STEM理念在初中生物实践活动中应用的探索

朱虹

摘要：为了探求STEM理念在初中实践活动中的应用，以厨余垃圾的变废为宝为例，阐述了从确定活动主题、活动项目设计与实施、活动评价的探索过程，并且提出关于有效开展STEM实践活动的几点启示，为学校生物教学和STEM教育的融合提供有意义的借鉴。

关键词：STEM理念 实践活动 厨余垃圾处理

中图分类号：G633.91 文献标志码：B

STEM是集合了科学、技术、工程、数学教育的跨学科教育，其打破了学科之间的壁垒，提升学生的创新精神和实践能力，目前已经成为国际广泛研究并推行的科学教育模式。其倡导学生在真实情境中学习，运用所学知识解决实际问题，对于培养学生的核心素养，尤其是自主发展和社会参与方面有着重要的作用。虽然，STEM教育自引入我国以来受到了广泛的关注和研究。然而，受限于传统课程教学中学科、教室、课时的限制，在日常教学中很难完整开展STEM课程。因此，下面尝试以STEM理念为引导，指导学生在假期开展厨余垃圾的变废为宝的课外实践活动，以初步探求STEM课程在初中由理念付诸实践的路径。

1确定活动主题

垃圾分类回收是当今的一个热点话题，而厨余垃圾又是居民每天都会产生的主要垃圾，对于生态环境的保护、资源再生都有着重要的意义。《义务教育生物学课程标准（2011年版）》关于“生物圈中的人”提出：人类的活动对生物圈有重要的影响，教师应当引导学生通过探究活动，意识到生物圈中的人对生物圈应尽的责任。苏教版初中生物学教材虽然没有直接提出厨余垃圾的回收利用，但是很多知识和原理分散在教材的不同板块中，如在垃圾分类中设置了废弃物自然降解的试验，生态系统及微生物内容中都提到了蚯蚓和腐生微生物的作用。因此在学生开展活动前，教师对书本中相关知识内容进行梳理和联系，为学生进一步解决实际问题搭建“脚手架”。学生基于已有的认知，开展头脑风暴，提出关于厨余垃圾变废为宝的相关命题。例如，将厨余垃圾变废为宝有什么意义？目前我们生活中厨余垃圾是如何处理的？有没有环保有效的方法采处理厨余垃圾？学生在问题的驱动下，通过资料搜集、讨论、分组合作等，在已有知识储备上进一步拓展，完善自己的思路，并在教师的指导下，进一步构建模型，最终确立研究方案。

2活动项目设计与实施

2.1调查和分析——厨余垃圾回收利用现状

教师利用STEM理念，联系学生的真实生活，创设情境，引导学生利用科学、技术、数学的知识和概念来系统地解决实际复杂问题。2019年，南京市提出的垃圾具体分类方式，将生活垃圾分为可回收物、有害垃圾、厨余垃圾和其他垃圾四类。小组成员通过社区调查、生活体验、调查走访等，了解人们生活中厨余垃圾分类处理的现状。

（1）厨余垃圾数量调查。学生小组分类收集了家庭中每天产生的生活垃圾，称量并且计算得出，家里每天每个人平均产生700 g生活垃圾，而其中厨余垃圾就有410g，占到了60%左右。小组成员走访了南京卫生部门的工作人员，从中了解到南京市每天产生近3200t的厨余垃圾。厨余垃圾虽然是“天然”的有机垃圾，但是如果不有效处理，对环境、健康有着极大的危害。目前，南京主要以焚烧发电的环保方式处理生活垃圾，但是大量的厨余在源头和过程中没有实现垃圾的减量化，而且与有害垃圾、干垃圾等混合收集、转运，为末端焚烧带来很大的处理压力，也造成了资源浪费及环境污染风险。因此，除了做好垃圾分类投放外，在家庭中安装厨余垃圾处理器，对部分厨余垃圾堆肥处理等都是从源头减少厨余垃圾的重要方式。

