STEM教育在初中生物课程中的应用及分析
STEM教育包含科学、技术、工程、数学四门学科，是多个学科之间相互渗透融合的一种教育模式，在初中生物课程无土栽培这个实践活动中运用STEM教育，可以使学生对于生物知识理解的更加深刻，锻炼学生的动手操作能力，使学生对生物学科产生更加浓厚的兴趣，对学生日后学生生物学相关的学科打下良好基础，有利于学生的终身发展。
1 STEM教育
STEM教育是指将科学（Science）、技术（Technology）、工程（Engineering）、数学（Mathematics）进行有机结合，即教育不单单是某个学科、某一个领域知识的学习，而是结合多个学科的特点相互渗透、相互融合，进行多个学科领域的综合学习。学生在接受相关科学知识的基础上，动手实践操作将技术与工程进行结合，运用数学知识分析和思考的一种教学模式，倡导的是探究式的学习过程，在这个过程中学生学习了相关科学知识，锻炼了实践操作能力。
STEM教育将四门学科跨学科地整合起来进行综合性教育，因此要求学生具有多学科学习的能力素养以及能够打破学科的界线，打破固有的思想将不同学科相互融会贯通去思考问题，来解决自己看到以及面临的问题。 STEM教育所涉及地大多是学生在日常生活中可以见到观察到的现象，教育环境也就不仅限于课堂，还包括课外实践活动、媒体的传播内容等，这丰富了学生的生活，拓宽了获得教育的途径，加强了与现实生活的联系，为学生日后用科学的思维去思考问题打下基础。
2 STEM教育在初中生物学中的实施——无土栽培
2.1 教学过程
问题提出：学生之前学习过了植株的萌发过程以及条件，知道种子萌发需要土壤，教师在这里提出问题：植物生长一定要在土里进行吗？引发学生思考，植株的生长是否一定需要土壤？教师引导学生理解土壤的作用是给植株提供水与无机盐，并起到固着的作用，如果给植株提供所需要的营养物质，并将植株固定住，注意通气，那么植株也能够存活，教师这里提出无土栽培这个概念。
前期准备：学生初步了解无土栽培的可行性，接下来将学生分为四人一组，让学生以小组合作的形式查找有关无土栽培的相关资料，学生自行选择一种植株，为了植株更好的生长，在栽培之前就要对植株的特点、喜好、习性等进行充分的了解以及深入的分析，并购买适合这种植株的营养液。
操作实验：小组成员认真阅读说明书，配置营养液，在配置时注意营养液的PH值要符合植物的生长标准，避免发生毒害作用。准备一个容器，把配置好的营养液倒入容器中，把幼苗放入培养液中，注意的是植株的根部与容器保持一定的距离，大概10cm左右，将植株放到温暖有阳光的地方，注意对植株通气，定期观察植株的生长状况，运用曲线、柱状图等图表工具记录实验数据情况，并且注意适时地更换营养液。
交流讨论：以小组为单位，汇报分享实验过程以及结果，展示实验照片或视频，小组之间进行讨论评价，并分析个别失败的原因。
2.2 学科要素分析
在本案例中“科学”体现在学生对于植株生长发育过程、条件以及所需营养物质相关知识的学习，为本次实验的实施打下知识的基础。“技术”体现在安排学生四人一组提前两天查阅相关无土栽培所需要的资料以及材料，进行理解、准备工作，小组结合所搜集的材料进行讨论分析，同时也培养了学生的合作能力;“工程”体现在学生小组合作制作无土栽培装置，亲自进行实践操作，培养了学生的动手能力以及解决问题的能力;“数学”体现在学生定期记录植株生长状况，如生长高度、健康程度等，对数据进行处理和分析。在分析综合、合作质疑的过程中，体现生命的物质观与能量观。STEM教育并不一定要求4个学科一定面面俱到，对于“技术”可以是信息技术或者教育相关的技术，也可以是具体的与科学知识有关的比如植物组培技术、发酵技术、基因工程等。在”数学”上也并不一定是运用了数学公式等进行了计算，只要运用可数学思维都可以认为是“数学”学科的应用。
