STEAM課程在生物學科項目學習中的實操

沈甜甜 唐思賢

(廣東省深圳高級中學〔集團〕 518000) (華東師范大學生命科學學院 上海 200241)

項目學習是一種以制作作品、并將作品的呈現作為目的，借助多種資源在真實世界中開展探究活動。在眾創時代背景下隨著項目學習的開展，STEAM課程以其創新、靈活和開放等特點也逐漸引起中學生物學教師的注意，它開始幫助師生參與到國內外各類生物學科技創新活動中去。STEAM(science，technology，engineering，art and mathematics)原形為STEM，是美國弗吉尼亞理工大學亞克門教授于1990年在美國科學基金會(NSF)上首次提出是一種用科學、技術、數學和工程進行跨學科方式認識世界和綜合創新形式的教育。而STEAM則是由雷特亞克門教授及其團隊提出，在原有STEM教育的基礎上加入了藝術[1]。

1 STEAM課程與項目學習的內在聯系

項目學習與STEAM課程的共性在于它們都是新型教學模式，它們都強調以學生為中心、學科交叉、協作探究學習、作品呈現、過程性評價和對學科概念進行多角度深度挖掘與理解。基于兩者的相似性，中學生物學教師可開展以STEAM為基礎的項目學習課程。下面以“環球自然日自然科學知識挑戰賽”(Global Natural History Day)活動為例來進行闡述。

2 開展基于STEAM項目學習課程的五個要素

2.1 科學地生成生物學科研究主題 具體如下：

2.1.1 教師為學生選擇與生物學科相關的大主題 教師要開展一個生物學項目學習，必須要先開展一個與生物學科相關的大主題，設計有針對性的教育活動。生物學教師可以按照生物的形態結構(動物、植物、微生物和人體)、生活環境(陸地、海洋和淡水)、進化等級(低等、高等和過渡類型)和宏觀與微觀(分子生物學、生態學)等來進行主題分類。也可參考目前與項目學習相關的生物學科技創新類比賽。

例如，“環球自然日自然科學知識挑戰賽”每一年都會有一個與生物學科相關聯的年度主題：2012年“生物多樣性：自然因素、人為影響到全球重要性”、2013年“動物、植物和人類的偉大遷徙”、2014年“適者生存：應變、不變和可持續發展”、2015年“自然界大事件、2016年“自然界中的那些關系：誰是誰的誰？”和2017年“物質世界的真相：大小、尺寸和規模”。

廣東省開展生物科技活動起源較早，歷年參賽的課題中，研究論文所涉及的生物學科主要有動物學、植物學、微生物學、昆蟲學、生態學、農業、林業、水產和醫學與健康及生物化學等[2]。也舉辦過如多肉植物觀察大賽、觀鳥比賽和植物知識大賽等。這些比賽都為生物學教師科學地選擇大主題提供了借鑒。

2.1.2 聚焦小課題，多角度思考，挖掘新方向 教師確定選題之后，學生要開始聚焦小課題。興趣常作為選題首要條件，如果沒有創新，那么課題研究的深度將會受到一定限制。

例如，一位學生對“冷血動物”非常感興趣，教師可引導他打破觀察研究壁虎的尾椎骨在關節面斷裂的局限，開拓斷尾是否在同一個位置、愈合方式和時間、愈合過程受到什么因素影響等新的研究方向。再如，有學生提出研究恐龍，但恐龍滅絕之謎的選題過于陳舊，如能將研究主題修改為“恐龍的膚色之謎”，探索膚色與食性、獲取獵物的方式、躲避的天敵和生活環境等之間的關聯更使課題顯得新穎。

歷年學生的創意選題，如“‘星光海灘’的精靈——熒光藻”“具偽裝造型的葉海龍”“寄生在魚嘴里的縮頭魚虱”和“進化史上的過渡類型題塔利克魚”等都使人耳目一新，但弊端是中小學生針對此類選題的研究方法大都局限于文獻研究的方式。

2.1.3 立足身邊題材，解決切身生態與環境問題 基于社會實際，關注生態文明，解決環境問題也逐漸成為生物學科項目學習的重要因素。結合地方特色，選取身邊的題材，研究方法多樣易于深入研究。

例如，選擇深圳公園小區四處可見的外來物種薇甘菊、水葫蘆、深圳灣紅樹林自然保護區的紅樹、珊瑚種植基地的珊瑚、廣東省連南自然保護區的國家級保護動物大鯢和仙湖植物園的蘭花與蝴蝶作為研究對象，不僅可在實驗室進行研究還可在野外進行實踐調查。學生以此可以尋找到一些導致生物多樣性減少、海洋污染等環境問題的解決方法。

2.2 工程與技術的創新應用 學生往往會認為制定研究計劃是在選題之后開始的，但STEAM課程中生物學教師選擇主題、學生聚焦選題和制定研究計劃的環節并不是割裂的，而是相互制約的。對于實驗中其他變量是否可控，測量工具是否可以獲得，資料是否可以查找到等因素要進行可行性分析，否則就需要調整計劃和選題，再試用T與E來執行計劃。