（2）居民厨余垃圾分类处理现状。小组成员制作调查问卷，并发放给我校周边四个小区的居民，回收后进行数学统计，对数据进行分析。学生从而了解到：①约40%的家庭对生活垃圾不进行分类，而垃圾分类的家庭中，绝大多数家庭只对可回收垃圾分类，对厨余垃圾分类处理的仅仅只有10%。极少数居民使用垃圾处理器或者利用厨余垃圾进行堆肥处理。②居民对垃圾分类知识比较了解的仅仅占40%，很多居民认为厨余垃圾就是厨房中产生的垃圾，因此将扇贝、纸巾、一次性筷子等难以分解的物质也归类于厨余垃圾。③70%居民对厨余垃圾分类处理呈不反对或支持态度，也愿意尝试用厨余垃圾堆肥获得肥料。通过调查，学生感受到生活中厨余垃圾的分类及处理并不了乐观，这是因为很多居民并不具备垃圾完全分类的知识，也不了解垃圾无害化处理的方式。

通过信息搜索和调查研究，学生对厨余垃圾的分类处理有了更深刻的认识，在经历了对调查结果“思考一分享一讨论“的过程后，也更加明確了探究将厨余垃圾变废为宝的方法，身体力行践行垃圾回收处理的目标。

2.2建立模型——探究家庭中将厨余垃圾变废为宝的方法

在STEM研究过程中，学生围绕本组课题设计方案，并且在讨论过程中发现问题、解决问题，改进实验方案。由于初中学生的实验探究能力和动手实践能力不足，教师需要在必要阶段进行引导和搭建支架，让学生在沟通交流中不断明确探究思路，提高协作能力。

2.2.1探究1：微生物对厨余垃圾的降解作用

在学习微生物的过程中，学生知道腐生微生物可以分解动植物的遗体来获得营养。通过搜集资料，学生进一步了解到厨余垃圾富含有机质，易于降解，无论是填埋处理、还是堆肥处理，微生物都起到了至关重要的作用。家庭也可以通过生态方式，如微生物发酵将厨余垃圾资源化、无害化。在学生提出利用微生物对厨余垃圾的降解作用后，教师提出问题：自然条件下，微生物可以降解厨余垃圾吗？是否微生物菌剂可以分解所有垃圾？小组成员根据课堂中所学的实验设计的原理，探讨实验思路并绘制出实验方案，利用发酵EM菌剂（由光合细菌、酵母菌、乳酸菌等组成的混合菌群）、果蔬残体（如生菜叶、果皮）、剩饭菜（如熟的米饭、蔬菜）和餐巾纸等进行了三组试验探究。

（1）材料与方法：将收集的果蔬残体和剩饭菜分别切成小块并混合均匀，放于锥形瓶中。根据所学习的实验设计的原则，实验分为6组，对照组为A1（100 g果蔬残体）、A2（100 g剩饭菜）、A3（100 g纸巾及一次性筷子），实验组为B1（100 g果蔬残体+5 gEM菌剂）、B2（100 g剩饭菜+5 g EM菌剂）、B3（100 g纸巾及一次性筷子+5 gEM菌剂）。室内温度为25°C左右，3 d搅拌一次。在实验过程中，学生定期观察每组实验中厨余垃圾颜色、形态、气味的变化。

（2）结果与分析：通过一个月的实验与观察，学生将主要的实验现象记录在表格中（表1）。

（3）讨论与交流。学生小组讨论实验结果，分析得出：①通过A1、A2与B1、B2的对照，可见厨余垃圾在自然条件也会降解，但是速度慢，并且会导致一些有害微生物大量生长，产生异味，而EM微生物菌剂的作用是促进厨余垃圾的降解，抑制其他微生物生长，减少降解过程中产生的异味。②通过B1与B2对照，可见微生物对绝大多数厨余垃圾有分解作用，但是剩饭菜中菌丝更多，适合真菌生长，而果蔬残余中可见菌丝较少，推测可能更适合细菌生长，因此家庭堆肥过程中可以将果蔬残余和剩饭菜混合，用于发酵。③餐巾纸和一次性筷子虽然是厨房产生的，但是并不容易被微生物降解，因此不属于厨余垃圾。

