生物学STEM课程及案例170823

中学生物学STEM课程及案例陕西师范大学生命科学学院李高峰[e-mail]2017.8.23此PPT已经放在公共邮箱[e-mail]密码：ligaofeng222请在今天、明天两天内下载一、顶层设计•《中国学生发展核心素养》•作者：核心素养研究课题组•期刊：《中国教育学刊》•2016年10期•P1－3总体框架（一）（二）（三）一、顶层设计•《义务教育生物学课程标准（2011年版）》•课程性质：重申了“科学课”的课程性质意味着什么？强调包括生物学教师在内的所有教师及学生，不要再把生物学当成“文科”来学习不要片面地认为，生物学就是一门背诵、记忆的学科学习方法主动参与学习过程，在亲历提出问题、获取信息、寻找证据、检验假设、发现规律等过程中生物学知识养成理性思维的习惯，形成积极的科学态度，发展终身学习的能力一、顶层设计•《普通高中生物学课程标准（2017年版）》1234基本理念学科素养为核心课程内容少而精教学过程重实践学业评价促发展“重实践”的环节中必然会涉及超越学科本身的知识和能力的要求，教师要适当地将跨学科知识和技能融入实践活动，特别是将“科学、技术、工程学和数学”STEM整合到实践活动中。二、STEM教育的起源•STEM•S是Science（科学）的首字母•T是Technology（技术）的首字母•E是Engineering（工程）的首字母•M是Mathematics（数学）的首字母二、STEM教育的起源•STEM教育起源于美国•20世纪50年代：提出“科学素养”概念•国民的科学素养是提升国家综合实力的关键•科学是万能的•1975年：提出“技术素养”概念•科学教育的主要目标•科学素养•技术素养二、STEM教育的起源•STEM教育起源于美国•科学•回答“是什么”和“为什么”的问题•揭示自然的本质和内在规律•目的在于认识自然•技术•回答“做什么”和“怎么做”的问题•满足社会生产和生活的实际需要•目的在于改造自然二、STEM教育的起源•STEM教育起源于美国•科学素养•是指对在日常生活、社会事务以及个人决策中所需要的科学概念和科学方法的认识和理解,并在此基础上所形成的稳定的心理品质•技术素养•包括理解技术的能力，使用技术的能力，管理技术的能力和参与技术活动二、STEM教育的起源•STEM教育起源于美国•1986年,美国国家科学委员会首次提出SMET教育•SMET是STEM的开端•20世纪90年代•美国国家科学基金会首次使用“STEM”•2001年后，STEM逐渐取代SMET•出现在•总统发言•改革政策和项目•法律水果电池•自然界中存在着许多活的“发电机”，例如电鳐、电鳗，它们能够产生天然的电流，用于防御天敌、捕获猎物等，以更好地在自然界中生存。电鳐电鳐水果电池细胞中的水结合水：与细胞内的其他物质相结合自由水：以游离的形式存在，可以自由流动细胞中的无机盐阳离子：Na+、K+、Ca+、Mg2+、Fe2+、Fe3+阴离子：Cl-、SO42-、PO43-、HCO3-水果电池•原理•水果中的酸性液体相当于电解质溶液，由于铜和锌（镁）的金属活性不同，其中较活泼的金属锌（镁）能置换出酸性液体中的氢离子——锌电极上的锌单质脱去电子形成锌离子，进入酸性液体中；脱去的电子通过导线流到铜电极，与酸性溶液中的氢离子结合，形成氢气分子。•导线中的电流驱动发光二极管工作。水果电池•材料用具•苹果、柠檬、西红柿等新鲜多汁的水果，可乐、1.5V碱性干电池2节、1.5V螺口小电珠、大头针、铜片若干、锌片若干、导线若干、水杯、鳄鱼夹线、发光二极管、数字时钟水果电池水果电池水果电池三、陕师大开发的课程三、陕西师大开发的课程三、陕西师大开发的课程三、陕西师大开发的课程三、陕西师大开发的课程三、陕西师大开发的课程三、陕西师大开发的课程三、陕西师大开发的课程奇特的眼睛•瞳孔，是动物或人眼睛内虹膜中心的小圆孔，为光线进入眼睛的通道。