基于高中生物學課程資源進行STEM項目的設計思路與案例*

付 鑫 （北京市十一學校 北京 100039）

1 研究背景與意義

隨著課堂教學改革的不斷深化，講授已逐漸被多樣化的教學策略替代。設計基于學生學習體驗的課堂活動，成為幫助學生有效學習的核心。生物學科是一門基于實驗的自然科學，高中生物學課程的性質一直定位于“進一步提高學生的生物學科素養。尤其是發展學生的科學探究能力，幫助學生理解生物科學、技術和社會的相互關系，發展交叉學科技能，培養學生的創新精神與實踐能力。”［1］這也正是源于美國的STEM 教育的核心觀點。STEM 是科學（science）、技術（technology）、工程（engineering）和數學（mathematics）4 門學科的簡稱，強調多學科的交叉融合［2］。在現有的科學課程中，科學方法通常作為一個介紹性主題進行講授。例如初中生物學的“觀察法”“實驗法”；高中生物學的“構建模型”“假說-演繹法”等。但是，有很多研究表明，學生僅僅能表述科學研究過程，并不意味著他們能進行科學思考或具備了富有創造力的研究技能［3］。因此，沒有經歷過科學研究過程的學生，不可能真正理解科學的本質，尤其是科學探究的過程經常是非線性的。

本研究旨在以高中生物學課程內容為背景，設計符合中學生認知層次的STEM 項目，并在高中實踐、收集數據、撰寫報告，為教育研究者和一線教師提供豐富的案例資源和教學研究參考。另一方面，我國即將實行第9 次基礎教育課程改革，重大變化之一是不再于高中劃分文、理科，這是開放學生學習自由度，實現學科有效融合的重大嘗試。STEM 交叉學科的特征將會在我國未來的教育中更加凸顯，同時論證了本研究的意義。

2 研究內容與方法

2.1 研究路徑設計 本研究課題以“STEM 項目的設計—實施—評價”為行動研究的主要實踐內容，以高中生物學課程內容為切入點，通過內容分析、文獻檢索確定STEM 項目的主題，以成熟優秀的已有STEM 項目為藍本進行項目方案設計，撰寫項目指導手冊。研究成員通過指向教學實踐的行動研究，對項目方案進行實施，利用5E 教學模式理清教學思路。制定一一針對項目研究節點的過程性評價指標，對學生的項目研究進行實時跟蹤，形成一套切實有效的評價方案。在一個STEM 項目結題后，通過對學生進行項目適用性的問卷調查，以及半結構化訪談形成對項目的評價，并指導進一步的項目修訂與完善。最終，通過整理項目設計、實施過程中利用的材料、平臺，構建資源體系（圖1）。

圖1 研究路徑設計

2.2 研究方法

1）文獻研究法：收集、查閱國內、外相關STEM項目設計和評價方案的文獻，了解國內、外研究現狀及進展，為理清研究思路和選擇研究方法奠定基礎。以STEM 成熟項目設計和實踐相關研究成果為基礎，分析已有STEM 資源的適用性，從高中學生知識水平和學校學習環境角度出發，尋找以高中生物學課程內容為背景的STEM 課題、評價方案和訪談提綱編制的依據。

2）指向教學實踐的行動研究法：本研究擬在STEM 項目設計完成的基礎上，利用5E 教學模式進行教學設計，誠然，學生完成STEM 項目在很大程度上需要依托于課余時間，因此這一問題也在項目教學策略的規劃范圍之內。教師指導學生完成STEM 項目，記錄過程性評價，獲得學生作品和報告以完成終結性評價，并通過項目適用性問卷和半結構化訪談提綱對學生進行調查，獲得修訂和完善課程設計的依據。

3 研究結果與分析

3.1 基于高中生物學課程的STEM 項目設計本項目研究基于高中生物學課程內容，從課程的基本內容中分析并總結適合開展STEM 項目教學和研究的主題，體現新課程“提高生物學科學素養、面向全體學生以及倡導探究性學習”的理念。本研究在Skilbeck 及王斌華等國內、外學者所提出的課程設計步驟的基礎上，結合STEM 項目的特點，進行校本課程設計的總體思路［4］，圖2。

