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STEM教育是当前国际科学教育领域关注和研究的热点之一，其目的是培养适应社会发展的集科学素养、技术素养、工程素养和数学素养于一身的创新型复合人才，其培养目的适应新一轮的课程改革需求。此外，《普通高中生物学课程标准（2017年版）》在教学与评价建议中强调：注重生物学与数学、技术、工程学和信息科学等学科的相互渗透和共同发展，加强学科间的横向联系。因此，注重STEM教育理念在高中生物教学中的渗透，是一种优化高中生物教学方法的良策，对提升学生生物学核心素养具有重大推动作用。
STEM教育简介
STEM教育是指科学（Science）、技术（Technology）、工程（Engineering）和数学（Mathematics）多学科相互融合的教育，这一概念是由美国国家科学委员会提出。它强调多学科的交叉融合形成有机整体，其特色是有计划科学地整合各学科知识与技能，应用于真实且复杂的情境中去解决实际问题，从而完善跨学科知识体系的建构。本文将STEM教育理解为一种教学策略和学习方法应用于生物教学中，以生物学核心概念为主线，整合物理、化学、技术和数学等多门学科知识与技能，解决现实生活情境中的问题，在问题解决过程中提升科学思维能力、实践探究能力，最终达成生物学核心素养的提升。
融入STEM教育理念的教学，要求学生在学习过程中，能够提升科学、技术、工程和数学素养，即STEM素养。具体内容为学生能够运用科学知识和方法解决实际问题；基于理解，能够习得并灵活运用技术；运用科学与数学知识应用于现实生活中的工程设计与开发；能够运用数学思维表达问题及解决问题。
基于STEM教育理念的生物课堂教学实践
设计基于STEM教育理念的教学模式 随着国内外关于STEM教育理论和教学实践研究的不断丰富和完善，不同专家学者在STEM教育理念的基础上也提出了适用于不同学习阶段或不同学科内容的STEM教学设计模式。本文基于对相关STEM教育案例和北京师范大学余胜泉教授提出的基于建构主义STEM教育教学模式的研究学习，结合高中生物课程标准和高中生物学科特点，设计了基于STEM教育理念的高中生物教学设计模式：在教学任务的引领下，基于教材、普通高中生物学课程标准、教学目标、跨学科知识和技能整合（STEM素养）和学习者特征五个方面进行分析，设计教学实施流程，主要包括“情境创设”“方案设计”“科学实践”“交流评价”四个方面。其中，情境创设要求基于真实的生活情境，激发学生探究积极性；方案设计要求学生基于真实情境提出可探究的问题或项目，确定研究主题，合作探究并设计实验方案；科学实践过程旨在学生在进行实验操作过程中灵活运用相关技术和数学思维解决问题；最终的交流评价可形式多样，目的在于反思学习过程，感悟科学、技术、工程和数学知识的相互交融，达成STEM素养的提升。此外，在教学前，教师应基于可研究的问题或项目进行工具与资源设计、学习支架设计和活动过程设计，保证教学的科学性和高效性。
课堂教学案例分析 依据教学任务安排，重点分析教材内容、高中生物课程标准和相关跨学科知识，选取浙科版选修一中微生物的分离与计数教学内容为载体，包括“大肠杆菌的培养与分离”和“分离以尿素为唯一氮源的微生物”两部分内容，其中包含的方法与技术有培养基配置、灭菌技术、无菌操作技术、微生物分离与纯化方法（划线分离法和涂布分离法）、微生物数量计数法（稀释涂布分离法和显微镜计数法）等。此外，基于对教学时间与学习者特点的分析，且为了进一步提升学生综合运用多学科知识与技能解决生活实际问题的能力，从而完成生物学核心素养的提升，故将本节教学案例安排在高中生物一轮复习课中实施。其中，情境创设和方案设计安排在1课时中完成，科学实践和交流讨论安排在2～3课时中完成。
