STEM 教学在高中生物思维型实验课堂中的实践研究

引言

生物实验教学是高中阶段培养学生科学素养和实践能力的重要路径。新课改下，学生思维能力发展受到更多关注，高中生物实验课堂也需不断向思维型课堂转型。STEM 教学从科学、技术、工程、数学等多方面入手，能够强化课堂教学的引导性。在高中生物思维型实验课堂中运用 STEM 教学，对于教学实效性的提升具有重要现实意义。文章对此进行了探讨研究。

一、课前准备，涉及实验任务

课前准备阶段对教学设计与实施起着统领作用。高中生物思维型实验课堂内容综合性强，为有效运用 STEM 教学，教师需注重课前准备，对教学内容和学习学情进行分析，归纳内容要点与 STEM要素的对应。同时结合学生学情，明确教学目标，进行合理实验设计，准备需要的资料、工具、场地等，并创建学习小组。

例如学习《DNA 粗提取与鉴定》一部分时，该部分内容在必修一、二 DNA 在细胞中存在的位置及功能，以及 DNA 的分子结构基础上展开，需要学生借助自主操作，选择合适实验材料，进行细胞破碎、DNA 提取和纯化等操作。STEM 要素对应方面，科学要素包括不同生物体 DNA 含量、DNA 与蛋白质理化特性的差异、实验仪器与工具的使用；技术要素包括选择合适的实验材料和实验方法，对比总结不同方法的优缺点；工程要素包括小组合作，共同设计完善的实验方案；数学要素包括使用分光计等仪器，将实验定量化，绘制数学图表并分析解读。

二、创设情境，设置驱动性任务

在教学设计基础上，为更好的活跃学生思维，为后续思维的深入发展助力，教师需要结合教学内容和学生生活实际，引入新闻实例、科学技术（T）、科学史料（S）等内容，创设教学情境，并自然提出相关的生物学问题（S）、工程学问题（E），使学生在问题回答过程中抓住本次教学的目标，能动的参与学习任务之中。

例如《DNA 粗提取与鉴定》思维型实验课堂中，教师首先借助多媒体展示情境：每一个个体的 DNA 均不尽相同。就如同指纹一般，现在利用 DNA 的个体鉴定技术已在个人识别、亲子鉴定等方面大显身手。但 DNA 指纹的应用不只如此。农作物品种鉴定领域也可以运用 DNA 鉴定技术，我国已建成全球首个农作物品种DNA 指纹库公共平台，大大推动了农业种业的发展。这样的情境与生活关系密切，能够有效吸引学生关注。教师顺势提出问题：为了构建农作物的 DNA 指纹图谱，首先要做什么？使用怎样的方式才能够提取 DNA 呢？进一步点燃学生兴趣，引导其对 DNA 相关知识进行回顾，联系DNA 的理化本质，提升比较思维能力。

三、链接知识，初步讨论分析

教学情境的创设使学生对实验需解决的问题产生了一定认知。教师还需综合多样技术工具（T），为学生呈现与实验任务相关旧有知识，调动学生的认知经验和科学概念（S），使其对实验设计、实验思路等进行初步构建分析。

例如《DNA 粗提取与鉴定》思维型实验课堂中，教师首先借助多媒体，展示在《必修 1·分子与细胞》教材中出现的内容，引导学生回顾 DNA 在细胞中存在的位置及功能。同时，教师随机选择学生上台，绘制细胞内 DNA 位置、DNA 基本结构的简图，提出问题：为提取出细胞中的DNA，需要哪些步骤呢？使学生调动生活经验，形成“选择细胞 - 破碎细胞 - DNA 提取”的基本思路。在此基础上，教师需进一步借助问题，将学生的初步思路拆分为一个个思考性任务，确保学生在科学思路基础上，有着一定的自主发挥空间，使其思维水平向简单归纳解释水平过渡。例如：怎样才能在破碎细胞基础上，确保 DNA 不受损害？如何将细胞中的蛋白质等物质与 DNA 分离？由此进入对合理选择细胞、细胞的研磨方式、DNA 的提取方式等重点环节的深入研究。

四、综合资源，引导合作探究

实验探究是思维型实验课堂的核心环节。STEM 教学强调学生学习主动性的发挥，教师需要在初步讨论分析基础上，为学生提供相关素材、工具等辅助材料（S/T/M），引导学生合作解读分析（T/M），总结科学概念（S）；并选择合适的工具及材料，进入实验设计、探究之中（S/E/T），推动学生简单归纳解释水平、综合推理解释水平思维的发展。

针对细胞的研磨方式任务，教师借助多媒体视频演示，直观呈现研磨剂的重要作用。并提出问题：怎样的材料适合做研磨剂？引发小组内讨论，使学生意识到研磨材料的泡沫、出汁等均会影响实验效果。这一过程中，教师可设置小型对比实验，引导各组学生分别运用提供的洗洁精、洗衣液、洗发水、沐浴露、洗面奶材料，借助“ 10mL 蒸馏水 +5 滴研磨材料 +2g 食盐”的标准配方，配置多种研磨剂，进行研磨对比。在此基础上，教师还需设置思考问题：研磨材料的浓度是否与实验效果相关？引导学生从质量分数范围在0‰ 之间等梯度溶液中选择二至三种最适宜浓度，为学生提供可选择空间。

五、成果展示，推动集体交流

科学知识的成果展示和讨论交流，是促进学生思维结构化的有效措施。小组实验结束后，教师需引导各组代表上台，借助语言表达和物理、数学模型（E/T）等方式，展示实验得到的知识（S）、实验过程和结果等。同时，教师还需进行合理总结评价，提出针对性问题，推动班级集体的交流，实现STEM 元素的延伸。

例如《DNA 粗提取与鉴定》思维型实验中，小组操作结束后，教师需引导学生基于实验现象、实验数据，进一步回顾实验操作的三项目要点，并联系 DNA 的理化特性，阐述本组实验方案的合理性，使其思维由简单归纳解释水平向综合推理解释水平深层次进阶。各组展示结束后，教师提出问题：为什么不同小组操作后二苯胺试剂的颜色深浅有较大不同呢？引导学生从材料选择、实验操作等多方面对比分析、提出质疑。之后，教师顺势拿出分光光度计，测量溶液的 OD 值，并将数据实时输入电脑，利用多媒体展示，将实验量化。并引导各小组分别使用分光计，精确测量本组实验结果，进一步从实验任务的三个角度入手，对实验方案进行完善提升

总结

综上所述，STEM 教学在高中生物思维型实验课堂的应用不仅丰富了高中生物实验教学的内涵和外延，同时进一步凸显思维引导作用，实现学生思维的深度发展。教师需要从多方面入手，渗透STEM 理念，完善实验设计，发展学生的实验技能、创新能力和综合素质。

参考文献

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