生物学STEM课程及案例.ppt

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1、中学生物学STEM课程及案例,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P13,一、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）,二、STEM教育的起源,STEMS是Sc

2、ience（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

3、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。,案例,水果电池,电

4、鳐,电鳐,水果电池,案例,生物学知识,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。,案例,水果电池,水果电池,材料用具苹果、柠檬、西红柿等新鲜多汁的水果，可

5、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,案例,水果电池,水果电池,案例,水果电池,水果电池,案例,串联电池,水果电池,案例,可乐电池,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,26,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,案例,27

6、,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,案例,28,奇特的眼睛,案例,29,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。,案例,30,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

7、移，黑点又会出现。,案例,31,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。,案例,32,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,案例,33,跳眼法,案例,34,奇特的眼睛,墙上的圆,案例,35,奇特的眼睛,体验视觉暂留现象,案例,四、STEM课程的特征,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

8、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,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,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,体验性不仅主张学习概念、原理，更强调动手做“做中学”（Learning by doing)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,

9、四、STEM课程的特征,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,案例,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。,案例,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

10、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,案例,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,案例,仿制公道杯,案例,四、STEM课程的特征,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,设

11、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,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,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,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,51,DNA双螺旋结构模型,D

12、NA平面模型,案例,52,DNA双螺旋结构模型,DNA平面模型,案例,53,DNA双螺旋结构模型,DNA平面模型,案例,54,DNA双螺旋结构模型,DNA立体模型,案例,55,DNA双螺旋结构模型,多核苷酸链的两个螺旋围绕着一个共同的轴旋转；右手螺旋；多核苷酸链通过磷酸和戊糖的3，5碳相连而成；嘌呤碱和嘧啶碱在双螺旋内部，而磷酸和核糖则在外部；,案例,56,DNA双螺旋结构模型,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，又转回原位置两条链是由碱基对之间的氢键连在一起的：AT，GC；多核苷酸中碱基的序列不受任何限制。,

13、案例,57,DNA双螺旋结构模型,用编绳法制作DNA模型用三根鞋带编结的,案例,58,DNA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）,案例,五、STEM教育的目的,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,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,增强人文素养，形成健康的价值观STEM教育是延伸和扩展的STEAMScie

14、nce（科学）Technology（技术）Engineering（工程）Art（艺术）Mathematics（数学）的首字母,五、STEM教育的目的,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,案例,64,倒流壶结构原理,案例,五、STEM教育的目的,培养理性思维，提升科学实践能

15、力,五、STEM教育的目的,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,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,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

16、习的意识和能力,纸的趣味实验,案例,纸的趣味实验：搭桌子,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？,案例,纸的趣味实验,案例,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。因此它能在光滑的玻璃上行走而不会掉下来。,案例,纸的趣味

17、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？,案例,纸的趣味实验,莫比乌斯环公元1858年，德国数学家莫比乌斯（Mobius，17901868）和约翰李斯丁发现的莫比乌斯环只有一个面（即单侧曲面），一只小虫可以爬遍整个曲面而不必跨过它的边缘（也就是说，它的曲面只有一个）,案例,五、STEM教育的目的,形成责任意识和团队精神意识到自己的分工和责任，以及自己在学习共同体中所分配的角色主动作为，履职尽责，对自我和他人负责勇于承担责任，激发团队精神,五、STEM教育的目的,形成责任意识和团队精神责任

18、担当敬业奉献，具有团队意识和互助精神能主动作为，履职尽责，对自我和他人负责能明辨是非，具有规则与法治意识热爱并尊重自然，具有绿色生活方式和可持续发展理念及行动,五、STEM教育的目的,塑造创新意识和应对社会挑战解决问题善于发现和提出问题，有解决问题的兴趣和热情能依据特定情境和具体条件，选择制订合理的解决方案具有在复杂环境中行动的能力,五、STEM教育的目的,塑造创新意识和应对社会挑战运用技术理解技术与人类文明的有机联系具有学习掌握技术的兴趣和意愿具有工程思维，能将创意和方案转化为有形物品或对已有物品进行改进与优化,79,良心壶,案例,80,凤鸣壶“凤鸣壶”是以凤为型体，牡丹饰身的陶瓷酒具，当壶

19、中盛酒倒出时发声似凤鸣，故得此名。,案例,八、案例1：纸折DNA模型,用折纸法制作DNA模型,案例,82,案例,八、案例2：眼见为实吗？,视觉错觉错觉是指人们对外界事物的不正确的感觉或知觉最常见的是视觉方面的错觉产生错觉的原因有很多物体本身特点的影响观察者生理心理上的因素光的性质,八、案例2：眼见为实吗？,“变色”的方格,由于方格所在的背景色不同，观察者会将同一种灰色看成是深灰色和浅灰色两种,八、案例2：眼见为实吗？,判断大小,由于内圆周围分别围绕的是更大的圆、更小的圆，观察者会误以为是大小不一的圆,八、案例2：眼见为实吗？,判断大小,八、案例2：眼见为实吗？,判断大小,两个长方形大小比较和三

20、个人身高的比较实验中，由于它们所处的背景是一个逐渐收缩的视野，所以人们会根据经验判断远处的物体大于近处的物体,八、案例2：眼见为实吗？,“弯曲”的平行线,人们感觉原本平行的直线是弯曲的，是由于与平行线相交的线是呈辐射状的，从而影响了人们对平行线的直觉判断,八、案例2：眼见为实吗？,“弯曲”的平行线,八、案例2：眼见为实吗？,数数几根柱子,八、案例2：眼见为实吗？,数数几根柱子,图片是由画家画出来的，在现实世界里这样的东西其实是不存在的。图片上部画的是两根方形的柱子，图片底部画的是三根圆形的柱子，图中三根圆柱和两根方柱都是不完整的,八、案例2：眼见为实吗？,你看到了什么？,这六只黑色酒杯周围的白

21、色区域是六张不同表情的人脸，当你关注的对象不一样时，你会看到不同的结果,八、案例2：眼见为实吗？,你看到了什么？,八、案例2：眼见为实吗？,不存在的点,八、案例2：眼见为实吗？,你看到了什么颜色？蓝色和黑色相间？白色和金色相间？蓝色和棕色相间？,八、案例2：眼见为实吗？,该连衣裙原色为蓝黑视锥细胞密集分布在视网膜中间，有较强的色彩感知能力，可以自动排除干扰光，使人观察到真实的颜色。而视杆细胞分布在视网膜周边部，对暗光比较敏感，但是分辨能力差，没有色觉。如果在相同环境下，两个人看到同一事物颜色不同，可能是因为两人视锥细胞和视杆细胞兴奋程度优势存在差异如果视网膜中对色彩敏感的视锥细胞占优势，那看到的应该是蓝黑色；如果是视杆细胞占优势，那么应该看到的是色彩单一的白金色,