一是实际情境创设，激发探究热情。食品安全是如今社会特别关注的话题，微生物学检测在食品安全检测中发挥重要作用，其中菌落总数和大肠菌群数是评价食品卫生质量的重要指标之一。教师可播放不法商家生产食物的过程视频或某品牌食品卫生不合格事件新闻等，如近年在食品安全专项监督抽检中发现某品牌网红双黄蛋雪糕中的菌落总数和大肠菌群超标事件。其中大肠杆菌群是食品卫生的指示性指标，食品中检测出大肠菌群并不一定致病，但如果是致病性大肠杆菌，就可能会引起腹痛、腹泻、血便和出血性大肠炎等食源性疾病。因此，若食品加工生产卫生条件不合格，就极易导致食品中菌落总数和大肠菌群数超标。以贴近学生生活实际的社会热点话题创设情境，能够有效地激发学生探究学习热情，并且认识到生物学对提高人类生活质量等方面具有重要贡献。
二是研究方案设计，发展科学思维。方案设计过程包括提出可研究的问题或项目、确定研究主题和合作探究设计实验方案三部分。第一，提出研究问题。通过对真实情境的分析讨论，引导学生提出可探究的问题或项目并进行师生或生生讨论。如“夏季吃的多种品牌冰淇凌真的符合国家食品安全标准吗”“我们吃的垃圾食品如辣条真的安全卫生吗”“路边摊的食物中大肠菌群数是否严重超标”等问题。第二，确定研究主题。在学生提出多种值得探究的问题之后，教师为学生提供了相关课外阅读资料，如《食品安全国家标准—食品微生物学检验（包含微生物限量说明表）》以及相关的培养基配置方法和操作流程图。学生在研究学习提供的课外资料同时，结合自身在浙科版选修一新课中所学知识与技能，最终确定本次课程的研究主题为：检测某品牌冰淇凌中的菌落总数和大肠菌群数是否符合食品安全标准中的微生物限量值，并为学校食堂食物保存及采购提出建设性意见。该课题的研究既包含了学生已学过的微生物培养与分离知识，还涉及灭菌技术、无菌操作技术、数据统计分析及工程实践等，能够体现科学、技术、工程和数学等方面的知识在生物学课堂的渗透。此外，基于食品卫生质量检测活动，引导学生关注食品安全知识，树立健康卫生的饮食习惯。第三，合作探究，设计实验方案。引导学生围绕研究课题结合教师提供的课外阅读资料，探讨本次探究过程中所需要的生物学知识及相关的技术、工程、数学等其他学科知识，确定项目研究的思路，分配小组成员的任务。考虑到教学时间安排和实验操作的安全性，所有的操作过程均需教师在场指导监督。确定项目探究过程主要包括以下几个阶段：首先，相关培养基配置（教师事先准备好），培养基灭菌和相关操作器具的灭菌由学生在老师的指导下进行。其次，实验样品的采集，即某品牌冰淇凌购买后立即保存于无菌玻璃盒中，放于实验室冰箱備用，避免拿回实验室途中被杂菌污染。再次，实验操作主要包括三部分，第一是食品中菌落总数的测定（较简单）；第二是食品中大肠菌群测定（MPN法），即统计学和微生物学结合的一种定量检测法，将待测样品按照一定的梯度进行稀释并涂布于平板培养基，适宜温度培养箱中倒置培养后，根据其未生长的最低稀释度和生长的最高稀释度，运用统计学概率论推算出待测样品中大肠菌群的最大可能数；第三是食品中大肠菌群测定（平板计数），即大肠菌群在固体培养基中发酵乳糖产酸，在指示剂的作用下形成可计数的红色或紫色，带有或不带有沉淀环的菌落。其中，大肠菌群测定（MPN法）和大肠杆菌的分离与计数内容是基于高中生物教材内容的提升与应用，需要在教师的协助下帮助学生在理解基础上应用相关原理知识解决问题。针对这三部分实验操作方案设计，教师要协助学生明确操作原理，操作具体流程及注意事项，从而使学生小组合作设出计科学严谨的实验方案。最终教师和学生针对各小组实验方案进行分析讨论。 三是科学实践探究，提升STEM素养。科学实践过程包括“实验实施”“融合数学思维，统计分析数据”和“解决问题或完成项目研究”。由于实验实施过程中涉及微生物培养时间约为48小时，所以中间的部分实操作环节由实验员代为操作。该实践过程为学生提供了运用所学微生物学相关知识与技术应用于生活实际解决问题的机会，既有利于帮助学生对微生物实验操作中的实验器具如接种环、三角刮刀、培养皿、高压灭菌锅和超净台等增加感性认识；也能使学生进一步加深对选修一微生物部分相关知识点的理解；同时，样液的梯度稀释、菌落的统计及推算及结合统计学知识的菌落数估算这些过程均有利于学生数学思维能力的提升。由于该项目研究是在无菌环境中进行，所以无菌操作技术必须严谨规范，避免实验操作不当造成样品污染，影响检测结果。