美國(guó)高中STEM教育中的生物學(xué)案例及分析

馬 成

(上海市市西中學(xué) 200040)

吳 畏*

(上海師范大學(xué)生命與環(huán)境科學(xué)學(xué)院 200062)

1 美國(guó)高中STEM課程的特點(diǎn)

STEM教育重視在科學(xué)、技術(shù)、工程和數(shù)學(xué)之間建立合理邏輯，在重新詮釋理科教育本質(zhì)的基礎(chǔ)上，使其與動(dòng)手實(shí)踐相關(guān)的技術(shù)和工程教育有機(jī)結(jié)合，啟發(fā)學(xué)生不斷挖掘科學(xué)和數(shù)學(xué)在實(shí)際社會(huì)生產(chǎn)中的應(yīng)用價(jià)值。STEM課程崇尚的是探究式的學(xué)習(xí)過程，課程形式是“以課題項(xiàng)目、動(dòng)手實(shí)踐性強(qiáng)的活動(dòng)為載體，以解決一個(gè)具有一定挑戰(zhàn)性的問題為目標(biāo)，課程學(xué)科基礎(chǔ)主要是科學(xué)和數(shù)學(xué)知識(shí)”[1]。由此概括來說，STEM教育具有綜合性、動(dòng)態(tài)性、回歸性、實(shí)踐性和豐富性等特點(diǎn)。然而，美國(guó)在實(shí)際推進(jìn)STEM課程教學(xué)過程中，發(fā)現(xiàn)目前美國(guó)STEM課程中科學(xué)和數(shù)學(xué)課程層面的學(xué)科資源非常豐富，但在技術(shù)課程層面和工程課程層面，由于需要特定的設(shè)備與場(chǎng)所，相對(duì)客觀條件要求更高。本文精選的兩則案例便是美國(guó)高中生物學(xué)教師通過克服上述客觀條件，在課堂中有機(jī)融合STEM教育理念之精髓，從而達(dá)到培育未來創(chuàng)新人才目的。

2 STEM教育中生物學(xué)案例介紹

2.1 案例一：“色覺輔助眼鏡”的設(shè)計(jì)與研發(fā) 具體的設(shè)計(jì)與研發(fā)流程如下：

2.1.1 課程形式分析 該案例是典型的“動(dòng)手實(shí)踐類”STEM課程，其設(shè)計(jì)問題之“挑戰(zhàn)性”體現(xiàn)在：①“設(shè)計(jì)并制作一款眼鏡”，學(xué)生需自行搜集并選取合適的原材料，觀察了解普通眼鏡構(gòu)造，純手工制作對(duì)動(dòng)手能力要求較高；②有效提高被試色彩敏感度需要重新審視“視網(wǎng)膜組成”等科學(xué)知識(shí)并將其應(yīng)用到實(shí)際生活，思考如何改變外因即鏡片屬性，以提高視錐細(xì)胞工作效率；經(jīng)歷嘗試—改進(jìn)—再嘗試—再改進(jìn)的研發(fā)過程。課程目標(biāo)：知道人體視覺產(chǎn)生過程；學(xué)會(huì)運(yùn)用“在線色覺測(cè)試軟件”，對(duì)被試者的色彩敏感度進(jìn)行定量測(cè)定；設(shè)計(jì)一款“色覺輔助眼鏡”，幫助被測(cè)者提高色彩敏感度。課程安排：見表1。課程評(píng)價(jià)：見表2。

表1 “色覺輔助眼鏡設(shè)計(jì)研發(fā)”課程安排

表2 “色覺輔助眼鏡設(shè)計(jì)研發(fā)”課程評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

2.1.2 課程目標(biāo)分析 以本案例“評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)”為例(表2)，其“評(píng)分項(xiàng)目”分為6個(gè)方面：即“科學(xué)性”“有效性”“可靠性”“美觀性”“合作性”和“創(chuàng)意性”。其中，“科學(xué)性：合理運(yùn)用相關(guān)生物學(xué)知識(shí)”旨在培養(yǎng)“建構(gòu)能力”，“有效性：有效提高被試者色彩敏感度即測(cè)試得分”和“可靠性：充足樣本數(shù)量，采用圖表統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)”旨在培養(yǎng)“解決問題能力”，“美觀性：設(shè)計(jì)美觀大方、方便佩戴”致力于培養(yǎng)“設(shè)計(jì)能力”，“合作性：分工明確、配合默契”用于考察“合作能力”，“創(chuàng)意性：令人眼前一亮的創(chuàng)新之處”在于培養(yǎng)“創(chuàng)造、發(fā)現(xiàn)的能力”。可見該“評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)”6個(gè)“評(píng)分項(xiàng)目”與STEM“課程目標(biāo)”培養(yǎng)的6種能力幾乎一一對(duì)應(yīng)。