圖2 基于高中生物學課程的STEM 項目設計思路

①分析學校環境條件與學生需求： 基于文獻研究，在充分分析學校學習環境條件及學生需求的前提下，借鑒已有STEM 項目資源中選擇適當的主題和內容，明確設計宗旨。分析學校的環境條件與學生需求可以概括為環境分析： 學校內部環境即學校硬件設施（生物學高端實驗室的現有配備）、課程課時安排（高中教學內容的計劃）等內容； 學校外部條件即學生在學校之外所在的學習與生活環境，這種環境集中體現了學生所面臨的實際問題，也是學生在學校之外學以致用的重要機會。環境條件與學生需求分析是STEM 項目有效性與適用性的基礎，只有滿足學生實際生活需求的STEM 項目內容，才有可能會成為學生接受的優質項目；只有學校硬件條件有所保障，課程才能得以開設。因此，充分的學校環境分析與學生需求分析是STEM 設計與實施過程的奠基石。

②全面分析高中生物學課程內容，尋找生長點：本項目研究的宗旨是從高中生物學課程出發，以高中生物學課程內容為核心資源設計STEM 項目。因此，全面反思高中生物學課程內容，打破固有的教學策略和方法，才能夠解放思想，尋找STEM項目的生長點。研究團隊采用頭腦風暴的方式，并在過去教學工作中一些研究課的啟示下，鎖定了幾個高中生物學課程中可作為STEM 設計的內容：組成細胞的化學物質的鑒定，探究酶作用的適合條件，遺傳規律的應用與擴展，生態系統的結構與功能等。同時，考慮到研究團隊中包含生物學競賽教練，因此也從高中生物學競賽的內容中，分析適合普通高中學生力所能及的內容，作為STEM項目設計的依據，例如：微生物的分離與分子遺傳學分析，人體生理學的醫學應用等。

③組織課程內容，制定指導策略： 在確定STEM 項目的主題之后，需要基于高中課程內容，進一步設計適合學生的探究活動。學生的活動需要從課上開始，延伸到課外。因此，為學生做好引領性規劃是實現STEM 項目有效性的必要保障。根據達西·哈蘭德博士所著《STEM 項目學生研究手冊》的研究成果，STEM 研究過程大致分為：生成研究主題→制定研究計劃→了解研究主題→撰寫研究方案→準備并開展實驗→統計分析→解釋數據→報告結果8 個階段。研究團隊在設計主題之后，依據上述8 個階段，為學生提出可操作性建議。實施過程中，在參考高中生物學課程的課時計劃基礎之上，從學生的課上實驗出發，引導學生發現問題，并生成研究問題。之后的6 個階段由教師在課下完成輔導，學生以個人或研究團隊的形式參與項目研究之中。最后一個階段——報告結果落實在課堂上，引導學生反思總結。教師在項目研究中所承擔的角色包括： 主任導師幫助學生確定研究主題，并幫助學生搜集可利用的人員、材料、耗材等資源； 學科導師從學科角度幫助學生解決研究中遇到的科學問題（圖3）。

圖3 以“尿糖試紙的設計”為例的組織項目（課程）框架

④課程評價與學習效果評價： 首先需要設計STEM 項目實施過程中活動評價和形成性評價的方式，配合傳統的紙筆測驗，同時重視過程性評價與結果性評價，確定多主體多方式的評價策略。學生的學習效果是課程最終所需達成的目標，是課程目標和教學目標的呼應，也是評判課程有效性和適用性的基準之一。針對學生學習效果評價的諸多研究表明，學業評價不應訴諸于單一的結果性紙筆測驗，這種測驗方式雖然能達到一定測量學生知識學習的作用，但無法對學生學習能力等方面的提高作出有效評判。這種評價的短板尤其體現在本研究所涉及的科學探究課程上。這就需要豐富多樣的過程性評價予以輔助。過程性評價要求教師在教學實踐過程中時刻關注學生給予的反饋，包括每個教學環節中學生的互動，這既體現了學生在課堂上的角色性，又為教師賦予了新的任務，摒棄了“一言堂”情況的產生；此外，評價的另外一個層面就是對課程本身的評價，課程的有效性和適用性是需要學生反饋的，教師需要在學生反饋中逐漸調整授課節奏、難度、活動安排，以保證學生對課程可接受的程度。由此，可以說課程評價既是整套校本課程設計的結束，又是新一輪STEM 項目修訂的開端。