在实验过程中，需要任课教师和实验指导教师及时通过问题引导学生发现并及时纠正错误。最后，组织学生以小组合作的形式整理数据，引导学生采取合理的数学思维分析实验数据并分组汇报实验结果。结果显示：六组中有四组同学所检测的该份品牌冰淇凌菌落总数菌均小于2.5×104CFU/mL，符合国家食品菌落总数限量标准；六组中有三组同学通过两种大肠菌群计数方法统计所得的大肠菌群数也均小于100 CFU/mL，符合国家食品大肠菌群数限量标准，综合评定本次购买的某品牌冰淇凌基本符合质量卫生标准。此外，由于大肠菌群计数实验操作较复杂，操作不当极易引起杂菌污染，所以有两组同学统计所得大肠菌群数严重超标，且空白培养基也有杂菌污染，教师可基于此情况，引导学生分析造成菌落计数准确性的影响因素有哪些？帮助学生破解实验难点，规范实验操作。
四是积极交流评价，深化知识理解与应用。有效的交流评价能够增强学生自我反思意识，深化知识的理解与应用，主要包括教师对学生实践过程评价、学生自我评价和学生互评三个方面。教师对学生实践过程评价主要是基于问题引导学生思考并纠正实践中出现的错误，加深理解该实践过程中所融入的科学、技术、工程和数学知识，提升学生对STEM的认知。基于该主题研究感悟，引导小组同学从食品安全角度就学校食堂食物保存及食材采购提出建设性意见，如从烹调到食用的间隔时间不宜太长，避免细菌有足够的繁殖时间；避免煮熟的食品长时间存放于室温下冷却；食材采购过程中，要关注食品包装生产日期、保质期和QS标识等是否标明。此外，针对两组学生在实验操作过程中由于操作不当引入杂菌的情况，引导学生关注日常饮食过程中的卫生习惯，树立健康卫生的饮食习惯。
从STEM教育角度分析，该实验探究以现实生活实际为基础，提出相关探究问题，并综合运用科学、技术、工程和数学学科的知识灵活解决问题，得出结论，在学以致用的过程中，逐步促进学科核心素养的提升。实验设计与操作既有利于發展学生的科学思维，也有利于提升学生的动手实践能力。但是，生物教学中融入STEM教育理念并非易事，最重要的是需要生物教师团结合作，共同提升教师自身STEM素养 ，这样才能保障STEM教育理念在高中生物教学中有目的、有计划地渗透，从而建立科学合理系统性融入STEM教育理念的高中生物教学体系。
（作者单位： 浙江省杭州市长征中学）
STEM教育简介
STEM教育是指科学（Science）、技术（Technology）、工程（Engineering）和数学（Mathematics）多学科相互融合的教育，这一概念是由美国国家科学委员会提出。它强调多学科的交叉融合形成有机整体，其特色是有计划科学地整合各学科知识与技能，应用于真实且复杂的情境中去解决实际问题，从而完善跨学科知识体系的建构。本文将STEM教育理解为一种教学策略和学习方法应用于生物教学中，以生物学核心概念为主线，整合物理、化学、技术和数学等多门学科知识与技能，解决现实生活情境中的问题，在问题解决过程中提升科学思维能力、实践探究能力，最终达成生物学核心素养的提升。
融入STEM教育理念的教学，要求学生在学习过程中，能够提升科学、技术、工程和数学素养，即STEM素养。具体内容为学生能够运用科学知识和方法解决实际问题；基于理解，能够习得并灵活运用技术；运用科学与数学知识应用于现实生活中的工程设计与开发；能够运用数学思维表达问题及解决问题。
基于STEM教育理念的生物课堂教学实践