2.1.3 學(xué)科要素分析 通常來說，STEM課程是“科學(xué)”“技術(shù)”“工程”和“數(shù)學(xué)”這4門學(xué)科的集合。在本案例中“科學(xué)”體現(xiàn)在“視覺形成過程”等生物學(xué)知識(shí)鋪墊，“技術(shù)”表現(xiàn)為使用“在線色覺測(cè)試軟件”，“工程”運(yùn)用于“設(shè)計(jì)一款色覺輔助眼鏡”，“數(shù)學(xué)”應(yīng)用于“數(shù)據(jù)分析、統(tǒng)計(jì)圖表”。

2.2 案例二：利用3M PetrifilmTM測(cè)試片探究不同因素對(duì)細(xì)菌繁殖速率的影響 具體的設(shè)計(jì)與研發(fā)流程如下：

2.2.1 課程形式分析 該案例是典型的“課題項(xiàng)目類”STEM課程，其設(shè)計(jì)問題之“挑戰(zhàn)性”體現(xiàn)在：①“自擬創(chuàng)新研究題目”，需結(jié)合“細(xì)菌繁殖條件”等科學(xué)知識(shí)聯(lián)系生活實(shí)際，尋找感興趣的研究點(diǎn)。如“探究抑制口腔內(nèi)菌群生長(zhǎng)繁殖的最適溫度”“探究不同洗手方法對(duì)皮膚表面菌群繁殖速率的影響”等。②學(xué)生經(jīng)歷了自主探究實(shí)驗(yàn)的全部過程。課程目標(biāo)：知道細(xì)菌培養(yǎng)的主要條件及無菌操作步驟；學(xué)會(huì)運(yùn)用3M PetrifilmTM測(cè)試片定量檢測(cè)菌落總數(shù)；提出問題，自主探究某一因素對(duì)細(xì)菌繁殖速率的影響。課程安排：見表3。課程評(píng)價(jià)：見表4。

表3 “利用3M PetrifilmTM測(cè)試片探究不同因素對(duì)細(xì)菌繁殖速率的影響”課程安排

表4 “利用3M PetrifilmTM測(cè)試片探究不同因素對(duì)細(xì)菌繁殖速率的影響”課程評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

2.2.2 課程目標(biāo)分析 以本案例“評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)”為例(表4)，每個(gè)“評(píng)分項(xiàng)目”又根據(jù)可量化、客觀化和公正化的“評(píng)分依據(jù)”分為3個(gè)等級(jí)。表4的6個(gè)“評(píng)分項(xiàng)目”中，有5個(gè)方面的“評(píng)分依據(jù)”均涉及定量評(píng)價(jià)。如“嚴(yán)謹(jǐn)性：研究題目、實(shí)驗(yàn)假設(shè)、設(shè)計(jì)和過程嚴(yán)謹(jǐn)規(guī)范”方面，根據(jù)“評(píng)分依據(jù)”分為“2分：4個(gè)方面都符合”“1分：有3個(gè)方面符合”和“0分：≤2個(gè)方面符合”3個(gè)等級(jí)。通過對(duì)“評(píng)分依據(jù)”進(jìn)行量化，是實(shí)現(xiàn)無論師生評(píng)價(jià)還是生生互評(píng)，在不同教學(xué)環(huán)境下，不同教師、不同學(xué)生都可統(tǒng)一采納并對(duì)作品或課題進(jìn)行“客觀化、公正化”評(píng)價(jià)的有效手段，也為教育工作者評(píng)價(jià)STEM課程是否達(dá)成“課程目標(biāo)”提供了有效參考。

2.2.3 學(xué)科要素分析 在本案例中，“科學(xué)”體現(xiàn)在“無菌操作與接種”等生物學(xué)知識(shí)鋪墊；“技術(shù)”表現(xiàn)為“基于3M PetrifilmTM測(cè)試片的細(xì)菌培養(yǎng)技術(shù)”運(yùn)用；“工程”暫未得到體現(xiàn)；“數(shù)學(xué)”則應(yīng)用于“數(shù)據(jù)分析、統(tǒng)計(jì)圖表”。

STEM課程并不強(qiáng)求每次實(shí)踐都要4個(gè)學(xué)科要素面面俱到。衡量一門STEM課程的標(biāo)準(zhǔn)，并不是學(xué)科要素是否齊全，而是由其課程目標(biāo)、課程形式等決定。對(duì)于“技術(shù)”學(xué)科的理解，可以是教育技術(shù)或信息技術(shù)的應(yīng)用[2]，也可以是“科學(xué)”學(xué)科范疇下的具體技術(shù)的應(yīng)用，如植物組培技術(shù)、PCR技術(shù)等?！皵?shù)學(xué)”學(xué)科在STEM課程中可以承擔(dān)“數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)”的重要角色。

