STEM教育是由科学（Science）、技术（Technology）、工程学（Engineering）和数学（Mathematics）四者英文首字母组成的缩写，STEM教育强调利用科学、技术、工程、数学的知识、方法和技能，为学生提供一种动手做的课堂体验，使学生参与以活动、项目和问题解决为基础的学习。STEM教育培养时代所需要的人才，提升学生对STEM领域的兴趣，并致力于提高学生的21世纪技能，期望将学生培养成为具有创造力和综合素质高的人才。高中生物学课程标准提到生物学课程的基本理念之一是教学过程重实践，通过探究性学习活动或完成工程学任务，加深对生物学概念的理解，提升应用知识的能力，培养创新精神。学生要基于生命观念，综合运用STEM知识和能力，设计方案，解决特定问题[1]
STEM教育作为科教兴国的新突破点，推动着教育创新。其中，学科教学是开展STEM教育的主阵地[2]，而教材又是保障STEM教育在学科教学中顺利推进的决定性因素之一。2019年人民教育出版社出版的高中生物学教材通过多种路径体现STEM教育的特征[3]-[7]。
1.交叉多学科知识，提升知识链接能力
自然界是统一的整体，物理学、化学和生物学等学科的思想方法、基本原理和研究内容有着密切的联系。同时，生物学与数学、技术、工程学是相互渗透、共同发展的。
在人教版教材中，生物学知识与其他多学科知识始终交叉在一起。与化学的交叉内容包括细胞中的水、氢原子和氧原子的结构；碳原子、共价键、碳链；同位素标记法；血浆的化学组成；酸碱度等。与物理学的交叉内容包括比热容；光是一种电磁波；思考并举例物理和化学中有争议的理论问题和有待解决的疑点；根据热力学第二定律，在封闭系统中，随着时间的推移，无序性将增加。生命系统是开放系统，可以通过获取能量来维持系统的有序性；质量守恒定量等。与技术学科的交叉内容包括DNA指纹技术；世界上首例体细胞克隆猴的诞生；脑机接口让工具真正实现“随心所欲”；植物组织培养技术；干细胞疗法；人类辅助生殖技术；基因组编辑；影像技师；调查种群数量的其他方法；蛋白质工程；蛋白质食品的工厂化生产想象图；计算机建立的血红蛋白三维结构模型；基于网络数据分析基因和蛋白质的序列信息；立体农业等。与数学的交叉内容包括用数学方法讨论基因频率的变化；建构种群增长的数学模型；影响种群数量的其他生物因素；分析当地自然群落中某种生物的生态位；分析赛达伯格湖的能量流动等。与工程学的交叉内容包括设计庭院生态系统；植物组织培养的产业化发展；与生物学有关的职业介绍：测序工程师、林业工程师、细胞培养工程师和景观设计师；转基因抗虫棉、生产胰岛素、生产奶酪和环境保护等基因工程的应用；胰岛素泵；基因工程疫苗；设计塑造盆景独特造型的方案；设计制作生态缸；生态工程、沼气工程、酶工程、发酵工程、细胞工程和蛋白质工程的原理及应用等。
2.整合跨学科概念，构建学科间的内在联系
跨学科概念是对理科知识共通性的高度归纳，可以强化对学科核心概念的理解。细胞的多样性和分类、细胞周期、碱基序列和基因，生物的性状、生物多样性和分类以及群落和生态系统的类型等与跨学科概念“模式”相关。在分子、细胞、组织、器官、系统、个体，种群、群落和生态系统等各个层次都涉及跨学科概念“结构与功能”。细胞是基本的生命系统；人造子宫的构建；一般系统的结构模式图；系统能量流动的输入和输出；系统的反馈调节；从系统的视角、信息的视角认识神经调节、体液调节、免疫调节的相互关系；生态工程：从系统论的视角进行分析、设计和调控；利用系统模型去模拟或表征各个系统的现象等都与“系统与系统模型”跨学科概念相联系。分析循环因果关系；基因决定生物的性状、进化与生物多样性和统一性之间的关系等；分析吸烟与肺癌患病率的相关性，并建立对生物学中因果关系的复杂性和概率性的认识等涉及跨学科概念“因果关系”。