知识点，而是创新运用多学科实践领域的知识要素为学生构建自主思考和探讨的良好教学情境，并在引导学生综合调用所学学科知识来解决实际问题的过程中提高问题分析能力。

二、基于STEM教育的高中生物课程模型建构价值

基于STEM教育的高中生物课程模型建构的根本出发点是在综合运用STEM理念的基础上，立足于实际问题解决视角，引导学生采取小组合作讨论和交流的方式对相关问题进行深入探究，借助模型建构与呈现的手段对实际问题进行有效分析与解决。基于该种全新的生物课程教学模式能够有效促进高中生学习思维能力发展，并在指导他们采取自主学习、讨论、分析与解决相关问题的过程中深刻理解所学学科知识，有效促进问题求解能力与思维能力。基于该种全新的课程教学模式运用能够打破以往模型建构的局限性。以往学科教学中存在的“唯分数论”“灌输式”教学模式无法充分展现出模型构建及应用的优势。而在STEM理念融入后进行课程模型建构，可以有效打破以往模型建构局限性，促进学生科学思维能力与核心素养的养成。比如针对DNA复制过程、种群密度特征等部分生物课程知识教学，创新融入STEM教育理念，可以有效应用数学物理等多学科知识建构的模型来直观地呈现出生物学科知识，深化学生理解这些学科知识，同时可以有效培养学生的生物学科核心素养。

三、基于STEM教育的高中生物课程模型建构策略

（一）有效挖掘教材模型建构资源，夯实模型建构基础

在基于STEM教育理念构建高中生物课程教学模型，首先需要对教材中相应的模型建构资源进行有效挖掘，结合STEM教育需求选择恰当的模型建构资源，支持该种全新教学模式顺利融入课程教学实践。在现有生物教材中包含许多单独模型建构方面的知识与活动模块，尤其是包含比较多的模型学科知识，但是在实际教学中却没有充分开发及利用教材中包含的这些模型资源。因此在教学中融合该种全新教学模式时需要立足深入剖析模型建构实践活动视角，对生物教材中包含的模型资源进行有效归纳与整理，有效开发面向STEM教育理念的生物模型建构资源。通过有效整理这些教材资源对生命现象进行反映，对生命规律进行揭示，使学生可以对生物教材中的这些模型资源进行有效把握，尤其是要采取有趣、生动的方式将这些生物学科知识呈现在学生面前，使模型建构教学活动高质量开展。

在高中生物（人教版）教材中涉及比较多的模型，具体如下：其一，物理模型。基于教材中有关物理模型本身的名称与呈现模式，可以相应地归类到图解类（有氧呼吸/光合作用过程、酶降低化学反应活化能、人的生殖与发育、减数分裂、果蝇杂交试验等）、模式图（SARS病毒、细胞核结构、叶绿体立体结构、植物细胞/动物细胞亚显微结构等）、示意图（胰岛素空间结构、脱氧核苷酸长链、氨基酸脱水缩合、多糖分子组织等）以及其他类别（4亿年前陆地景观想象图、氨基酸分子结构通式、果蝇体细胞、人的多种需求举例、人体内免疫器官分布位置图等）。其二，数学模型。在现阶段高中生物（人教版）教材中包含许多数学模型，具体涵盖了表格（豌豆的相对性状表格、豌豆杂交实验结果、细胞组成的主要化合物以及相对含量等）、柱状图（人体细胞主要组成元素、血浆主要成分饼状图、水稻与番茄培养液中离子浓度变化柱状图等）和曲线图（人体细胞的主要组成元素、类胡萝卜素与叶绿素的吸收光谱曲线、东亚飞蝗种群数量波动曲线等）等。其三，概念模型。同其他模型相比，高中生物（人教版）中的概念模型数量比较有限，具体包括细胞癌变诱发的致癌因子分类图、基因工程基本操作步骤示意图、不同形式记忆的关系图、碳循环模式等。通过对这些生物课程教材中的各种模型进行深入挖掘与剖析，可以为后续它们融入生物课程教学中基于STEM教育理念开展的模型建构与应用夯实基础。

（二）挖掘教材STEM内容技术知识，对标STEM教育要求

在基于STEM教育观念有效建构面向生物课程教学模型期间，为了保证STEM教育理念有效融入教学实践中，必须首先对标STEM教育方面的基本要求与规定来对STEM内容技术支持进行深入挖掘。虽然STEM教育观念强调的是四大学科，但是在融入高中生物课堂教学过程中主要考虑的是多种学科，不仅局限于上述四种学科。这就需要对科学、工程、技术与数学四个维度的元学科相应地具化为多种类型的学科，保证可以借助多学科内容有效整合来辅助学生更好地理解与掌握相关学科知识。因为在引导学生分析问题过程中，部分生物学科内容本身可能会包含多个学科方面内容，所以不能仅局限于某一具体学科开展单独分析，而应该结合高中生物教材中的学科内容对标STEM内容保障相关模型建构与应用的质量。