设计基于STEM教育理念的教学模式 随着国内外关于STEM教育理论和教学实践研究的不断丰富和完善，不同专家学者在STEM教育理念的基础上也提出了适用于不同学习阶段或不同学科内容的STEM教学设计模式。本文基于对相关STEM教育案例和北京师范大学余胜泉教授提出的基于建构主义STEM教育教学模式的研究学习，结合高中生物课程标准和高中生物学科特点，设计了基于STEM教育理念的高中生物教学设计模式：在教学任务的引领下，基于教材、普通高中生物学课程标准、教学目标、跨学科知识和技能整合（STEM素养）和学习者特征五个方面进行分析，设计教学实施流程，主要包括“情境创设”“方案设计”“科学实践”“交流评价”四个方面。其中，情境创设要求基于真实的生活情境，激发学生探究积极性；方案设计要求学生基于真实情境提出可探究的问题或项目，确定研究主题，合作探究并设计实验方案；科学实践过程旨在学生在进行实验操作过程中灵活运用相关技术和数学思维解决问题；最终的交流评价可形式多样，目的在于反思学习过程，感悟科学、技术、工程和数学知识的相互交融，达成STEM素养的提升。此外，在教学前，教师应基于可研究的问题或项目进行工具与资源设计、学习支架设计和活动过程设计，保证教学的科学性和高效性。
课堂教学案例分析 依据教学任务安排，重点分析教材内容、高中生物课程标准和相关跨学科知识，选取浙科版选修一中微生物的分离与计数教学内容为载体，包括“大肠杆菌的培养与分离”和“分离以尿素为唯一氮源的微生物”两部分内容，其中包含的方法与技术有培养基配置、灭菌技术、无菌操作技术、微生物分离与纯化方法（划线分离法和涂布分离法）、微生物数量计数法（稀释涂布分离法和显微镜计数法）等。此外，基于对教学时间与学习者特点的分析，且为了进一步提升学生综合运用多学科知识与技能解决生活实际问题的能力，从而完成生物学核心素养的提升，故将本节教学案例安排在高中生物一轮复习课中实施。其中，情境创设和方案设计安排在1课时中完成，科学实践和交流讨论安排在2～3课时中完成。
一是实际情境创设，激发探究热情。食品安全是如今社会特别关注的话题，微生物学检测在食品安全检测中发挥重要作用，其中菌落总数和大肠菌群数是评价食品卫生质量的重要指标之一。教师可播放不法商家生产食物的过程视频或某品牌食品卫生不合格事件新闻等，如近年在食品安全专项监督抽检中发现某品牌网红双黄蛋雪糕中的菌落总数和大肠菌群超标事件。其中大肠杆菌群是食品卫生的指示性指标，食品中检测出大肠菌群并不一定致病，但如果是致病性大肠杆菌，就可能会引起腹痛、腹泻、血便和出血性大肠炎等食源性疾病。因此，若食品加工生产卫生条件不合格，就极易导致食品中菌落总数和大肠菌群数超标。以贴近学生生活实际的社会热点话题创设情境，能够有效地激发学生探究学习热情，并且认识到生物学对提高人类生活质量等方面具有重要贡献。
二是研究方案设计，发展科学思维。方案设计过程包括提出可研究的问题或项目、确定研究主题和合作探究设计实验方案三部分。第一，提出研究问题。通过对真实情境的分析讨论，引导学生提出可探究的问题或项目并进行师生或生生讨论。如“夏季吃的多种品牌冰淇凌真的符合国家食品安全标准吗”“我们吃的垃圾食品如辣条真的安全卫生吗”“路边摊的食物中大肠菌群数是否严重超标”等问题。第二，确定研究主题。在学生提出多种值得探究的问题之后，教师为学生提供了相关课外阅读资料，如《食品安全国家标准—食品微生物学检验（包含微生物限量说明表）》以及相关的培养基配置方法和操作流程图。学生在研究学习提供的课外资料同时，结合自身在浙科版选修一新课中所学知识与技能，最终确定本次课程的研究主题为：检测某品牌冰淇凌中的菌落总数和大肠菌群数是否符合食品安全标准中的微生物限量值，并为学校食堂食物保存及采购提出建设性意见。该课题的研究既包含了学生已学过的微生物培养与分离知识，还涉及灭菌技术、无菌操作技术、数据统计分析及工程实践等，能够体现科学、技术、工程和数学等方面的知识在生物学课堂的渗透。此外，基于食品卫生质量检测活动，引导学生关注食品安全知识，树立健康卫生的饮食习惯。第三，合作探究，设计实验方案。引导学生围绕研究课题结合教师提供的课外阅读资料，探讨本次探究过程中所需要的生物学知识及相关的技术、工程、数学等其他学科知识，确定项目研究的思路，分配小组成员的任务。考虑到教学时间安排和实验操作的安全性，所有的操作过程均需教师在场指导监督。确定项目探究过程主要包括以下几个阶段：首先，相关培养基配置（教师事先准备好），培养基灭菌和相关操作器具的灭菌由学生在老师的指导下进行。其次，实验样品的采集，即某品牌冰淇凌购买后立即保存于无菌玻璃盒中，放于实验室冰箱備用，避免拿回实验室途中被杂菌污染。