美國高中的STEM教育生物學案例研究

摘 要：隨著美國為了培養技術性人才而將STEM教育計劃列為國家發展的核心任務之一，為了解決綜合性人才稀缺的難題，世界各國也逐漸開始推廣STEM教學理念。這些年來，STEM教育對美國各大洲的教育都產生了深遠的影響，使得教育體制得到了很大的改善，起到了良好的促進作用。

關鍵詞：技術性人才 STEM教學 生物學

一、STEM 課程的特點

STEM教育的核心是尋求科學、技術、工程和數學四大領域之間的邏輯關系，然后將其呈現在教育中，通過實際的動手操作來將理科教育的本質向學生展示，鼓勵大家通過動手來將技術理論和實際真知相結合，來挖掘數學和科學在我們實際生活中的更深層次應用價值。STEM課程教學理念遵循的是擴散性教學和探究型學習，希望借助有實際操作性的課程項目專題為載體來完成對于課程核心思想和內容的傳遞。[1]

一般來說，STEM課程的目的是讓學生動手解決一個具有挑戰性的課題，將科學和數學所需要學習的相關內容融入教學過程讓他們可以自己通過實踐獲得真知并將二者良好的融合在在一起。所以，STEM課程的特點非常鮮明，它具有良好的綜合性、動態性、回歸性和實踐性。在對美國STEM教學推行進行研究的過程中，我們發現美國課程中在實際推進 STEM 課程教學過程中，發現美國雖然在教學過程中的學科資源相對豐富，但在對于技術課程推動時市場會遇到一些例如設備場所的不完善的限制條件。[2]

二、STEM 教育中生物學案例研究

本文以美國高中生物學課堂中的一項動手實踐類STEM教學案例作為參考進行深入研究，此案例為“色覺輔助眼鏡”的設計與研發。

1.課程形式分析

該案例是STEM教育生物學中典型的動手實踐類案例，它分為四個階段：第一個階段時長為一個課時，目的是向同學們介紹基礎的生物知識（如人眼球結構、視網膜組成、視覺形成過程）作為科學的理論基礎；第二個階段也是一個課時，目的是通過技術引導來鼓勵學生的創新型思維，例如教他們如何使用在線色覺測試軟件，如何通過色彩的飽和度、對比度來判斷當下色彩的敏感度得分，為他們接下來的色覺輔助眼鏡設計搭建理論與基本技術平臺；第三階段需要兩個課時，這個階段需要培養學生的協作能力和工程搭建能力。換而言之，同學們需要與隊友進行溝通、交流、探討，從而決定產品設計的機械結構、外觀、交互界面的設計理念，最后將理念付諸實踐；最后一個階段也是兩個課時，需要培養學生的數學分析能力，在這個過程中，學生需要佩戴上他們自己設計的色覺輔助眼鏡參與到在線色覺測試中，通過對樣本數據的采集進行統計圖表的制作，然后再通過數學分析來對產品進行有效的驗證和分析；

2.學生能力分析

對于學生而言，想要完成這個挑戰需要做到以下幾點：①設計眼鏡：學生需要自行對相關資料進行搜索，然后完成構想，將空間想象力、色彩感知力、造型創造力通通應用上；②制作眼鏡：這個階段需要學生的觀察能力和動手能力，學生需要自行選取合適的原材料并對普通眼鏡進行構造分析，再結合分析結果對自己的在作品進行搭建；③原理思考：這部分需要學生在制作中對應用到的色彩敏感度和視網膜組成相關知識進行思考，然后合理想象該如何將理論付諸于實踐中，例如：思考如何通過對外因（如鏡片屬性）的改變實現視錐細胞工作效率的提高。

3.課程目標分析

本課程的目標是為了提高學生科學、技術、工程和數學四大領域的基礎認知并且通過實踐動手操作培養學生的創造力和將知識運用到實際生活的實操能力。對于課程任務是否達標我們有六個參考項：科學性、可靠性、有效性、美觀性、創意性和合作性。科學性指的是是否合理運用了相關的生物課程知識；可靠性指的是采樣數量是否充足；有效性指的是是否有效的將敏感度測試分提高了；美觀性指的是設計是否符合大眾審美；創意性指的是是否可以達到讓人眼前一亮的程度；合作性指的是團隊分工明細程度和配合默契度。由次可見，這六個評分點都是根據STEM課程的目標來進行設置的，相對來說比較合理。

4.學科要素分析

一般來說，STEM教學是融合了科學性、工程性、技術性、數學性這四種學科特性而得出的一門綜合性強、實踐性強、創新度強的三強課程。在色覺輔助眼鏡的教學案例中科學體現在生物知識的普及階段，幫助同學們打下扎實的科學理論基礎；技術性體現在色覺測試軟件的教學過程，幫助同學們掌握最新測試技術并應用于實踐；工程性體現在色覺輔助眼鏡整個的搭建過程；數學性體現在數據的采集以及分析。[3]

三、STEM教學對生物學教學的啟示

在對STEM教學過程的分析中，我們發現這種生物學案例不但沒有增加學生的課余負擔，還極大的賦予了學生對于學習的掌控權，大幅度提高了學生對于學習的熱情和積極性。所以通過對STEM教學生物學案例的研究，我們對于學生的培養應該注重學習自主性培養、科學創新性培養和實踐創新性培養才可以更好的達到高等教育的全面化教育目標。

結語

作為一門實驗性學科，生物學不僅與醫學類學科密切相關，也與生物工程和生物技術等相關領域緊緊關聯，這樣的兼容性學科對于未來STEM教育在中國的發展和落實的進程中一定會發揮著重要的作用。

參考文獻

[1]趙中建.致力于 STEM 教育的“項目引路”機構[J].上海教育，2014，02.

[2]鐘柏.美國 STEM 教育變革中“變革方程”的作用及其啟示[J].中國電化教育，2015，05.

[3]程亮，鄭曉蕙.美國中學生物學課程中的STEM教育理念及其啟示[J].生物學教學，2017，02.

作者簡介

龐超，女，漢族，籍貫：江蘇省淮安市，研究方向：高中生物。