借助STEM項目化學(xué)習(xí)培養(yǎng)生物學(xué)核心素養(yǎng)

［摘要］STEM項目以完成作品或調(diào)查報告等特定任務(wù)為目標(biāo)，凸顯學(xué)生的自主探究和實踐反思能力。借助STEM項目化學(xué)習(xí)，研究以“探究Cu2+脅迫對菹草光合作用的影響”創(chuàng)新實驗為載體，在真實情境中進行問題導(dǎo)向的項目化學(xué)習(xí)，通過跨科學(xué)、多維度思考，訓(xùn)練科學(xué)思維。學(xué)生設(shè)計項目并實施實驗，在科學(xué)探究的過程中獨立思考、真實體驗，并應(yīng)用生物學(xué)原理與知識解決實際問題，培養(yǎng)社會責(zé)任與家國情懷，培養(yǎng)生物學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)。［關(guān)鍵詞］STEM教育；項目化學(xué)習(xí)；學(xué)科核心素養(yǎng)；創(chuàng)新實驗；光合作用一、因應(yīng)生命安全與健康教育的真實性項目選擇青少年學(xué)生是祖國的未來，他們的健康和安全也是社會、學(xué)校和家庭的共同期望。而生物個體是依賴環(huán)境而存在的，自然生態(tài)的污染與破壞無疑與個體的健康、安全息息相關(guān)?！?022中國生態(tài)環(huán)境狀況公報》指出，全國農(nóng)用地土壤環(huán)境狀況總體穩(wěn)定，影響農(nóng)用地土壤環(huán)境質(zhì)量的主要污染物是重金屬。重金屬銅是組成生物體細胞的微量元素，但含量過高則會影響生物體的生命活動。人們用被銅重度污染的土地種植農(nóng)作物，會對植物的生長產(chǎn)生影響，重金屬通過生物鏈的富集進入人體內(nèi)，最終對人體產(chǎn)生危害。近年來，隨著冶金、化工、采礦等行業(yè)的快速發(fā)展，部分環(huán)境中重金屬污染日益增加，土壤中含銅量已超過土壤背景值的幾倍甚至幾十倍，這已經(jīng)遠遠超出土壤本身的承受能力?？梢?，重金屬銅污染對植物生長的影響是與社會熱點問題相關(guān)的生物學(xué)議題。人教版高中生物學(xué)必修1設(shè)置了“探究環(huán)境因素對光合作用的影響”這一實驗，通常探究的自變量是光照強度，但農(nóng)業(yè)生產(chǎn)時光照強度是無法控制的，難以直觀地用生物學(xué)原理去解釋和改變環(huán)境。因應(yīng)生命健康與安全教育的目的，選取重金屬Cu2+污染這一現(xiàn)實環(huán)境問題作為項目主題，引導(dǎo)學(xué)生基于設(shè)計思維和項目協(xié)作，綜合運用STEM多學(xué)科知識和技能，揭示重金屬Cu2+污染的危害，形成結(jié)構(gòu)功能觀、穩(wěn)態(tài)平衡觀等生命觀念，培養(yǎng)社會責(zé)任和鄉(xiāng)土情懷，讓高中生物學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)的培養(yǎng)落地生根。二、落地生物學(xué)核心素養(yǎng)的項目化活動過程設(shè)計1.滲透社會責(zé)任意識的情境項目創(chuàng)設(shè)STEM教育理念強調(diào)把知識用于實際生活，結(jié)合生活中真實、有趣的問題設(shè)計學(xué)習(xí)任務(wù)，通過解決生活中的問題完成教學(xué)。本創(chuàng)新實驗創(chuàng)設(shè)真實問題情境作為教學(xué)導(dǎo)入：重金屬銅污染主要是由采礦排放出的廢水和廢氣、城市工業(yè)和生活污水無節(jié)制的排放等致使水質(zhì)或土壤中重金屬含量增加，并造成生態(tài)環(huán)境的嚴(yán)重惡化。菹草對水體和底泥中的Cu2+有一定的吸收作用，但Cu2+含量過高則會影響菹草的生長，因此菹草的生長狀況可作為環(huán)境監(jiān)測的指標(biāo)。Cu2+脅迫對菹草光合作用有怎樣的影響呢？作用機理可能是什么呢？