没有物质，什么都不存在；没有能量，什么都不会发生；没有信息，任何事物都没有意义；在生态系统中，物质、能量和信息是如何起作用的；在细胞、个体、种群、群落等层次，它们所起的作用也是这样的吗？从多个学科理解“能量既不会产生，也不会消失，它可以从一种形式转变为另一种形式”；从多学科角度理解能量转换现象；基因、DNA、ATP、细胞的结构与功能、免疫系统的组成与功能和生态系统的结构与功能等涉及跨学科概念“物质、能量与信息”。叶绿体中不同色素吸收光能的百分比；反应物浓度对酶所催化的化学反应速率的影响；种群密度；出生与死亡率；物种的丰富度等涉及跨学科概念“尺度、比率和数量”。内环境稳态的调节机制；结合群落的演替讨论稳定是相对的、暂时的，而变化是永恒的；分析反馈调节的过程；关于细胞的生命历程、稳态与生命活动的调节、生物个体的发育、群落的演替、生态系统的稳定与发展变化等与跨学科概念“稳定与变化”相关联。
3.创设真实情境，体现学生的问题解决路径
基于真实情境的问题解决是STEM教育的特征之一，学生综合运用已有知识、在活动中提升能力，更好地应对未来可能面对的复杂社会问题与挑战。教材设置了问题解决的任务，让学生设计塑造盆景独特造型的方案并完成制作；设计提高生态系统稳定性的方案；调查当地的环境状况并提出保护环境的建议或行动计划；列举治理莱茵河要解决的问题等。
4.设计工程学任务，实现科学探究与工程实践的深度融合
学生通过生物工程内容的学习，在科学探究与工程实践中亲身体验同科学家、工程师相似的工作过程，将所学概念应用于实践、在实践中完成新的概念构建。在光合作用与能量转化内容中，以植物工厂作为问题探讨的话题。在发酵工程中，让学生从稳定性、可控性和对生态环境友好等方面对工程实施过程不断地进行调整完善；思考当把少量传统发酵制作转化为大规模生产时，需要解决的实际问题，并体会技术与工程的区别和联系。在动物细胞工程中，让学生了解已经在生产实践上得以应用及其经济价值的成果和未能得到推广的成果及其限制因素，工程设计面临的潜在可能性与现实可行性的转化契机，寻求工程理想与工程实践两者间矛盾的解决。在基因工程中，学生思考科研工作者设计的延缓棉铃虫对B抗虫蛋白产生抗性的措施、原理及其有效性以理解在进行工程设计、决策或风险评估时，要预估该工程近期、直接和远期、间接结果。在拓展应用的习题中，科学家想利用基因工程技术减少使用氮肥的生产成本及可能造成的环境污染，请学生通过决策权衡评估并选择最优问题解决方案。
科学探究与工程实践八个环节在教材的拓展应用、科学方法、思维训练、复习与提高、思考·讨论和课外实践等不同板块均有所体现。在提出问题和描述问题中，教材提到提出假说，推断假说与预期，视角决定问题，设计了研究土壤中小动物类群的丰富度等内容。在创设和使用模型中，教材提出利用物理模型认识细胞及细胞膜结构、制作真核细胞的三维结构模型、运用模型解释细胞的大小影响物质运输的效率、建立减数分裂中染色体变化的模型和制作DNA双螺旋结构模型、构建DNA结构模型等。在计划和实施研究中，教材提到请学生提出假设、设计实验并说出实验思路、验证假说并预测结果，比如检测某种酶的结晶，介绍自变量控制的“加法原理”和“减法原理”，同时请学生搜集保护生物多样性的实例。在分析和解释数据中，教材提到学生分析和处理数据。在运用数学和计算思维中，请学生建立数学模型和分析赛达伯格湖的能量流动。在建构解释和设计解决方案中，教材提到请学生思考希尔的实验是否说明水的光解与糖的合成不是同一个化学反应，对分离现象和自由组合现象做出解释和验证；并在复习与提高部分，请学生评价决策。在依据证据进行辩论中，教材让学生思考化石证据对共同由来学说的支持，评价实验设计和结论。在信息的获取、评估和交流中，教材设计探究植物细胞的吸水和失水中的表达和交流；得出结论、交流讨论；做土壤中分解尿素的细菌的分离与计数；DNA片段的扩增及电泳鉴定结果分析与评价，在拓展应用板块，请学生交流讨论对“是否要推广‘黄金大米’”的争论等。
