STEM下高中生物学实验教学措施分析

摘要：本论文聚焦STEM教育理念下高中生物学实验教学，以“设计跨学科实验项目，融合STEM元素”为研究切口，深入探讨其在高中生物学实验教学中的具体实施策略与应用效果。通过分析当前高中生物学实验教学现状，结合STEM教育内涵与特点，从课程设计层面提出构建跨学科实验项目的方法，旨在打破学科壁垒，提升学生综合素养与实践能力，为高中生物学实验教学改革提供参考。

关键词：STEM教育；高中生物学；实验教学；跨学科实验项目；课程设计

随着教育改革的不断推进，培养学生的综合素养与创新能力成为教育的重要目标。STEM教育强调科学（Science）、技术（Technology）、工程（Engineering）和数学（Mathematics）的融合，注重培养学生解决实际问题的能力。高中生物学实验教学作为生物学教学的重要组成部分，是学生获取知识、培养实践能力的关键环节。

一、STEM教育与高中生物学实验教学概述

（一）STEM教育的内涵与特点

STEM教育并非是科学、技术、工程和数学学科的简单叠加，而是强调各学科之间的有机融合，通过真实情境下的问题解决，培养学生的批判性思维、创新能力、团队协作能力和实践能力。其核心特点在于跨学科性、实践性、创新性和情境性。跨学科性要求打破传统学科界限，引导学生运用多学科知识解决问题；实践性注重学生在实际操作中理解和应用知识；创新性鼓励学生提出新的想法和解决方案；情境性则强调将学习内容与现实生活紧密结合，提高学生的学习兴趣和参与度。

（二）高中生物学实验教学的现状

目前，高中生物学实验教学虽然在培养学生动手能力方面发挥了一定作用，但仍存在诸多不足。一方面，实验内容多局限于生物学学科内部，学科间的交叉融合较少，学生难以形成综合运用知识的能力。例如，在传统的植物细胞观察实验中，仅要求学生观察细胞结构，缺乏与数学中数据统计、工程中模型构建等知识的联系。另一方面，实验设计往往脱离实际生活，学生难以体会生物学知识在解决实际问题中的价值。

二、STEM下高中生物学实验教学措施

（一）课程设计优化

1.设计跨学科实验项目，融合STEM元素

设计跨学科实验项目是将STEM教育理念融入高中生物学实验教学的关键。在具体实施过程中，可以生物学领域存在许多复杂的问题，需要运用多学科知识才能有效解决。例如，在“探究城市绿地对空气质量的影响”实验项目中，以生物学中植物的光合作用、蒸腾作用等知识为核心，同时融合数学中的数据分析方法，对空气质量检测数据进行统计和分析；运用技术手段，如空气质量检测仪、数据记录软件等，获取和处理数据；借鉴工程学原理，设计合理的采样点布局和实验方案。通过这样的跨学科实验项目，学生不仅能深入理解生物学知识，还能学会运用其他学科知识解决实际问题，提升综合能力。每个跨学科实验项目都应构建清晰的项目式学习框架，明确学习目标。以“设计生态瓶”实验项目为例，学习目标可以设定为：运用生物学知识选择合适的生物种类和数量，构建稳定的生态系统；运用数学知识计算生态瓶中各生物的比例和资源消耗；运用工程学知识设计生态瓶的结构和材料；运用技术手段，如摄像头、传感器等，监测生态瓶内的环境变化。在项目实施过程中，学生围绕这些目标，通过小组合作、查阅资料、实验操作等方式完成项目任务，实现知识的综合运用和能力的提升。

2.结合生活实际与社会热点，增强实验实用性

除了设计跨学科实验项目，将生物学实验与生活实际和社会热点相结合，也是优化课程设计的重要途径。在实验内容选择上，可以选取与学生日常生活密切相关的生物学现象，如食品保鲜、疾病预防等，让学生通过实验探究其中的生物学原理。例如，开展“不同保鲜方法对水果保质期的影响”实验，学生通过控制变量，比较冷藏、保鲜膜包裹、添加保鲜剂等不同保鲜方法对水果变质速度的影响。在实验过程中，学生不仅能掌握生物学中的微生物生长和代谢知识，还能学会运用这些知识解决生活中的实际问题，提高生活技能。