3 對(duì)我國(guó)高中生物學(xué)教學(xué)的啟示

3.1 培養(yǎng)學(xué)生學(xué)會(huì)學(xué)習(xí) 《中國(guó)學(xué)生發(fā)展核心素養(yǎng)》對(duì)“學(xué)會(huì)學(xué)習(xí)”的內(nèi)涵是“學(xué)習(xí)意識(shí)形態(tài)形成、學(xué)習(xí)方式方法選擇、學(xué)習(xí)進(jìn)程評(píng)估調(diào)控等方面的綜合表現(xiàn)”[3]。與案例一相似，但上教版高中《生命科學(xué)》第2冊(cè)學(xué)習(xí)內(nèi)容“動(dòng)物體對(duì)外界信息的獲取”建議為一課時(shí)。如何在有限課時(shí)中既引入STEM教育理念又落實(shí)好課標(biāo)要求，這對(duì)教師提高課堂有效性、合理引導(dǎo)學(xué)生轉(zhuǎn)變學(xué)法提出了較高的要求。案例二中小組完成實(shí)驗(yàn)報(bào)告用時(shí)較長(zhǎng)，可延伸到課后完成。原本擔(dān)心這種案例會(huì)增加學(xué)生課余負(fù)擔(dān)，但實(shí)踐發(fā)現(xiàn)：由于能極大賦予學(xué)生學(xué)習(xí)自主權(quán)，且STEM教育的模型制作具有一定挑戰(zhàn)性和藝術(shù)性，能大大調(diào)動(dòng)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情。

3.2 培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)精神 《中國(guó)學(xué)生發(fā)展核心素養(yǎng)》對(duì)“科學(xué)精神”基本要點(diǎn)的詮釋是“理性思維、批判質(zhì)疑和勇于探究”[3]，STEM課程也非常倡導(dǎo)這一理念，案例二就是一個(gè)很好的探究實(shí)驗(yàn)案例?？梢娪行ч_展“探究性實(shí)驗(yàn)”，是我國(guó)生物學(xué)教學(xué)中引領(lǐng)學(xué)生科學(xué)素養(yǎng)發(fā)展的重要手段。例如，高中《生命科學(xué)》第一冊(cè)“食物中主要成分的鑒定”實(shí)驗(yàn)，可把“驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)”改為“探究性實(shí)驗(yàn)”：①預(yù)習(xí)教材實(shí)驗(yàn)要求；②每組自選一種飲料或湯汁作為探究對(duì)象并帶到實(shí)驗(yàn)室(課前)；③實(shí)驗(yàn)室鑒定自帶的已知樣品，學(xué)會(huì)食物主要營(yíng)養(yǎng)成分鑒定方法；④自主探究自選飲料或湯汁主要營(yíng)養(yǎng)成分(課堂)；⑤小組合作完成實(shí)驗(yàn)探究報(bào)告(課后)。

3.3 培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)踐創(chuàng)新 《中國(guó)學(xué)生發(fā)展核心素養(yǎng)》對(duì)“實(shí)踐創(chuàng)新”基本要點(diǎn)的詮釋為“勞動(dòng)意識(shí)、問題解決和技術(shù)運(yùn)用”，而STEM教育將科學(xué)與工程學(xué)結(jié)合就是要加強(qiáng)科學(xué)實(shí)驗(yàn)的目的導(dǎo)向性，重點(diǎn)培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)踐能力[3]，兩者是不謀而合的。生物學(xué)課堂首先需要學(xué)會(huì)巧妙化解“工程學(xué)”專業(yè)實(shí)驗(yàn)設(shè)備缺乏的問題。建議許多日常用品可作為工程學(xué)搭建模型的原材料，實(shí)驗(yàn)室常見器材亦可替代工程學(xué)實(shí)驗(yàn)設(shè)備，一些簡(jiǎn)單的探究實(shí)驗(yàn)(如“利用瓊脂塊和染料探究細(xì)胞體積大小對(duì)跨膜擴(kuò)散速率影響”)就已經(jīng)體現(xiàn)了STEM教育的理念。

生物學(xué)作為一門實(shí)驗(yàn)科學(xué)，又與生物技術(shù)、生物工程和醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域密切聯(lián)系，一定會(huì)在STEM教育本土化實(shí)踐探索中發(fā)揮重要作用。

(基金項(xiàng)目：上海師范大學(xué)本科教學(xué)建設(shè)研究“科學(xué)教學(xué)技能培訓(xùn)體系教學(xué)改革探索與實(shí)踐”，No.A-2016-16-001010；*通訊作者)