由此，引導(dǎo)學(xué)生關(guān)注身邊的環(huán)境，并用生物學(xué)原理和方法來研究問題。本項目中，學(xué)生們利用課余時間查找重金屬Cu2+污染的現(xiàn)狀，以及重金屬Cu2+對植物可能存在的危害。教師指導(dǎo)學(xué)生利用周末時間，采訪與調(diào)查周邊工廠的污水排放渠道，找尋可能存在的重金屬Cu2+污染源，并觀察、拍攝水生植物的生長情況。學(xué)生們關(guān)注到要探究重金屬Cu2+脅迫對水生植物生長的影響，需確定合適的實驗材料。通過調(diào)查發(fā)現(xiàn)，菹草是一種河流中常見的水生植物，且研究表明菹草對水體和底泥中的Cu2+有一定吸收能力，但含量過高則會影響菹草的生長，因此確定課題為“探究Cu2+脅迫對菹草光合作用的影響”。他們查閱資料，開展小組討論，分析實驗變量，設(shè)計合理的Cu2+濃度梯度，最后確定實驗方案。2.關(guān)聯(lián)多維核心素養(yǎng)的教學(xué)目標(biāo)設(shè)計關(guān)聯(lián)多維核心素養(yǎng)的教學(xué)目標(biāo)設(shè)計是指在教學(xué)過程中，將多個學(xué)科核心素養(yǎng)有機地結(jié)合在一起，以培養(yǎng)學(xué)生的必備品格與關(guān)鍵能力。STEM項目的探究目標(biāo)與關(guān)聯(lián)多維核心素養(yǎng)的教學(xué)目標(biāo)密切相關(guān)。STEM項目探究目標(biāo)包括引導(dǎo)學(xué)生進行真實的問題解決、實驗和項目設(shè)計、模擬建模等。這些項目探究目標(biāo)大多能夠推進至各學(xué)科核心素養(yǎng)的縱深，也能發(fā)展學(xué)生的跨學(xué)科思維。STEM項目化學(xué)習(xí)經(jīng)常會涉及其他學(xué)科領(lǐng)域，比如數(shù)學(xué)中的測量和數(shù)據(jù)分析、物理學(xué)中的原理和實驗設(shè)計，甚至藝術(shù)中的外觀設(shè)計。通過關(guān)聯(lián)多維核心素養(yǎng)的教學(xué)目標(biāo)設(shè)計，學(xué)生能夠在項目實踐中獲取學(xué)科特定的知識和技能，并培養(yǎng)學(xué)科觀念、科學(xué)探究、科學(xué)思維、社會責(zé)任等素養(yǎng)。因此，為了達成多維度的教學(xué)目標(biāo)，讓學(xué)生像科學(xué)家一樣思考，形成跨學(xué)科解決問題的思維習(xí)慣，設(shè)計了如表1所示的STEM項目教學(xué)目標(biāo)。3.逐層進階科學(xué)探究的學(xué)習(xí)任務(wù)延伸逐層進階科學(xué)探究的學(xué)習(xí)任務(wù)延伸是指在掌握基礎(chǔ)知識和實驗技能的基礎(chǔ)上，通過逐步提高難度和復(fù)雜性的學(xué)習(xí)任務(wù)來拓展學(xué)生的科學(xué)探究能力。在逐層進階科學(xué)探究的學(xué)習(xí)任務(wù)延伸中，學(xué)生將面臨更具挑戰(zhàn)性的問題或?qū)嶒炘O(shè)計，需要更深入地思考、分析和解決科學(xué)問題。這種延伸任務(wù)可以包括如下四個方面：第一，選擇一個與原始實驗相關(guān)的特定方面或因素，讓學(xué)生進行更深入的研究；第二，通過設(shè)計涉及多個變量的實驗，讓學(xué)生研究它們對所選問題的影響；第三，學(xué)生可以使用計算機模型或虛擬實驗平臺來模擬所研究問題的相關(guān)過程，這種方法可以幫助學(xué)生更好地理解和預(yù)測實驗結(jié)果，并提供一種便捷、安全和高效的研究手段；第四，學(xué)生可以將學(xué)習(xí)任務(wù)延伸到實際應(yīng)用領(lǐng)域，探索所研究的問題在現(xiàn)實生活中的意義和應(yīng)用。因此，從學(xué)習(xí)者特點、學(xué)習(xí)環(huán)境等因素出發(fā)設(shè)計教學(xué)過程，能使學(xué)生在完成挑戰(zhàn)任務(wù)的過程中，不斷提高運用工程學(xué)方法解決實際問題的能力。