基于STEAM教育理念的《無土栽培》選修課實踐

李士杏

摘 要 以《無土栽培》選修課為例，闡述了如何基于STEAM教育理念進行項目性學習設計，如何在教學實施過程中推行STEAM學習模式，如何運用恰當的教學策略促進學生多方面能力提升。最后，對課程開發和實施中如何更好地滲入STEAM理念進行了反思和探討。

關鍵詞 STEAM教育 無土栽培 生物教學

中圖分類號 G633.91 文獻標志碼 B

起源于美國的STEAM（Science，Technology，Engineering，Art and Mathematics）教育理念，正逐漸成為培養學生創造力和創新精神的新興的教育實踐和研究范式。在STEAM課堂中，學生需要解決的問題必須是生活中真實存在的，學習的形式為項目式學習，學生需要運用各種學科以及跨學科的知識，通過動手實踐和科學探究，最終完成某一產品的制作或解決某一問題。在這類課堂中，學生需要“做中學”，即從經驗中積累知識，從實際操作中培養思維能力、解決問題的綜合能力和創造力。學生真正成為課堂的中心，是參與者和創造者；教師則是幫助學生完成學習的設計者、組織者和引導者。當然，STEAM課堂最大的魅力在于能夠激發學生好奇的天性和主動探索能力，有助于學生全身心的參與學習。如何設計適合我國學生的本土化STEAM課程是目前許多教育工作者積極探索的方向。下面以我校自主開發的選修課《無土栽培》為例，闡述了STEAM教育理念和教育方法在課程中的具體實踐運用。

1 基于STEAM理念的項目選擇

無土栽培是一種用營養液培育植物的現代化農業生產技術，具有提高土地和水肥利用率、減少病蟲害、節省人力以及減少環境污染等優點。這一技術不僅對于沙漠荒原等難于耕種地區的農業生產具有重要意義，也可以用于城市居民樓頂綠化。隨著航天事業的發展和人類進駐太空的需要，無土栽培成為目前在太空中進行食物生產最有效的方法。因此，無土栽培是來源于真實世界的現實問題，這一情境將強化學生的學習動機，激發他們的探索欲望。

參與無土栽培實踐是一種典型的項目式學習方式，學生的一切活動都有明確的任務指向，學生必須親自完成各個種植環節。在栽培過程中，學生可能會產生疑惑、發現問題，甚至進行錯誤操作，這就為學習創造了機會。這種基于動手實踐和研究探索的活動才能真正喚醒孩子與生俱來的創造力。

如何實現無土栽培是一個需要綜合多學科知識才能解決的問題。植物的生長規律和影響因素涉及生物學知識，營養液配制涉及化學知識，保證營養液持續供應涉及工程學知識，培育期間的監測和管理涉及傳感器等技術手段的運用。在整個實踐過程中，學生需要想辦法通過多種學習途徑獲得所需的相關知識，并且在知識交互運用中，在相互的碰撞中，實現深層次的學習、理解性學習和綜合性學習。

另外，種植植物本身就是一件令人愉悅的事情，蔬菜和花卉的優美的外形和色彩能帶來美的享受，植物的成長能激起人們內心對生命和自然的熱愛，收獲的喜悅讓人們更能體會勞動帶來的成就感和樂趣。這一過程能幫助學生提升審美情趣、增強人文素養。

綜上，無土栽培實踐活動是一個具備STEAM教育特征的項目選題。

2 課程實施的準備

植物的栽培往往需歷時幾個月，我校為初高中年級都預留了選修課時間，所以該項目主要利用每周1節選修課的時間開展。考慮到植物生長的延續性，學生還需利用平時的一些休息時間進行觀察和管理。

項目開設所需要的場地和設備等條件必不可少。為了充分利用空間，同時兼顧美化環境，教師將兩幢教學樓之間第三層的通道作為栽培場所，并在通道中加裝了電源插座和自來水管。在校方的大力支持下，購買了一些多層槽式水培架，并配備了相應的儲液箱、水泵、上水管道、出水管道。還需準備的其他設備，如定植杯、育苗盤、電導率儀、pH計、電源定時器、電子天平等。另外，配制營養液的化學試劑、育苗用的基質和合適的植物種子也是必不可少的。

