融合STEM教育的中學生物教學實踐

蔡英娟

摘要：通過展示植物染料“書峰青黛”的提取應用拓展教學案例，呈現STEM教育理念在中學生物教學實踐中的融合，探討地方特色教學資源開發和利用的策略，并結合案例特點進行藝術拓展，實現青黛扎染工藝品的輸出。

關鍵詞：STEM教育 中學生物 教學資源

中圖分類號：G633.91 文獻標志碼：B

1前言

在全球理科課程改革全面鋪開的今天，《普通高中生物學課程標準（2017年版）》緊跟時代發展步調，將科學、技術、工程學、數學融入生物學課程，并在學業質量中強調了學生跨學科的認識與實踐能力的培養。

然而，高中生物學課程中如何設置、教學如何開展STEM教育，如何將地方特色教學資源引入學生的生活經驗、問題解決中，進行科學探究、工程設計，實現STEM教育理念在中學生物教學實踐中的融合，是提升學生綜合素養與生物學學科核心素養的重要窗口。

STEM教育強調讓學生獲得將知識進行情境化應用的能力，同時能夠理解和辨識不同情境的知識表現。因而，學習任務的設計必須從現實世界中出發，若教師選擇結合地方特色動植物資源，創設特定的問題情境，則更能激發學生的學習動機和增強學生的生活體驗，使學生獲得成功愉悅的社會性成長。

設計特定情境的學習任務時，項目問題不僅要基于真實的生活情境，還要能嵌合中學的結構化知識，讓學生將學習鑲嵌在運用該知識的情境之中來解決問題，同時還必須考慮學習者的特征。只有充分考慮這些細節，設計出的學習目標才具有價值，有意義的學習才可能發生。

2案例：“書峰青黛”提取應用拓展教學

書峰青黛主要是指從爵床科多年生植物馬藍草提取的植物染料，中醫上亦可入藥;因其生長于海拔350～500 m的仙游書峰鄉，而聞名。青黛在民間的使用范圍較廣，其中用于織品的扎染較為特色，且因扎染呈現的藝術效果極佳，完成的作品具有極強的流傳效應。故選擇“青黛的提取和應用”在中學開展STEM項目課程可以激發學生濃厚的學習興趣。

但青黛的傳統提取方法較繁瑣，且流程中馬藍葉的采摘時期、葉的成熟度和提取時所需的化學藥品份量及濃度等全憑操作者的經驗。缺乏經驗的操作者則很難成功提取到上等的青黛。基于此，高二學生依據自身的學習特點和實際操作能力，同時根據亞歷克斯·奧斯本檢核表法，開展橫向思維活動，以直觀、直接的方式提出相關問題：①探究馬藍的生長環境（光照、溫度、二氧化碳濃度等）對青黛提取率的影響;②探究馬藍植物的種間關系（共生動植物、競爭性植物、天敵等）;③探究馬藍采摘季節對青黛提取率的影響;④探究馬藍葉的不同成熟度對青黛提取率的影響;⑤設計符合生態學原理的馬藍生態系統，探究人工種植的可行性;⑥計算青黛提取物與馬藍葉質量的比例關系;⑦探究馬藍葉提取青黛與綠葉中提取色素的工藝流程異同點;⑧探究傳統提取工藝中石灰石濃度對青黛提取率的影響;⑨探究科學提取青黛的工藝流程（改良或替換化學藥品）。

在充分分析學校學習環境條件及高二學生實際能力的前提下，教師可以依托學校跨學科的教學資源，嵌合中學生物基礎知識，選擇合適的問題進行學習任務的具體設計，讓學生將所學的跨學科知識鑲嵌在該特定情境之中來解決問題。

STEM項目的學習任務確立為：探究傳統提取工藝中石灰石濃度對青黛提取率的影響。該學習任務涉及的STEM學分布如圖1所示。通過圖1，教師可以對課程的核心知識及其關系予以可視化展示與管理。這種結構化的知識地圖可以讓學生清晰地認識學科知識地圖與所學項目之間的關聯，可以清晰學習項目中涵蓋的每個學科知識，并明確其覆蓋的強度、頻度。

如果學生在項目學習中出現某知識點的結構性缺失，教師就可以通過定向覆蓋的學習問題或項目設計進行平衡調節。教師根據學習任務，進一步確立教學目標：①科學方面：認識植物細胞的結構和細胞膜的功能，探究石灰石濃度對馬藍葉色素的提取與分離的影響;結合物理學知識，提出溶液滲透壓對實驗的影響;結合化學知識，根據馬藍葉色素能溶解在有機溶劑中，提出科學的青黛提取方案，并注重溶液酸堿度對實驗的影響。②技術方面：列出青黛提取時對石灰石濃度要求的思路;設計相關的實驗，設計石灰石的使用說明書;搜集資料，了解青黛應用于扎染的研究進展;使用計算機軟件分析實驗結果;③工程方面：根據研究問題，設計實驗裝置制作方案及探究實驗方案，實施方案，評估和改進方案;預估工程方案所需的人力、物力、財力;評估工程實施的質量、效果。④數學方面：計算青黛提取物與馬藍葉質量的占比，了解不同程度的馬藍葉中青黛的提取率：分析不同濃度石灰石對青黛提取率的影響，設計表格記錄實驗結果，用曲線圖等數學形式展示研究結果和結論。