再次，实验操作主要包括三部分，第一是食品中菌落总数的测定（较简单）；第二是食品中大肠菌群测定（MPN法），即统计学和微生物学结合的一种定量检测法，将待测样品按照一定的梯度进行稀释并涂布于平板培养基，适宜温度培养箱中倒置培养后，根据其未生长的最低稀释度和生长的最高稀释度，运用统计学概率论推算出待测样品中大肠菌群的最大可能数；第三是食品中大肠菌群测定（平板计数），即大肠菌群在固体培养基中发酵乳糖产酸，在指示剂的作用下形成可计数的红色或紫色，带有或不带有沉淀环的菌落。其中，大肠菌群测定（MPN法）和大肠杆菌的分离与计数内容是基于高中生物教材内容的提升与应用，需要在教师的协助下帮助学生在理解基础上应用相关原理知识解决问题。针对这三部分实验操作方案设计，教师要协助学生明确操作原理，操作具体流程及注意事项，从而使学生小组合作设出计科学严谨的实验方案。最终教师和学生针对各小组实验方案进行分析讨论。 三是科学实践探究，提升STEM素养。科学实践过程包括“实验实施”“融合数学思维，统计分析数据”和“解决问题或完成项目研究”。由于实验实施过程中涉及微生物培养时间约为48小时，所以中间的部分实操作环节由实验员代为操作。该实践过程为学生提供了运用所学微生物学相关知识与技术应用于生活实际解决问题的机会，既有利于帮助学生对微生物实验操作中的实验器具如接种环、三角刮刀、培养皿、高压灭菌锅和超净台等增加感性认识；也能使学生进一步加深对选修一微生物部分相关知识点的理解；同时，样液的梯度稀释、菌落的统计及推算及结合统计学知识的菌落数估算这些过程均有利于学生数学思维能力的提升。由于该项目研究是在无菌环境中进行，所以无菌操作技术必须严谨规范，避免实验操作不当造成样品污染，影响检测结果。在实验过程中，需要任课教师和实验指导教师及时通过问题引导学生发现并及时纠正错误。最后，组织学生以小组合作的形式整理数据，引导学生采取合理的数学思维分析实验数据并分组汇报实验结果。结果显示：六组中有四组同学所检测的该份品牌冰淇凌菌落总数菌均小于2.5×104CFU/mL，符合国家食品菌落总数限量标准；六组中有三组同学通过两种大肠菌群计数方法统计所得的大肠菌群数也均小于100 CFU/mL，符合国家食品大肠菌群数限量标准，综合评定本次购买的某品牌冰淇凌基本符合质量卫生标准。此外，由于大肠菌群计数实验操作较复杂，操作不当极易引起杂菌污染，所以有两组同学统计所得大肠菌群数严重超标，且空白培养基也有杂菌污染，教师可基于此情况，引导学生分析造成菌落计数准确性的影响因素有哪些？帮助学生破解实验难点，规范实验操作。
四是积极交流评价，深化知识理解与应用。有效的交流评价能够增强学生自我反思意识，深化知识的理解与应用，主要包括教师对学生实践过程评价、学生自我评价和学生互评三个方面。教师对学生实践过程评价主要是基于问题引导学生思考并纠正实践中出现的错误，加深理解该实践过程中所融入的科学、技术、工程和数学知识，提升学生对STEM的认知。基于该主题研究感悟，引导小组同学从食品安全角度就学校食堂食物保存及食材采购提出建设性意见，如从烹调到食用的间隔时间不宜太长，避免细菌有足够的繁殖时间；避免煮熟的食品长时间存放于室温下冷却；食材采购过程中，要关注食品包装生产日期、保质期和QS标识等是否标明。此外，针对两组学生在实验操作过程中由于操作不当引入杂菌的情况，引导学生关注日常饮食过程中的卫生习惯，树立健康卫生的饮食习惯。
从STEM教育角度分析，该实验探究以现实生活实际为基础，提出相关探究问题，并综合运用科学、技术、工程和数学学科的知识灵活解决问题，得出结论，在学以致用的过程中，逐步促进学科核心素养的提升。实验设计与操作既有利于發展学生的科学思维，也有利于提升学生的动手实践能力。但是，生物教学中融入STEM教育理念并非易事，最重要的是需要生物教师团结合作，共同提升教师自身STEM素养 ，这样才能保障STEM教育理念在高中生物教学中有目的、有计划地渗透，从而建立科学合理系统性融入STEM教育理念的高中生物教学体系。
（作者单位： 浙江省杭州市长征中学）