在生物學拓展實踐中培育學生的STEMx素養*

周建中 張 鑫

（中國福利會少年宮 上海 200040）

1986年，美國國家科學委員會發布報告《本科的科學、數學和工程教育》，提出了“科學、數學、工程和技術教育集成”的綱領性理念，旨在打破學科之間的界限，培養學生的理工素養，這被視為STEM 教育的里程碑。之后，美國國家基金會將這4 門學科簡稱為SMET 教育。2001年，正式更名為STEM，成為4 門學科的統稱，并將其稱為教育的一次全新嘗試，目的是提倡問題解決驅動的跨學科式理工科教育［1］。2006年，當STEM 教育理念真正用到實際教學中時，美國學者格雷持·亞克門［2］在原有STEM教育的基礎上，將藝術（art）作為一個重要因素加入其中而提出STEAM 教育。隨著STEM 教育發展的過程中不斷地豐富學科范圍，最終擴展到STEMx 教育，這其中的x，意味無限可能，代表了學生科學精神和綜合能力的延伸，強調社會價值、人文藝術、信息技術與STEM 的融合［3］；x 進一步細化為跨學科素養、科學探究素養、工程設計素養、深度協作素養、表達交流素養。而生物學科以其與真實的自然、生活、問題情境聯系最為密切，并具有實驗性、開放性、拓展性、體驗性強的特點，非常適合在生物學拓展實踐中培養學生上述的STEMx 素養。

1 培育跨學科素養

與STEMx 培育跨學科素養對應的是《普通高中生物學課程標準（2017年版）》中要求的“要注意學科間的聯系”。自然界是一個統一的整體，自然科學中的生物學、物理學、化學等各門學科的思想方法、基本原理、研究內容有著密切的聯系。生物學與數學、技術、工程學、信息科學是相互滲透、共同發展的［4］，由此衍生的生物統計學、生物化學、生物地理學、生物工程學、生物信息學，都說明了生物科學具有跨學科融合的特性。這也為培育學生在生物學實踐中形成跨學科素養創造了條件。但生物學與人文社會科學的跨界融合，目前關注與實踐的并不多。鑒于此，筆者認為可在筆記自然和科學游記2 個方面進行跨學科素養的培育。例如，在進行北師大版《初中生物八年級上冊》“家蠶的生殖和發育” 學習時，教師可設計飼養家蠶的拓展活動，指導學生用筆記自然的方法記錄家蠶“卵—幼蟲—蛹—成蟲”的生長變化過程，從而更好地理解蠶是完全變態發育的概念。又如，進行人教版《初中生物八年級上冊》“認識生物的多樣性”學習時，教師可設計在植物園、動物園或生態保護區進行實地觀察，指導學生用科學游記的方法記錄所見、所聞、所思，并最終進行表達交流。以上2 種方式，將生物學與美術、語文進行跨學科融合，在生活環境中，給學生釋放更多的回歸自然空間，讓其帶著自然之美、探究之質、記錄之思在筆記自然、科學游記的同時，感悟科學之美，培育跨學科素養。

2 培育科學探究素養

STEMx教育的核心是科學教育，而科學教育的關鍵是探究［3］。科學探究既是生物學學科核心素養，也是生物學課程內容的重要組成部分。生物學中的諸多現象和問題，與自然、環境、生活密切相關。培育科學探究素養，就是要引導學生在真實的生活環境中，發現現實世界中的生物學問題，并將問題引入教材的學習及拓展實踐中。例如，在進行人教版《初中生物七年級上冊》“生態系統”拓展實踐時，可引入電影《狼圖騰》中的片段：人們趕到大雪湖尋找狼貯備的食物，發現了一只活的小黃羊，比利格阿爸卻要求將那只黃羊放生。這時，教師引發學生思考：當時食物匱乏，為什么還要將那只與綿羊爭奪食物的黃羊放生？再引導學生理解：其實這里蘊含著生態學的道理。如果狼的食物都被人取走了，狼就會攻擊更多的綿羊；如果黃羊種群同時存在，則綿羊被狼攻擊的可能性就會減少。這就是生態平衡，即在草原上，草、食草動物（黃羊、旱獺、野兔、草原鼠）、人類飼養的動物（綿羊）、食肉動物（狼），以及它們所處的環境之間達到一個相對穩定的動態平衡狀態。經過之前的鋪墊，提出探究的主題 “生態瓶穩定性探究”，并運用5E［5］探究式教學模式進行探究素養培育（表1）。