3.2 案例成果展示與分析

3.2.1 尿糖試紙的設計 “細胞中有機物的鑒定”是高中生物學必修1《分子與細胞》模塊學生接觸到的第1 個重要實驗。通過實驗，學生能掌握對還原糖、脂肪、蛋白質、核酸等生物化學物質的簡單鑒定方法。在以往的教學活動中，學生由于缺乏有機化學、生物化學的前導知識，很難清楚認識物質鑒定實驗所涉及的化學原理。因此，實驗的方法、顯色實驗現象成為死記硬背的內容。為了能實現“生物學←→化學”2 個領域知識的遷移，并引導學生基于教材實驗，將定性實驗發展成為定量實驗，研究團隊的教師帶領學生進行有機物鑒定實驗的擴展和延伸，其中以“尿糖試紙的設計”為例進行展示。

表1 尿糖試紙的設計案例

本項目是基于“細胞中有機物的檢測和鑒定”內容進行的課外拓展，學生在設計試紙時對試紙材料、大小等指向產品的研究十分充分，也是學生首次體驗在實驗活動中考慮制作產品的成本控制、使用人性化等因素。雖然項目持續的時間不長，卻成為不少學生首次踏上指向產品產出的STEM 項目設計之路。

3.2.2 植物生長的實驗探究 “生長素的生理作用”是人教版高中生物學教材《穩態與環境》模塊第3 章“植物的激素調節”第2 節的教學內容。生長素是人類首次發現的植物激素，在日常實踐中發揮著巨大的作用。在日常生活中，學生能接觸頂端優勢、植物向性運動等有關植物生長素的生物學現象，通過本項目的實驗體會，可讓學生糾正錯誤概念，構建知識網絡，指導日后的生活學習。在本項目的教學組織中，如何設計科學性與可行性并存的實驗方案是第1 個教學難點；其次，學生對生長素生理作用的兩重性認知較為抽象，教師應結合實例進行講解；此外，教學中還需貫徹“學以致用”的教學思想，引發學生對生長素指導農業生產實踐應用的相關思考。

表2 植物根生長的實驗探究案例

本項目的主要目的在于學生活動從課堂上到課堂下的延伸，經過實驗認識到生長素兩重性的生理作用特性。在最后一節的匯報課上，學生利用了P—O—E 的教學策略模式，遵循從假說到觀察到解釋的科學過程，對自己的探究結果進行匯報和展示。這一過程中，學生毫無保留地將實驗之前蘊含前科學概念的假說向全班學生進行匯報，再陳述自己通過實驗實現概念轉變的過程。

在教師的指導下，學生將在40℃水浴中浸泡1 h 的小麥種子鋪在含不同濃度2，4-D 溶液的紗布上。之后將種子置于適宜相同的條件下進行培養，交于實驗教師，學生未知各實驗組別種子的生長情況，在項目進行中學生對不同濃度下的種子生根情況進行預估，并嘗試說明原因，暴露了前科學概念。

表3 學生預測實驗結果的小組討論記錄

表4 小麥生根實驗結果的記錄

圖4 小麥根生長實驗的結果

表4 和圖4 都是班級學生通過大數據統計（n＞27）、通過對算數平均進行計算，并通過公式計算了樣本標準差，從而估計班級實驗數據的差異性。這種數據統計方法是學生之前沒有接觸過的，本項目的研究為學生進行數學統計和相關知識的應用提供了機會。

4 反思與展望

基于高中生物學課程的STEM 項目設計，實現了從課堂向課外的延伸，能解決傳統高中生物學課堂無法實現的學生能力培養目標。由于研究時間和學生受眾上的限制，高中生物學內容中能實現STEM 項目設計的還沒有全部得以實施。此外，本研究設計的過程性評價和終結性評價工具還需更多案例的使用及相關問題的收集以便進一步修訂。這些都是未來可繼續進行的研究。

STEM 項目不僅僅是科學、技術、工程學、數學的簡單相加，而是在實驗和設計過程中綜合運用相關學科解決問題。雖然每一個項目不一定將所有學科的作用都發揮得淋漓盡致，甚至于只是對個別1～2 個學科集中進行了利用。但是反思起來看，STEM 項目的設計和實施無需拘泥于挖空心思設計出一個項目，將數、理、化、生、工程、技術統統一覽無余，而是按照本研究在3.1 章節所提出的，通過對學生的興趣依據已有資源的基礎之上確定主題，這才能真正解決學生的實際問題。

本研究由于實施時間和人員條件有限，沒有從數據上落實學生、教師對STEM 項目的有效性和適用性分析，但是已有成果仍然能夠對STEM項目的設計、實施、結果有所支持。STEM 從課上到課下的設計與實施將不會停滯，生物學科仍然會成為未來STEM 項目設計的重要支持，相信目前所遇到的問題將在未來的研究中進一步完善。