3驅動項目的工具資源設計

為了促進STEM項目的順利進行，教師應充分發揮引導性作用，為學生提供相對豐富的學習資源。資源內容可以包括該項目學習問題的詳細信息和必要的預備知識，以及預設學生在解決學習問題過程中可能需要查閱的信息。

例如，在“探究傳統提取工藝中石灰石濃度對青黛提取率的影響”的STEM項目學習任務中，教師需要引導學生采集與之相關的必備知識和感官體驗，從而進行設計科學合理的項目思路和執行方案，具體表現在通過信息化工具獲取“傳統工藝中提取植物染料的技術流程”“國內植物染料的人工提取技術演變”“工業染料的現代化制造流程”“蘇杭織物的傳統扎染技術”等;通過調查體驗獲取“書峰青黛的傳統提取工藝流程”“扎染和織物特性的關系”“扎染與藝術審美”的感官體驗。同時，師生要根據學校現有的學習環境和創設性改良的未來學習環境，對項目推進中需要用到的設備、器材和各種信息化工具進行預估，對于項目工程所需的人力、物力、財力進行預算，預估工程實施的質量、效果，預設方案實施中可能出現的難題及解決方案。

4支架式項目報告單的開發

STEM項目的完成過程需要學習者自主學習、意義建構，然而在缺乏指導的學習中，學生可能會因受失挫而失去深入探究的興趣，也可能因錯誤線索的引導而偏離預期的方向。因此，針對學生問題解決過程中可能遇到的困難，教師提供起支撐、承載、聯結等作用的支架，是確保學生在最臨近發展區內進行學習并解決問題的關鍵。

教師應根據不同學生在不同問題的解決過程中所采用的學習路徑和遇到的具體困難，為學生搭建精準的“項目支架”，減少學生在項目推進中出現的學習行為和學習目標的偏離，為學生創建“有援”的學習環境，成為學生意義建構的幫助者、促進者。

在STEM項目教學中，支架式項目報告單（表1）可以讓學生通過模仿、內化一些有經驗的學習者所經歷的思維過程，通過復雜的真實情境體驗，明確完成項目的大概程序，進而通過融合小組合作的集體智慧，創新性地提出契合項目目標的方案，獲得可以獨立完成任務的初步技能。

需要注意的是，在項目推進過程中如果學生遇到問題，教師應該予以有效的支持。這種支持不是直接給出答案，而是幫助學生梳理項目方案設計中遇到的難題，提供相互匹配的多方資源，啟發學生認識到自我的潛在發展空間，使學生不但可以借此解決情境問題，還可以將教師引導的遷移到自己的學習中，培養獨立學習的能力。

5延伸STEM項目的藝術拓展

馬藍葉中提取的青黛成品，因提取時的石灰石濃度不同而呈現出深淺不一的色澤，豐富的靛藍色調在民間多用于織品的扎染。因中國古法染布絞纈（扎染）的手法多樣多變，配合扎染和織物特性的關系，通過對織物進行扎、縫、縛、綴、夾等多種形式組合，呈現多種中國風的紋樣圖案。扎染作品呈現的藝術效果極佳，且可結合織品進行裁剪縫制設計出精美的服飾用品，并可結合學生的特長進行扎染作品的產品包裝設計，實現青黛扎染工藝品的輸出，完成的作品具有極強的流傳效應。

該項目推進過程中，因青黛的應用可結合“扎染與藝術審美”，傳播中國傳統文化，為學生帶來了極具沖擊力的感官體驗。學生在項目進行中始終飽含高漲的學習興趣和學習熱情，充分激發了內在的學習動機，在解決情境問題的同時，體驗了獨立學習的快樂感，并獲得了富有的成就感。

6結語

STEM項目研究中，教師應注重從S、T、E、M四個維度進行研究方案的設計指向，項目研究中的方案實施、科學論證和反思等過程，數據的收集、分析和基于證據的預測、解釋等都指向了“科學探究”。另外，基于核心素養發展的教學尤其應注重項目研究中的“工程設計”維度，它強調學生在新情境中能夠利用對原理、規律的認知來嘗試自主設計方案和科學建模等，在解決生物學問題的同時促進學生高階思維的發展。

STEM項目內容的整合因涉及各學科內部和學科之間的整合，使得STEM項目本身存在跨學科知識糅合的復雜性、學科跨界的不確定性。該項目對學校課程設置和教師課程開發、設計能力等引發的挑戰都是巨大的，但是融合STEM理念的項目創新在助力學生思維的成長、提升學生問題解決意識、能力方面和促進教師對學生的多維、多元評價方面的貢獻是不容忽視的。