3 培育工程設計素養

工程學是指設計解決方案的流程的科學，工程學的流程包括為制作生產產品所需要的圖紙和模型［7］。在生物學教學中滲透STEMx 教育理念是未來的發展方向，也是課程標準的要求。如何將生物學和工程學進行整合，從而更好地培育學生的工程設計素養，是生物學教育中體現STEMx 教育理念的關鍵。工程的關鍵是設計，設計是建立在高階思維上的想象和創造，因此，在生物學教學指導中，教師應創設學生進行設計的空間。例如，在進行人教版《初中生物七年級上冊》“種子萌發的環境條件”實驗時，教師可先引導學生按“我的設計”要素進行設計（表2）。

表2 “種子萌發的環境條件”實驗“我的設計”要素

此外，在生物學實驗教學中，很多實驗需要借助模型以加深對概念的理解，這時可讓學生嘗試進行設計，例如：設計血細胞模型、噬菌體模型、測試反應速度快慢的實驗裝置等。美國學者莫里森［8］認為，設計是認知結構的過程，也是學習產生的條件。所以在實驗中，引導學生對現實生活中的問題進行思考，根據已有技術和條件進行設計實驗、建立模型，也是維持和激發學習動機、保持學習好奇心的重要途徑。

4 培育深度協作素養

STEMx教育具有協作性，強調在群體協同中相互幫助、相互啟發，進行群體性知識構建。生物學課題研究的問題往往是真實的，真實任務的解決離不開同伴、教師或專家的合作［9］。筆者曾經指導的“幾種蔬果提取物對花葉芋試管苗生長的影響”課題研究［10］中，就是基于學生不同空余時段、選擇的不同材料、研究不同階段的情況，引導學生進行協作研究（表3）。

表3 “幾種蔬果提取物對花葉芋試管苗生長的影響”課題協作分工情況

在整個課題研究中，通過分工協作，一則可讓研究有序、有質、有效地進行，二則可培育學生的協作素養，觸發學生懂得一個人的能力是有限的，只有不斷發揮各自所長，分享各自智慧，才會有更大的成功與收獲。

5 培育表達交流素養

建構主義指出，學習環境的四大要素包括情境、協作、會話和意義構建。其中的“會話”可理解為商討、表達、交流。這與STEMx 的表達交流素養相呼應。基于生物學跨學科融合性極強的特點，也就賦予其更多的表達交流形式，這為在生物學拓展實踐中培育學生的表達交流素養創造了有利條件。常見的包括在拓展實踐中，學生收集和分析學習資料、表達和驗證假設、評價成果過程中的交流；在課題完成后，通過班級、學校、區市級有關科技類活動的答辯展示交流；通過海報形式，宣傳課題的研究意義成果；通過專業的學術期刊發表課題的研究報告，進行學術交流。此外，可通過與藝術融合的形式，例如，采用科學表演秀的方式，向觀眾展示生物科學的奧妙。筆者曾指導的科學表演秀《多色花》，科學原理源自學生對甘藍汁液遇到酸堿能顯色反應的學習收獲，在課后制得甘藍pH 試紙，并用其制得“多色花”進行實驗表演。劇情設計源自學生感興趣的科學知識和自身積累的童話故事的整合；劇情的呈現是以生活中的語言以對話這一簡單形式進行；劇中所涉及的材料是生活中最常見和方便使用的。從課內到課外、從學生到演員、從教師指導到家長參與，一場科學表演秀巧妙地將科學原理、實驗現象融入而使科學與藝術完美結合，學生在時空轉化、角色表演的深刻表達交流的體驗中，以最直接最深刻最有趣的表達方式感悟自然科學。

STEMx 教育的內涵注重培育學生跨學科、科學探究、工程設計、深度協作、表達交流素養，從小養成獨立思考、追求新知、敢于創新、勇于實踐、樂于合作的習慣，這與我國一直提倡的培養具有綜合素養、全面發展的人的教育目標一脈相承，它對我國未來教育發展具有重要意義［3］。生物學作為一門探究性實踐性極強的學科，又與多學科領域緊密聯系，一定會在STEMx 教育本土化實踐探索中發揮重要作用。