2.2.2探究2：设计制作蚯蚓堆肥箱

（1）设计并制作蚯蚓堆肥箱。学生已经学习过蚯蚓以畜禽粪便和有机废物垃圾为食，可以疏松土壤、提高肥力。教师提出问题：家中是否也可以利用蚯蚓来制作堆肥呢？要求学生根据蚯蚓的习性，设计并且制作蚯蚓堆肥箱。学生小组讨论，得出堆肥箱的条件为：黑暗、潮湿、有足够的空气。在讨论基础上，学生初步制作了堆肥箱，并在对蚯蚓的适应培养中发现问题，优化设计。例如，如何提高培养箱的透气性？如何维持湿度，同时排出多余水分？如何便于厨余垃圾的定期堆放和肥料的获取？……最后，确定设计方案。根据方案，各小组利用不透明收纳箱、陶土粒、土壤及木屑制作了蚯蚓堆肥箱：①将箱子四周穿洞保证蚯蚓有足够氧气呼吸;②在箱底铺了一层陶土粒和湿木屑，保证适合蚯蚓生活的湿度和透气性，并且打出小孔排出水分;③木屑上铺幾层纸板，方便收集肥料;④最后，覆盖一层土壤，并放入蚯蚓。

（2）利用蚯蚓堆肥箱处理厨余垃圾。学生对堆肥箱中区域进行划分，用来交替放置厨余和收获肥料。为了探究哪一类厨余垃圾更加适合用于蚯蚓堆肥，学生分别用果蔬残体和剩饭菜培养蚯蚓，其中A组为200g果蔬残体和20 g蚯蚓，B组为200 g剩饭菜和20 g蚯蚓。蚯蚓品种为赤子爱胜蚓，室内温度为26%左右。学生每天观察两个堆肥箱中厨余垃圾的变化以及蚯蚓的生存，发现：A组堆肥箱中的果蔬残体消失地非常快，一周后所有厨余垃圾基本被蚯蚓吃完，并且蚯蚓生存良好，并且基本没有异味;B组剩饭菜也有所减少，但是一些油脂盐分较多的剩菜没有被完全吃掉，生长了霉菌，并且有大多数蚯蚓钻入到地下。

（3）总结与讨论。学生观察实验，分析得出：①蚯蚓堆肥适合果皮蔬菜类厨余垃圾的降解，并且处理的速度很快，很适合在社区中用来处理大量的果皮蔬菜类垃圾;②剩饭菜不适宜与蚯蚓堆肥，可能是因为其中的油脂和盐分较多，放置于堆肥箱中会影响土壤环境，不利于蚯蚓的生存。

3沟通交流与活动评价

3.1实践成果分享与交流

学生通过制作活动海报、PPT展示等形式，向其他小组分享实践活动过程和成果。学生对个人和小组学习过程中的表现进行评价。教师通过合理评价，激励学生在分享的过程中，相互学习，同时也让学生对于厨余垃圾变废为宝的环保意义有了更深刻的认识。很多学生在实践活动后将堆肥箱运用于家庭厨余垃圾的处理中。

3.2实践活动评价

参考美国康涅狄格学科中心STEM课程的评测量表，依据本次社会实践内容设置了对应的量表（表2）。在活动中，教师要注意观察学生在小组中的行为与反应、交流以及评论，给出过程性评价，并结合学生实践报告所给出总结性评价，综合评价学生在课外实践活动中的表现。

4启示与展望

本次STEM理念引领下的实践活动不仅关注学生的实践与参与，更注重引导学生综合运用课堂所学的知识和技术解决现实情景中的问题，让学生在自主学习和主动探究中，真正成为学习的主体，并在活动过程中提高了环保意识。

通过本次厨余垃圾的变废为宝的实践活动，对STEM在实践活动中的应用有以下启示：①教师要从学生生活中发现STEM实践内容。实践的内容应该源自于学生真实的生活，这些问题可以来源于学生的经历，也可以是国家和全球性的问题。青少年是环保事业发展的生力军，环境污染调查、新能源的开发利用、生物多样性保护等都是教师可以让学生参与的领域。②教师要基于学校课程内容，解决学生生活中的实际问题。中学科学课程和工程和技术之间本就有天然联系的话题，并且中学生科学知识的储备和工程技术的掌握都比较有限。因此，教师整合学校的课程内容，为学生实践活动搭建脚手架，引导学生基于已有认知解决问题，是相对现实合理的选择。③教师要打破学科之间壁垒。STEM强调学科之间的关联性，因此教师应该提高自己的综合素养，注重各学科之间的联系，才能更好地将STEM理念投入到实践活动的开发中去。