STEM理念下的高中生物实验教学研究

STEM理念是提倡运用涵盖科学、技术、工程和数学四大领域的知识，开展跨学科教育，运用多维方式引导学生思考、实践、解题的教学理念。实验教学是以实践活动为主，学生利用仪器设备，在教师引导下根据实验现象进行测定、分析，获得知识与技能的教学方式。高中生物实验教学，在STEM理念下，开展跨学科实验活动，升华了生物实验教学，让学生获得良好的实验机会，循序渐进地提升学生的实践能力，促进学生综合素质发展。

一、科学设计实验目标，提高教学效率

科学的实验目标能为学生的实验活动提供指引，有助于提高实验教学的效率。以STEM理念为指导，教师根据实际教学需要，将生物实验中的跨学科知识提炼出来，设计科学的实验目标，辅助学生进行学习与探究，切实提高生物实验教学效率。

以高中生物《细胞器之间的分工合作》一课的教学为例。首先，教师向学生展示他们比较熟悉的C919飞机的内部结构图，让学生分析科学领域知识，讲述航空工程建造领域的故事。以C919飞机作类比，引出细胞中的分工合作，利用STEM理念建构实验目标。然后，教师以本课实验主题为参考，为学生设计以下实验目标：（1）列举自己了解的细胞器，结合细胞器功能，感受细胞器之间的协调配合；（2）根据细胞器之间的协调与配合，分析生物系统的组成以及功能；（3）根据实验要求制作临时装片，尝试用光学显微镜观察叶绿体和细胞质，根据显微镜中的现象，分析叶绿体和细胞质流动特点；（4）秉持系统性观念，自行分析细胞中的部分与整体划分情况，填写实验报告，探究细胞器结构与功能之间存在的统一性。

实验目标能为学生生物知识学习与实验探究提供精确指引，有效避免学生在实验中因为误操作，影响实验结果的真实性，进而提高学生的实验效率。教师可以在教学中讲科学故事，渗透生物学家锲而不舍的研究精神，让学生进一步体会生物知识在不同领域中的应用。最后，教师围绕“差速离心法”在不同领域中的应用，指导学生用高倍显微镜观察叶绿体和细胞质的流动情况，以科学的实验目标为指引，提高学生的实验操作效率，取得良好的教学成果。

二、视频演示实验步骤，降低操作难度

生物实验现象具有抽象性特点，对学生的思维能力要求较高。教师利用视频展示实验的重要步骤，让学生关注视频中的实验操作过程，能让学生根据实验现象和关键提示，明确实验操作步骤，有效降低实验操作难度。教师应在新课导入环节播放视频，演示跨学科实验步骤，提炼重点难点生物知识，以STEM理念为指导，开展高效的生物实验教学。

以高中生物《孟德尔的豌豆杂交实验（一）》一课的教学为例。首先，教师以“遗传现象”视频为新课导入手段，让学生通过观看视频分析融合遗传的观点，提示学生对遗传实例进行分析，激发学生对多个遗传因子控制生物性状的现象产生研究兴趣。然后，教师引导学生观看“性状分离比实验”视频，按照视频提示做实验：（1）在A、B两个纸箱中（不透明）放入两种颜色（各10个）的乒乓球；（2）均匀摇动两个纸箱，让箱子内的乒乓球充分混合；（3）随机从两个纸箱内抽取一个乒乓球组合在一起，记录颜色组合；（4）将抽到的乒乓球放回原来的纸箱内，继续摇匀；（5）重复“（3）”和“（4）”各30次以上，用表格记录实验结果。

通过对照视频做实验，学生能初步了解孟德尔的相对性状杂交实验及分离定律，通过建构性状分离比实验模型，体验生物学家在遗传实验研究中使用的科学方法。教师根据学生的实验结果，联系其他领域的“性状分离比实验”，紧密结合遗传现象，运用分离定律进行解释，让学生理解建立实验模型，是科学研究的一种有效方法，点燃学生的学习兴趣。最后，教师鼓励学生参考视频演示中的实验步骤，自行设计有关性状分离比的实验方案，有效降低操作难度，鼓励学生体验用数学方法统计实验结果的科学性，深化学生生物知识的学习理解。