当学生运用自己所学的知识成功地培育出自己栽培出来的植株时，就会有一种愉悦感和成功感，对于知识的记忆更加深刻，并且对于这个课题有了更深的理解，增添了兴趣，对于日后相关领域的进一步学习有很大的帮助。
2.3 评价标准
以学生实验操作的过程以及结果为标准将本次实验评分项目分为五个方面，分别为“科学性”“有效性”“合作性”“可靠性”和“反思性”。每个评分项目又分为三个等级，分别设置得分为“0分”“3分”“5分”。
1）科学性：合理运用相关生物学知识，其中合理运用得5分，未运用得0分;
2）有效性：是否有效完成无土栽培的实验，其中植株长势喜人得5分，植株发育良好得3分，植株发育不良得0分;
3）合作性：分工明确、配合默契，其中所有成员共同完成得5分，部分成员完成得3分，1人独立完成得0分;
4）可靠性：充足样本数量，采用图标统计数据，其中进行多颗植株培育，有对照植株，运用图标统计清晰得5分，进行单个植株培育，有对照植株得3分，进行单颗植株培育，无对照植株得0分;
5）反思性：能发现实验漏洞并提出改进措施，其中>=2/处得5分，1处得3分，没有就是0分。
“科学性”：考察了学生对于生物学知识的掌握及运用情况，学生在阅读营养液配方时，可基本了解到植物对于各种营养元素的相对需求，根据所获取到的信息进行配置营养液，将植物生长时所需要的营养元素及配比等相关生物学知识进行了学习并亲自动手操作;“有效性”：考察学生栽培的植株长势状况是否能够达到无土栽培的目的，根据植株的长势来判断无土栽培实验的完成效果;“合作性”：实验的操作以小组合作的形式进行的，这里考察学生的小组合作能力以及协调能力，锻炼学生的团队合作能力以及沟通能力;“可靠性”：一个实验是否能够有说服力，就要多次进行实验，有多个样本植株防止误差，因此设置此项目考察实验的可靠性;“反思性”：在实验结束后对于出現的问题学生通过他人的操作与经验能够进行交流讨论，结合集体的智慧找出问题所在，并反思自己出现的错误，提出改进的地方。学生能够根据他人的成果与经验找出自己的问题所在，锻炼了学生的批判性思维以及反思总结的能力。
在小组之间完成汇报分享实验过程以及结果之后，不同小组成员之间进行讨论，与对方小组交流操作时的步骤以及存在问题的部分，对失败的原因进行讨论，依据评分标准对对方小组进行互评，能够锻炼学生的思维能力，在评价的过程中进一步回顾无土栽培的实验过程及注意事项，加深了对于知识的理解以及运用，一个小组对四个不同的小组进行评分，每个小组的成绩取四次成绩的平均值作为本次无土栽培实践活动的成绩。
3 小结
由于人口众多，土地资源越来越少，而土地可承受栽种的能力也是有限的，无土栽培是日后解决粮食问题的重要突破口，该技术用基质代替天然土壤，在种植时用营养液进行浇灌，该方法不仅有利于降低栽培成本，也能够与现代农业发展相适应，有利于提升农业生产效率和质量。在初中生物中利用STEM教育有利于提升学生理解生物学知识，将STEM教育融入初中课堂中，可以将书面化的知识具体化，化理性知识为感性知识，学生的体会会更加深刻。同时STEM的教育理念也与新课改的理念相一致，注重学生科学思维以及科学探究能力的培养，教师在教学的过程中可能常常会忽略学生的动手操作能力以及创新的能力，教师有意识地运用STEM教育有利于提高学生解决问题的能力、动手操作能力以及创新能力，参与程度增加会提高学生学习兴趣，使学生更加积极地思考问题，寻找解决问题的方法，同时注重与现实生活相联系，能够利用工程学在农业中进行生产实施，学会将所学到的知识运用的生产生活中，将知识生产化、生活化，用来解决实际问题，对于现在社会面临的一些生产生活以及环境等方面存在的问题，有意识利用学过的知识去思考探究解决问题，有利于增强学生的社会责任感，为学生的终身发展打下基础。
（作者单位：哈尔滨师范大学）