該STEM項目從實驗材料、觀測指標(biāo)等方面進行創(chuàng)新，指導(dǎo)學(xué)生運用工程設(shè)計的方式進行實驗探究過程，同時對指標(biāo)進行觀測，以期提高學(xué)生利用跨學(xué)科知識解決實際問題的能力（主要教學(xué)過程見表2）。4.促進科學(xué)思維涵養(yǎng)的工程任務(wù)實踐通過參與實際的工程任務(wù)實踐，學(xué)生將直接接觸到真實的問題，并且親身體驗科學(xué)思維的應(yīng)用和實踐過程，從而加深對研究方法和科學(xué)原理的理解。同時，工程任務(wù)實踐通常涉及多個學(xué)科領(lǐng)域的知識和技能，這就要求學(xué)生在實踐中整合不同學(xué)科的知識，如數(shù)學(xué)、物理、化學(xué)等，以解決實際問題。這樣的綜合應(yīng)用培養(yǎng)了學(xué)生的系統(tǒng)思考能力和跨學(xué)科思維能力。尤為重要的是，工程任務(wù)實踐鼓勵學(xué)生積極尋找解決問題的思路和方法。他們需要提出假設(shè)，設(shè)計實驗方案，并根據(jù)結(jié)果進行調(diào)整和改進。這樣的實踐過程培養(yǎng)了學(xué)生的創(chuàng)新能力和解決問題的能力。詳細說來，本項目分為4大組，每組各確定一個觀測指標(biāo)進行探究，具體的課題分別為“探究不同濃度Cu2+下菹草凈光合作用速率的變化”“光學(xué)顯微鏡下觀察細胞中的葉綠體”“葉綠體中的色素提取與分離”“葉綠素a、葉綠素b的定量監(jiān)測”。各小組按方案中確定的實驗流程，對菹草進行Cu2+脅迫培養(yǎng)，并進行相關(guān)檢測，觀察記錄結(jié)果。各組根據(jù)自己的實驗結(jié)果，及時整理實驗數(shù)據(jù)。之后，教師再引導(dǎo)學(xué)生利用Excel軟件繪制曲線圖，分析數(shù)據(jù)，得出相應(yīng)的實驗結(jié)論。最后，組內(nèi)討論，利用已有的生物學(xué)知識嘗試解釋實驗結(jié)論，探究生命現(xiàn)象背后的生物學(xué)原理。各組分享實驗探究心得，在交流過程中體驗探究的樂趣，提高合作學(xué)習(xí)能力，通過反思實驗過程提出改進措施，訓(xùn)練科學(xué)思維。5.踐行核心素養(yǎng)內(nèi)化的項目遷移應(yīng)用在高中生物學(xué)實驗教學(xué)中應(yīng)用STEM項目化學(xué)習(xí)是教學(xué)改革的積極探索，其本質(zhì)還是希望學(xué)生能將生物學(xué)知識應(yīng)用于生活實際，能利用工程學(xué)的思維解決生產(chǎn)實踐的問題。在這個過程中，通過設(shè)計適合學(xué)科特點的學(xué)習(xí)遷移項目，促進學(xué)生深入理解知識，并將其內(nèi)化為學(xué)科核心素養(yǎng)。一方面，項目化的遷移應(yīng)用能夠幫助學(xué)生將學(xué)科核心素養(yǎng)轉(zhuǎn)化為具體行動，應(yīng)用于學(xué)科項目的不同階段和任務(wù)；另一方面，項目遷移應(yīng)用可以創(chuàng)造出更具互動性和合作性的學(xué)習(xí)環(huán)境，有助于學(xué)科核心素養(yǎng)的內(nèi)化。這種協(xié)作和互動過程促使學(xué)生積極參與學(xué)科學(xué)習(xí)，相互借鑒，以培養(yǎng)學(xué)科交流和合作的能力。此外，項目遷移應(yīng)用還為學(xué)生提供了更多自主學(xué)習(xí)的機會，讓他們不斷評估和調(diào)整自身的學(xué)習(xí)策略和方法，促進學(xué)生進一步將知識內(nèi)化為學(xué)科核心素養(yǎng)。對于探究Cu2+脅迫對菹草光合作用的影響，可以通過STEM項目化學(xué)習(xí)引導(dǎo)學(xué)生遷移設(shè)計其他探究實驗。例如，學(xué)生可以進一步配制不同濃度的Cu2+溶液，將其加入植物細胞樣本中并觀察細胞核結(jié)構(gòu)的變化。通過顯微鏡觀