三、紧密联系生活知识，拓宽实验路径

生物与学生的生活联系密切，以STEM理念为依据，构筑生活化实验教学新样态，能拓宽教学路径，满足学生的多样化知识学习需求。教师要选择能引发学生共鸣的生活元素，开展生活化实验教学，融合生物与其他领域的知识，紧密联系生活讲解生物原理，开展跨学科教育，拓宽生物实验教学的路径。

以高中生物《植物生长调节剂的应用》一课的教学为例。教师首先从葡萄种植、加工入手，引导学生分析施用人工合成的植物激素类果蔬的生长情况。然后，教师紧密联系生活实际，引导学生分析植物生长调节剂在科学、技术等领域的应用。鉴于生长素类调节剂处理插条的方法很多，教师可选择一种比较简单的方法——沾蘸法，指引学生按照以下步骤进行实验：（1）将插条基部在浓度较高的药液中进行沾蘸（约保持五秒左右），深度保持在液面以下1.5cm即可；（2）参考生活中常见植物体内天然生长素的含量，查找资料，分析浓度梯度的设计依据（如不清楚，可以先设计一组梯度相对较大的预实验，在此基础上进行完善，让实验更加合理）；（3）分析不同浓度药物的影响，控制无关变量，保持处理时间一致；（4）同组实验所用植物材料，保持条件相同；（5）根据实验结果分析可作为因变量的检测指标。

最后，教师总结生活中人工合成植物激素的应用情况，紧扣学生的实验结果，指导学生总结植物生长调剂节的优点、类型，在STEM理念为指导的生物实验教学中，拓宽实验路径，让学生进一步讨论和交流，生成合理合法使用植物生长调节剂的观点。

四、鼓励学生自主实验，培养创新意识

高中生具有一定的自主学习能力，教师稍加引导，便能促进学生攻克学习难点，使学生能独立完成实验任务，提升创新能力。教师要在STEM理念的指导下，引导学生关注生物知识在多领域中的应用，提出自主实验项目问题，鼓励学生自行探究解决问题的方法，通过实验验证方法的可行性，培养学生的创新意识。

以高中生物《环境因素参与调节植物的生命活动》一课的教学为例。首先，教师列举科学、工程、技术领域环境因素对实验活动的影响，分类讨论引出光对植物生长发育的调节作用，运用STEM理念设计生物实验教学活动，引发学生对环境因素的关注，思考植物生命活动受环境因素的影响程度。然后，教师鼓励学生分析问题植物根部能感受到重力并向地生长吗？要求学生根据自己对问题的看法以及解决问题的思路，自主设计实验验证自己的想法，培养学生的创新意识。具体可以提示学生从以下几个方面入手实验：（1）用刚刚萌发的玉米粒（种子）进行实验；（2）在培养皿中铺上一层湿润的棉花，将玉米粒置于其上进行培养；（3）结合阶段实验成果，分析植物根冠感受重力的情况。

最后，教师根据学生设计实验情况进行点评，综合分析实验报告以及学生的结论，验证植物根向地性部位在根冠，使学生能进一步感受环境因素影响植物的生命活动。在此实验的基础上，教师可以引导学生分析重力等环境因素对植物生长发育的影响，延展生物实验教学活动，启迪学生的创新思维，鼓励学生在课后自主设计实验验证自己的想法，培养学生的创新能力。

STEM理念下的高中生物实验教学，生成了具有生物学科特色的教学生态，对于学生的实践素养发展和综合素质提升有积极影响。教师要紧密联系生活知识，立足多学科教学活动，鼓励学生自主设计生物实验，拓宽实验教学的路径，培养学生的创新思维能力。此外，教师要关注学生对不同领域知识的接受程度，随学生的反馈以及实验结果，变更实验活动结构，确保STEM理念下的实验教学，符合学生的学习需求，提升教学效果。

（作者单位：甘肃省甘谷第一中学）

（责任编辑  晓寒）