虹膜上瞳孔括约肌的收缩可以使瞳孔缩小，瞳孔开大肌的收缩使瞳孔散大，瞳孔的开大与缩小控制进入瞳孔的光量26奇特的眼睛•虹膜•呈圆盘状，中央有瞳孔，位于角膜和晶状体之间•颜色因含色素的多少和分布而异（中国人：棕色）•含两种平滑肌纤维•瞳孔开大肌，收缩时瞳孔开大•瞳孔括约肌，收编时使瞳孔缩小27奇特的眼睛28奇特的眼睛•生理盲点•黄斑鼻侧约3mm处有一直径为1.5mm的淡红色区，为视盘，亦称视乳头，是视网膜上视觉纤维汇集向视觉中枢传递的出眼球部位，无感光细胞，故视野上呈现为固有的暗区，称生理盲点。29奇特的眼睛•被检查者遮闭左眼，用右眼注视图中的“十”符号，将图从正前方30cm距离处开始向眼前移动，当缓缓移到眼前18cm左右时，被检查者视野中原有的黑色圆点忽然消失了。若将图形继续前移，黑点又会出现。30奇特的眼睛•一只眼睛的距离感•用两只眼睛可以轻松定位事物的空间位置，而一只眼是不能很好的判断空间距离。31奇特的眼睛•跳眼法•因为两瞳孔的间隔和臂长的比值约为一比十，结合相似性三角形原理，目标区域被测物的尺寸与目标距站立点的距离比值也约为一比十，所以通过估判目标区域被测物的尺寸大小乘以10，就得出了站立点至目标的距离32•跳眼法33奇特的眼睛•墙上的圆34奇特的眼睛•体验视觉暂留现象35四、STEM课程的特征1.跨学科（1）STEM是分科的•数学、物理、化学、生物、地理学科•科学、技术、工程和数学四门独立的学科领域（2）STEM是整合的•STEM教育并不是科学、技术、工程和数学教育的简单叠加，而是要将四门学科内容组合成有机整体四、STEM课程的特征1.跨学科•元学科（meta-discipline）教育•跨越学科界限•利用科学、技术、工程、数学学科相互关联的知识（多学科知识综合应用）•将重心放在特定问题上（解决实际问题）四、STEM课程的特征2.趣味性•问题•有趣•具有挑战性•与学生生活相关•激发学习者内在的学习动机•问题的解决能让学生有成就感•STEM教育内容游戏化四、STEM课程的特征3.体验性•不仅主张学习概念、原理，更强调动手做•“做中学”（Learningbydoing)•听科学、看科学、做科学•在参与、体验中习得知识的方式有深刻影响四、STEM课程的特征4.情境性•不教授孤立、抽象的学科知识•强调把知识还原于丰富的生活•结合生活中有趣、具有挑战的问题•学生辨识问题本质•学生解决问题仿制公道杯•虹吸式口器•鳞翅目成虫所特有•包括蛾、蝶两类昆虫•成虫多以花蜜等作为补充营养•如：桃小食心虫、苹果小卷叶蛾、棉铃虫、菜粉蝶、小菜蛾、印度谷螟•显著特点是具有一条能弯曲和伸展的喙，适于吸食花管底部的花蜜仿制公道杯•公道杯是一件既有科学技术原理，也富含人生哲理的盛酒器具。•相传，此杯是唐王朝的传家宝，喻意为：凡事要适度，不可过贪，否则将一无所得。仿制公道杯•原理•虹吸原理：简称虹吸，是利用液面高度差的作用力现象；将液体充满一根倒U形的管状结构内后，将开口的一端置于装满液体的容器中，容器内的液体会持续通过虹吸管从开口于更低的位置流出仿制公道杯•原理•事实上，虹吸作用并不完全是由大气压力所产生的，在真空里也能产生虹吸现象。•使液体向上升的力是液体间分子的内聚力。•在发生虹吸现象时，由于管内往外流的液体，比流入管内的液体多，两边的重力不平衡，所以液体就会继续沿一个方向流动。•在正常的大气压下，虹吸管的作用比在真空时好，因为两边管口上所受到的大气压提高了整个虹吸管内部的压力仿制公道杯四、STEM课程的特征5.协作性•强调群体协同•相互帮助、相互启发•真实问题、真实任务•学习环境的四大要素•情境•协作•会话•意义建构四、STEM课程的特征6.设计性•设计作品•模型•物理模型•数学模型•概念模型•技术和工程四、STEM课程的特征7.艺术性•STEAM教育•A：Art艺术•狭义：美术、音乐•广义：人文教育、社会教育•强调在科学教育中增加人文科学和社会科学教育四、STEM课程的特征7.