针对STEM教育观念的四大维度学科内容，主要可以针对各维度学科进行具体化和细化，具体如下：科学（化学、物理学、科学史、生物学化学等）、工程（化工、航空航天、采矿业、材料科学等）、技术（通讯、制造、农学、医学、设计等）和数学（三角函数、几何、代数、推理与证明、微积分、数学与运算等）。然后可以针对这些具化的学科内容对标高中生物课程教学方面内容，将它们整合成面向于STEM教育的课程资源。比如针对人教版高中生物必修1教材内容安排而言，其中“科学”维度方面的“科学史”具化学科方面的内容包含了“生物学大分子奥秘探索”“组装细胞”“细胞学说的建立过程”“酶的本质探索”“细胞世界探微”“叶绿体发现和叶绿素提取”等多方面的内容，通过对它们进行有效挖掘与整合，能够为后续关于基于STEM教育观念的课程模型构建做好铺垫。

（三）优化STEM融入模型建构流程，提高模型建构效果

在明确STEM融入高中生物课程模型建构资源的基础上，要进一步对STEM融入模型建构的具体实践流程进行持续性优化，具体的实施操作要点如下：其一，确定建构物理模型和STEM教育融合的课程要求。通常大多数授课教师关于教材中所涉及物理模型的看法是尽量实施与开展，但是大多数要求学生在课下自主进行制作，缺乏教师直观、有效地指导，无法对学生制作期间存在的问题进行认真观察，可能会错失培养学生的一个好机会。这就需要在指导学生建构物理模型中紧密融合STEM教育理念来构成单独课程，具体就是要突出技术与工程，尤其是保证课时设置的重组型，并借助小组合作方式开展过程性评价。其二，要借助物化模型呈现的方式来将二者融合特质进行有效表达。在建构具体实物模型期间，要灵活应用工程（“E”）和技术（“T”），并以独立课程形式呈现，保证在短期内科学制作模型来开展小组合作学习，并且需要对课程实施阶段中涉及的各种问题进行充分考虑，如何选取材料，模型建构中需要使用的工具，或者如何对学生进行分组等。其三，要提前准备各种类型的材料及用具，并且授课教师可以提前利用相关材料开展一次模型建构操作，保证相关指导活动能够高质量开展。

针对《生物学膜的流动模型》这一模型建构教学，相应的模型建构主要是物理模型建构，为了保证STEM教育理念顺利融到模型建构实践中，这部分物理模型建构主要涉及高中生物（人教版，必修1）中第四章第2节部分的生物知识。在本章节中一共涉及3节课程知识，即：第一节主要是关于“物质跨膜运输的具体实例”，主要是指导学生对细胞膜功能进行学习，而其具备的选择透过性末膜可以引导学生对“选择透过性”这一基本特性进行思考，在结构与功能二者保持已知情况下更好地理解细胞膜结构本身的功能发挥情况。这部分内容在相应物理模型建构中有承上启下的作用，能够辅助学生形成更为准确、清晰的观念。在指导学生开展制作手工模型操作中，主要可以选择一些日常生活材料自主进行生物学膜模型自主制作，这样可以巩固学生上一节课所学的生物知识。在正式授课阶段，可以采取小组为单位，要求学生展示自己制作的模型，并且采取小组讨论方式选出本小组最佳的模型制作作品，讨论模型建构中所用材料的原因、优势与不足。在这样的模型建构思路与内容下，可以有效整合STEM教育观念，如针对“科学”这一维度的课程知识，主要是要求学生对细胞膜结构进行分析，明确生物膜流动镶嵌模型，借此来促进学生动手实操能力、团结协作能力的发展，并且对生物学科领域中的结构与功能相适应特性进行深入剖析；针对“技术”这一维度的课程知识，可以指导学生自主搜集不同类型的制作材料来合理制作模型，深化学生对生物膜功能机理的理解与认识。

总之，基于STEM教育理念融入高中生物课程的模型建构是一种有效的课堂教学模式，对辅助学生高效学习，促进生物核心素养养成等有积极意义。在基于STEM教育理念融入高中生物课程的模型建构教学中，可以从有效挖掘教材模型建构资源、STEM内容技术知识入手，对标STEM教育要求，持续性优化STEM融入模型建构流程，确保不断提高模型建构效果。