5.通过科学论证，实现科学思维与科学实践的共同发展
学生要使用科学论证发现知识、建构理论和寻找最佳的问题解决方案，基于生物学事实和证据运用归纳与概括、演绎与推理、模型与建模、批判性思维等方法，探讨、阐释生命现象及规律，审视或论证生物学社会议题[1]。
在教材的科学方法板块，介绍了归纳法和假说-演绎法；在思维训练板块，运用证据和逻辑评价论点、综合概括；在拓展应用板块，阐述细胞学说是否支持生物进化的观点，评价“吃什么补什么”的说法，说出科学家推测火星上曾经或者现在存在着生命的原因，评析对核酸保健品的宣传语并指出逻辑漏洞，推测脂质体达到细胞后，药物如何进入细胞内发挥作用，提出假说、解释现象并查阅资料验证假说，表达对“人类的进化不再受到自然选择的影响”这一观点的看法并阐明理由，分析“医疗机构通报细菌耐药率预警信息”的合理性，从基因、物种和生态系统三个方面论证修建青藏铁路时，修建高架桥和涵洞对保护生物多样性的意义，补充关于流感的推理过程，“器官保险”项目，搜集关于克隆动物早衰现象的资料，寻找支持论点的研究证据；调查克隆动物存在的其他问题并说明科学家解决问题的方法，辨析网络论坛上对于可食用的转基因作物说法的可靠性。在生物科技进展板块，已有的研究成果是否标志人工合成生命的设想；在复习与提高板块，请学生表达对人工合成病毒研究的观点，根据氨基酸不是来自地球做出推测，评述限制化石燃料使用和没有必要签署碳减排协议的观点；在问题探讨板块，对融合遗传的看法及证据；在批判性思维板块，评价基因决定生物体的性状这一观点，表达对“适者生存”改为“适者繁殖”的观点，讨论威胁生物多样性的生产建设活动的启示；在思考·讨论板块，讨论基因检测的利与弊，克隆人的伦理问题；在科学·技术·社会板块，评价应用激素类药物的利与弊；在思维训练板块，溯因推理，辨别“偷换概念”，评估关于水果酵素论点的可信程度，评估获取证据的难度；在节聚焦及辩论会板块，请学生基于证据和逻辑，看待转基因产品的安全性等。
综合以上内容，可以看出高中生物学教材通过聚焦学科大概念和跨学科概念，以项目学习或问题解决的形式整合STEM教育；基于特色栏目强调对学生实践能力和职业生涯的引导；在学习任务的设计上，融入工程学和产品设计元素，让学生进行科学实践。这种以教材为载体进行STEM教育与学科教学整合的方式对于其他学科也具有借鉴意义。
参考文献
[1]中华人民共和国教育部.普通高中生物学课程标准（2017年版2020年修订）[M].北京:人民教育出版社,2020:2,53.
[2]中国教育科学研究院STEM教育研究中心.中国STEM教育调研报告[R]. 北京: 中国教育科学研究院, 2019.
[3]人民教育出版社 课程教材研究所 生物课程教材研究开发中心.普通高中教科书:生物学 必修1 分子与细胞[M].北京:人民教育出版社,2019.
[4]人民教育出版社 课程教材研究所 生物课程教材研究开发中心.普通高中教科书:生物学 必修2 遗传与进化[M].北京:人民教育出版社,2019.
[5]人民教育出版社 课程教材研究所 生物课程教材研究开发中心.普通高中教科书:生物学 选择性必修1 稳态与调节[M].北京:人民教育出版社,2020.
[6]人民教育出版社 课程教材研究所 生物课程教材研究开发中心.普通高中教科书:生物学 选择性必修2 生物与环境[M].北京:人民教育出版社,2020.
[7]人民教育出版社 课程教材研究所 生物课程教材研究开发中心.普通高中教科书:生物学 选择性必修3 生物技术与工程[M].北京:人民教育出版社,2020.