艺术性•人文科学：以人类的精神世界及其沉淀的精神文化为对象的科学•文学、历史学、哲学及其衍生出来的美学、宗教学、伦理学、文化学、艺术学、语言学•社会科学：以人类社会为研究对象的科学•经济学、社会学、政治学、法学、军事学、教育学、民族学、宗教学四、STEM课程的特征8.实证性•科学区别于其他学科的重要方面•科学探究•提出问题•作出假设•制订计划•实施计划•得出结论•表达交流DNA双螺旋结构模型•DNA平面模型51DNA双螺旋结构模型•DNA平面模型52DNA双螺旋结构模型•DNA平面模型53DNA双螺旋结构模型•DNA立体模型54DNA双螺旋结构模型1.多核苷酸链的两个螺旋围绕着一个共同的轴旋转；2.右手螺旋；3.多核苷酸链通过磷酸和戊糖的3'，5'碳相连而成；4.嘌呤碱和嘧啶碱在双螺旋内部，而磷酸和核糖则在外部；55DNA双螺旋结构模型5.螺旋的直径约为2nm，相邻的碱基之间相距0.34nm并沿轴旋转36度；•每个螺旋每隔10个碱基之后，即相距3.4nm之后，又转回原位置6.两条链是由碱基对之间的氢键连在一起的：A－T，G－C；7.多核苷酸中碱基的序列不受任何限制。56DNA双螺旋结构模型•用编绳法制作DNA模型•用三根鞋带编结的57DNA双螺旋结构模型•用其他材料编结的（编中国结的线）•哪个正确？（哪一个是右手螺旋）58五、STEM教育的目的1.代替部分“纯”科学教育•纯科学：物理、化学、生物、地理•学科之间的割裂•科学、技术相互割裂•元学科（meta-discipline）教育五、STEM教育的目的2.加深对科学理论的理解•《美国国家科学教育标准》•惰性知识：是一种支离破碎的知识•活性知识：是一种具有良好结构的知识•活性知识•注重学生对知识的理解、推理和应用五、STEM教育的目的3.增强人文素养，形成健康的价值观•STEM教育是延伸和扩展的→STEAM•Science（科学）•Technology（技术）•Engineering（工程）•Art（艺术）•Mathematics（数学）的首字母Arts＝Humanities人文学科，文科（美术、艺术）五、STEM教育的目的3.增强人文素养，形成健康的价值观•反映了社会或个体对于文化精神的追求•与社会文明状况密切关联•人文底蕴•（1）人文积淀：具有古今中外人文领域基本知识和成果的积累•（2）人文情怀：关切人的生存、发展和幸福•（3）审美情趣：发现、感知、欣赏、评价美的意识和基本能力63倒流壶这种壶不光能让水“倒流”尘土异物不易落入，更加卫生更不必担心壶盖会掉落摔碎最主要的是增加了使用者的乐趣64倒流壶结构原理五、STEM教育的目的4.培养理性思维，提升科学实践能力五、STEM教育的目的4.培养理性思维，提升科学实践能力•理性思维•崇尚真知，能理解和掌握基本的科学原理和方法•尊重事实和证据，有实证意识和严谨的求知态度•逻辑清晰，能运用科学的思维方式认识事物、解决问题、指导行为等五、STEM教育的目的5.养成主动学习意识，促进个体意义感•学习在本质上即为一种通过探究外部世界、构筑主体意识的实践活动•充分体现出学习的实践属性，更能够激发学生学习的主体性•学生把学习的状态从被动地学习识记、理解知识转为主动实践五、STEM教育的目的5.养成主动学习意识，促进个体意义感•学会学习•具有积极的学习态度和浓厚的学习兴趣•能养成良好的学习习惯，掌握适合自身的学习方法•能自主学习，具有终身学习的意识和能力纸的趣味实验纸的趣味实验•纸与生物学——“嵴”的模拟•一把剪刀，一张A4纸，你能剪出都多大的纸环？纸的趣味实验而通过下面的方法，你可以剪出更大的圆环纸的趣味实验•纸与生物学——“爬行高手”的秘密•壁虎可以说是动物界爬行能力最强的动物，强到甚至可以在光滑的玻璃上爬行。为什么壁虎在光滑的玻璃上都能“健步如飞”呢？•壁虎能在光滑的玻璃上自由行走，主要是靠它前肢和后肢的指、趾。它们的前后肢每一个指、趾端都有一褶一褶的瓣，瓣与瓣间形成一条条沟称之为吸盘。它们就靠这些吸盘来增加指趾与玻璃面之间的摩擦。因此