3 課程實施流程與教學策略

本課程的項目可以拆分為多個環節，每個環節所需要達到的教學目標也有所不同，學科綜合的情況也存在差異，需運用的多元智能側重點也有所不同。因此，教師依據各環節的任務特點可以采用不同的學習方式，學習時間也依具體情況而定，可以是1個課時，也可以用多個課時。

課程開設的對象可以是初中生，也可以是高中生。教師不必擔心各年級的學生存在認知水平和學習能力的差異，對于同一個環節，只需要調整任務的難度水平就可以適應不同層次的學生。

3.1 了解無土栽培技術

首先教師通過資料講解、播放視頻等，向學生簡要介紹無土栽培的含義、類別、基本原理和發展歷程。然后提出一些問題讓學生思考并討論：無土栽培技術有什么優點和缺點？如何看待無土栽培技術的發展前景？在本地區（你的家鄉），無土栽培技術可能帶來什么幫助？……或者請學生提出一些自己感興趣的問題，進行討論。

學生可以在課后通過網絡查閱資料，請教相關專業人員等方式收集信息，最后經綜合整理形成觀點。對于研究結果的呈現和展示，初中生可以采用宣傳小報、PPT等形式，而高中生建議采用小論文、調查報告、小視頻等形式。

3.2 認識無土栽培的相關設備

教師帶領學生觀察學校的水培設施，介紹各部分的名稱，然后請學生完成以下任務：

① 認識水培設施各個部分的功能；

② 明確水培設施中液體的流動路徑；

③ 估算一個水培架的儲液量；

④ 該設施怎樣通過設計來滿足其產品功能、質量和效益方面的要求？

⑤ 對于該設施，你認為設計方面有哪些不足之處？應該怎樣進行改進？

教師可以將學生分成小組，以合作的形式完成任務。學生可以通過觀察、測量、試驗、討論、請教老師、查閱書籍資料等方法完成任務。前兩個任務的結果可采用繪制水培設施的示意圖的方式呈現，在圖上標注各部分的名稱，用注釋說明各部分的功能，用箭頭表示液體的流動路徑。第三個任務可以采用多種方法完成，教師應要求學生在研究過程中詳細的記錄測量方法和相關數據，過程記錄是一個重要的學習評價依據。第四和第五個任務可以讓學生用口頭匯報或者書面匯報的方式呈現，通過交流能夠激發學生更多的思考，產生出更多的創意。endprint

3.3 無土育苗

育苗是將植物從種子培育成便于移栽的幼苗的過程。育苗過程歷時較長，約為1～2月。對于沒有經驗的中學生來說，育苗很容易失敗，所以育苗環節的關注點在于實踐和研究，而不需要強求產品的產出。教師可以購買一些現成的幼苗直接進行移栽，既節省時間又能保證后續學習環節正常進行。

教師先通過視頻和講解讓學生了解育苗的基本步驟和操作注意事項，然后請各小組學生選擇自己喜歡的植物種子進行育苗，并要求學生認真記錄在育苗過程中觀察到的現象、遇到的問題以及尋求解決方法的途徑。育苗過程中的影響因素非常多，基質成分、種子類型、種子的處理方式、育苗過程中的光、溫、水、氣等條件都會影響種子萌發和植物生長。因此這一環節也是進行探究式學習的好機會。學生可以選擇自己感興趣的因素設立小課題進行實驗研究。對于初中生，可以研究“種子的萌發是否需要光照” “溫度是否會影響種子萌發的速度”等。對于高中生，可以研究“提前浸種是否會加快種子的萌發” “不同的基質的配比對種子的萌發有何影響” “晝夜溫差對于幼苗生長的影響”等。在這一過程中，學生需要自行設計實驗步驟、進行實驗觀察、記錄和處理數據，將實驗結果用文字或圖表進行呈現，最終得出結論。

3.4 營養液的配制

教師先要通過講解的方式讓學生了解營養液中所需的元素類型和濃度范圍，以及營養液配制的原則。因為初中生和高中生在化學知識儲備方面的差異較大，所以教師要分別設置不同層次的學習任務。對于初中生，重點學習化學溶液的配制方法，任務如下：