（二）教学方法创新

1.采用项目式学习（PBL）开展实验教学

项目式学习（PBL）是一种以学生为中心的教学方法，强调学生在真实情境中通过完成项目任务来学习知识和技能。在高中生物学实验教学中采用PBL教学法，能够充分调动学生的学习积极性和主动性。以“校园生物多样性调查”项目为例，教师首先提出项目任务和要求，引导学生分组制定调查方案。在制定方案过程中，学生需要运用生物学知识确定调查对象和方法，运用数学知识设计数据记录表格和统计方法，运用工程学知识规划调查路线和采样点。在调查过程中，学生通过实地观察、采样、测量等操作收集数据，运用技术手段，如相机、GPS定位仪等记录信息。最后，学生对数据进行整理和分析，撰写调查报告，并进行展示和交流。在整个项目实施过程中，学生始终处于主动学习的状态，通过自主探究和合作学习，提高了综合能力和解决问题的能力。

2.运用数字化技术辅助实验过程

随着信息技术的发展，数字化技术在教育领域的应用越来越广泛。在高中生物学实验教学中，运用数字化技术能够辅助实验过程，提高实验教学效果。例如，利用虚拟仿真技术，学生可以在虚拟环境中进行一些危险、复杂或难以操作的实验，如基因编辑实验、解剖实验等。通过虚拟仿真实验，学生能够在安全的环境下熟悉实验操作步骤，理解实验原理，为实际操作打下基础。此外，运用传感器技术和数据采集系统，可以实时监测实验过程中的各种参数，如温度、湿度、酸碱度等，使学生能够更准确地获取实验数据，进行数据分析和处理。例如，在“探究植物呼吸作用”实验中，通过连接氧气传感器和二氧化碳传感器，学生可以直观地观察到植物呼吸作用过程中气体成分的变化，加深对呼吸作用原理的理解。

（三）教学资源整合

1.整合校内实验室、校外科研机构等资源

校内实验室是高中生物学实验教学的主要场所，学校应加强实验室建设，优化实验设备配置，为学生提供良好的实验条件。同时，积极整合校外科研机构、高校实验室等资源，为学生提供更多的实践机会。例如，学校可以与当地的农业科研院所合作，组织学生参观科研院所的实验室，参与科研项目的部分实验工作。学生在科研人员的指导下，接触到先进的实验设备和技术，了解生物学研究的前沿动态，拓宽了视野，提高了实践能力。此外，还可以邀请科研人员到学校举办讲座，介绍生物学研究的最新成果和方法，激发学生的学习兴趣和科研热情。

2.开发线上学习平台，拓展学习空间

开发线上学习平台是整合教学资源的重要方式。线上学习平台可以为学生提供丰富的学习资源，如实验视频、课件、练习题等，方便学生自主学习。同时，学生可以在平台上进行实验预习、复习和交流讨论。例如，在开展“DNA粗提取与鉴定”实验前，学生可以通过线上学习平台观看实验操作视频，了解实验步骤和注意事项；实验结束后，学生可以在平台上分享实验心得和体会，提出问题并与同学和教师进行交流。此外，线上学习平台还可以实现远程实验教学，教师可以通过网络指导学生进行实验操作，及时解决学生遇到的问题，突破时间和空间的限制，提高教学效率。

结论

将STEM教育理念融入高中生物学实验教学，通过设计跨学科实验项目、结合生活实际与社会热点、创新教学方法和整合教学资源等措施，能够有效提升高中生物学实验教学质量。设计跨学科实验项目作为课程设计优化的重要内容，能够打破学科壁垒，培养学生的综合能力和创新思维。在实际教学中，教师应根据学生的实际情况和教学目标，合理设计和实施跨学科实验项目，充分发挥STEM教育在高中生物学实验教学中的优势。同时，不断探索和创新教学方法，整合优质教学资源，为学生提供更加丰富、有趣和有效的学习体验，促进学生的全面发展。

参考文献：

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[3]何红星.STEM教育视角下高中生物学实验教学设计与思考[J].生物学教学,2021,46(03):47-49.