2.2.1 技術與工程工具替代法 如果在研究計劃執行中，學生發現獲得的資料信息提供的技術不能捕捉研究對象，就需要創造新的技術來獲得研究對象。

例如，某研究小組選定研究螨蟲生活條件為課題，研究小組學習《醫學蜱螨學》一書使用“黑色小板誘法”“漂浮法”來收集螨蟲，但都沒獲得成功。原因在于螨蟲在黑色小板和液滴漂浮中易于移動，難以收集。于是，就改用除螨儀對床單進行除螨，再用寬帶透明膠粘貼在除螨儀里搜集的絮狀物上，并將透明膠制成標本放在數碼顯微鏡下，成功地拍攝到了螨蟲。再如，驗證酵母菌繁殖的技術對高年級學生使用革蘭氏染色、細胞記數板精確測量外，對于低年級學生則可通過觀察氣球形態，來判斷呼吸強度的替代方案更為簡易。

2.2.2 研究對象替代法 在資料搜索時如發現沒有相關資料，可選擇更換研究對象調整研究方案。

例如，某組學生初期選題“蘭科植物嫁接”，但蘭科植物嫁接較難成活，學生就選用另一種多肉植物蟹爪蘭與仙人球嫁接并獲得成功。學生還前往深圳蘭科植物研究所，向專家學習了蘭科植物的雜交、組培的方法，繼續完成蘭科植物的研究。

2.3 用統計數據分析研究結果 數學統計應用于生物學項目學習后期的實驗數據的處理。對于高年級學生常使用SPSS軟件來分析數據。還可用樣方法來估算種群的密度，即在被調查種群的分布范圍內，隨機選取若干個樣方，通過計數每個樣方內的個體數，求得每個樣方的種群密度，以所有樣方種群密度的平均值作為該種群的種群密度估計值。對于低年級學生來說，統計數據可使用office柱狀圖、餅狀圖和坐標軸更清晰地顯示調查結果。

2.4 用藝術手法呈現研究結果 亞克門教授在開展STEAM教育商標的形象化設計中將A設計為“@”，并用“=”聯接，以顯示其中的關系，這簡明地表達了STEAM教育主題?！癝TE@M=Science & Technology interpreted through Engineering & the Arts，all based in Mathematical elements”的意思為:以數學為基礎，通過工程與藝術解釋科學與技術[1]。這也就意味著藝術與工程也存在著一定的聯系。對于生物學項目學習的藝術呈現形式還側重于是學生對自然界的理解力，對人與自然的思考與感悟。

2.4.1 藝術模型展覽的制作 學生如果通過一個嵌入模型的展覽來表述研究過程，那展覽呈現板塊的內容除了要對整個項目學習過程陳述得條理清晰，邏輯連貫，還要選擇合適環保的材料來制作生物學模型，追求展覽在藝術上的美感。生物學模型制作并不是簡單的還原，教師要鼓勵學生在熟悉結構的基礎上按照比例合理設計模型，直觀地體現其結構與功能的統一性。

例如，學生設計“呼吸系統”模型時，除了處理好氣壓差，胸腔與肺的結構比例也要考慮在內。為了適應信息化時代的要求，有更多的工具可幫助建立生物學模型，在工程的方面可使用3D打印機、打印筆、激光切割機和傳感器等。在模型中可加入自動化裝置、開源電子原型平臺Arduino和簡易編程工具Scratch使學生的創意可視化。作品呈現時，學生配合講解研究項目，還能體現學生之間分工與合作的人文藝術。

2.4.2 藝術科普劇的呈現 如果研究結果是以一個科普劇的藝術方式來呈現，從音樂、表演、劇情和背景幕布上挖掘作品的表現力，可將研究的生物對象轉換為卡通人物，再設計出豐富的情景與引人入勝的故事情節。

例如，在2013年“環球自然日”展評中獲得金牌的作品“龜在難途”，學生按照棱皮龜遷徙路線，設計食物充足的大西洋東部覓食到返回非洲加蓬產卵的場景轉換，使用會聲會影軟件制作背景影音配合情節變化，以棱皮龜背部的七道棱為特色設計服裝。學生扮演誤食塑料袋的棱皮龜的同時，深切感受到海洋污染對海洋動物的傷害。可見藝術的展現，在整個項目學習中實現知識能力與情感的提升，提高學生生物學科的綜合素養。

3 在生物學科中開展STEAM課程的前景

STEAM課程在生物學科項目學習中的實操還需要進一步的完善和提升，除了在中學生物學選修課或拓展課中開展之外，我國《義務教育生物學課程標準 2011》和《普通高中生物學課程標準(實驗)》中分別設立了“生物技術”一級主題和“生物技術實踐”選修模塊，并同時強調要“落實科學、技術和社會相互關系的教育”，在《普通高中生物課程標準(實驗)》中也指明“要重視學科間的聯系”。雖然沒有明確提出對生物學科與工程學實踐結合的要求，但從STS的角度對“認識生物科學與技術的性質”給予了重視[3]，也為STEAM教育理念在我國中學生物學課堂中的滲透提供了可能性。