① 按照提供的清單取出所需要的化學試劑；

② 按照提供的試劑用量進行準確的稱量；

③ 按照提供的配制方法進行溶液的配制；

④ 記錄在配制溶液中遇到的問題及解決方法。

對于高中生，需重點學習營養液配方的選擇以及各種化學試劑的需要量計算。任務如下：

① 查找資料，了解營養液配方的類型及特點，根據所種植的植物選擇一種適合的營養液配方；

② 根據配方中的元素濃度和需要配制的幾種母液量計算出各種化學試劑的需要量；

③ 擬定營養液配制的步驟，注意避免配制時試劑混合發生化學反應；

④ 完成溶液的配制；

⑤ 記錄在配制溶液中遇到的問題及解決方法。在整個無土栽培的過程中，可能需要多次配制營養液，所以學生可以通過多次完成任務更加熟悉這一環節，甚至還能提出一些改進的措施。

3.5 水培植物的移栽和日常管理

移栽是將幼苗從育苗盤中移入水培架進行培育的過程，對于幼苗的成活有著重要的影響。教師需要先講解幼苗移栽時的操作方式和注意事項，然后讓學生親手移栽幼苗。在這個過程中，學生要思考以下問題：幼苗根部的基質是否清洗得越干凈越好？如何保證幼苗的根部能接觸到營養液？如何根據幼苗的類型選擇合適的定植杯？……

水培植物生長情況的好壞與日常管理是分不開的，日常管理的內容主要涉及水培營養液的濃度、成分、pH、溶解氧等方面。隨著植物的生長，水培液會不斷消耗，溶液的pH可能發生改變。植物根系的生命活動需要足夠的氧氣，對于不耐澇的地植物進行水培時，營養液中含氧量充足與否是成敗的關鍵因素之一。教師可以給每個小組分配一個水培架，讓學生負責日常管理。學生需要完成的任務如下：

① 學會使用電導率儀測定水培液的電導率，學會使用pH計測定水培液的pH；

② 學會調節電源定時器對水泵的抽水頻率進行控制；

③ 經過一段時間的觀察摸索出營養液的添加規律和合適的抽水頻率；

④ 經常觀察水培設施運行情況，檢查是否存在漏液、堵塞、運行不正常等情況；

⑤ 觀察并記錄植物的生長情況，可以用文字、照片或者繪畫等形式。

4 基于STEAM理念的教學反思

本課程作為生物類STEAM課程的初步探索，筆者積累了一些經驗，同時也發現了一些問題。例如，大多數學生都十分喜愛這種輕松有趣的學習模式，非常愿意動手參與實踐過程，但是在完成一些開放性較強的任務時，他們就顯得有些無所適從，力不從心。這種現象與學生長期以來所形成的封閉式被動式的學習習慣有關。因此，教師應該循序漸進，給予適當的引導，強化同伴間的互助互學，幫助學生盡快適應開放式學習。另外，學生往往會認真記錄教師講授的內容，卻很少記錄自己在探索過程中的收獲、想法和問題。其實，研究過程日志是十分重要的學習資料，研究者利用它可以有助于理清思路、發現問題、總結經驗、獲得靈感等。同時，日志也可以作為過程性評價的重要依據，有助于教師調整教學策略。最后，教師應該特別重視每個環節結束后小組間的匯報交流。結果展示是項目性學習中最精彩的部分，是一種十分重要的評價機制。同伴間的評價對于激發學生的學習熱情和改進學習方法具有巨大的推動作用。教師應引導學生充分準備，認真對待。

依托特色校本課程來研發STEAM校本課程是從學校層面發展STEAM教育的重要途徑。教師在進行課程開發時，不應該僅僅看重課程的形式是否具有綜合性、跨學科、趣味性等特點，更應該從STEAM課程理念的角度去進行評判。例如，學習的情境是否能真正激發學生好奇的天性和主動探索的能力？學習過程中主動權是否真正交給學生？問題的解決過程是否有助于深層次思維的鍛煉？動手過程是否有助于開發創造性潛力？同伴合作是否實現了有效的交流和智慧的碰撞？STEAM教育不僅僅是一種教育形式、教育方法，而是一種文化、一種態度。學習STEAM教育，不是仿其形，而是要學其神。endprint