基于無土栽培社團的STEM課程開發的實踐研究

王朝勇

無土栽培，是指以水、草炭或森林腐葉土、蛭石等介質作植株根系的基質固定植株，植物根系能直接接觸營養液的栽培方法。無土栽培中營養液成分易于控制，且可隨時調節。在光照、溫度適宜而沒有土壤的地方，如沙漠、海灘、荒島，只要有一定量的淡水供應，便可進行。STEM課程重點是加強對學生四個方面的教育：一是科學素養，即運用科學知識（如物理、化學、生物科學和地球空間科學）理解自然界并參與影響自然界的過程;二是技術素養，也就是使用、管理、理解和評價技術的能力;三是工程素養，即對技術工程設計與開發過程的理解;四是數學素養，也就是學生發現、表達、解釋和解決多種情境下的數學問題的能力。 基于無土栽培社團的STEM課程的開發是以小學科學課程為載體，以無土栽培社團的科技實踐活動為依托，進行STEM課程開發。從STEM教育理念下小學科學課程標準的變化、研究者的自身價值取向、學生的學習情況與興趣三方面進行課程開發的情境分析。對無土栽培與蘇教版小學科學新教材相聯系的內容進行了分析、選取與整合。借鑒前人研究成果，即STEM素養能力框架，以及我國現有的學科課程標準，制定無土栽培STEM課程目標。形成無土栽培STEM課程方案，并將課程付諸實踐，總結經驗，供同行在開發相關STEM課程時借鑒參考。

隨著社會的發展，創新人才的培養成為了當下社會的迫切要求，以培養創新型人才的STEM教育越來越受到我國的關注。2017年，我國頒布新的《義務教育小學科學課程標準》，與原來的標準相比，有了許多重要的變化，其中最引人注意的是：新增“技術與工程”領域的內容，體現了“做中學”的教育思想，旨在將學生的學習與現實生活、社會發展相聯系;另外，凸顯了STEM教育的發展趨勢，強調學科之間應相互滲透與聯系，提升學生綜合運用不同領域知識與方法、理解自然現象和解決問題的能力。

筆者所在學校多年前就建立了學生科學種植實踐基地和溫室陽光房，其中進行的無土栽培實驗項目是學?？茖W教育的特色項目。筆者認為這是一個將課堂教學與STEM教育理念中的科學、技術、工程、數學相結合的良好契機，可以為學生的“做中學”“學中思”、接觸技術與工程學習提供機會，同時還能夠豐富原教材內容，拉近課堂學習與生活的距離，讓學生既能夠獲得知識，還能夠體會到科學技術、工程設計對我們生活的影響。因此，探索并實踐本土化的無土栽培STEM課程開發研究的課題便孕育而生。

一、選擇項目，保證課程開發的條件

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，無土栽培已經成為了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。

參與無土栽培實踐活動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，甚至進行錯誤的操作，這同時也就是在為學習創造了機會。這種基于動手實踐和研究探索的活動才能真正喚醒學生與生俱來的創造力。

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，營養液配制涉及數學知識，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。

因此，無土栽培實踐活動是個完全具備STEM教育特征的項目選題。

二、建立基地，保證課程開發實施

植物的栽培往往需歷時幾個月，我校結合“雙減”政策的落實，即：為持續規范校外培訓，有效減輕義務教育階段學生過重作業負擔和校外培訓負擔，為中高年級學生開設了社團活動和課后托管服務，所以我們有充足的時間去開展無土栽培活動，并且在活動中不斷去開發完善無土栽培的STEM課程，邊開展邊開發。

我校有現成的溫室陽光房和無土栽培的設備，我們的溫室陽光房主要進行的就是無土栽培的研究活動，內容主要有基質栽培（包含箱式基質栽培、磚槽基質栽培）、水培（包含管道水培、箱式水培、立體式水培）、箱式氣霧栽培。選擇的栽培品種主要有圣女果、甜瓜、奶油小白菜等。我們育苗主要采用了穴盆育苗的技術。學生們在整個無土栽培活動中經歷了育苗、移植、營養液配制、日常管理、采收等一系列的研究活動。另外我們在活動中結合發現的問題，進行了《金圣女的基質栽培與水培的對比實驗》《氣霧培移植作物成活率的提高研究實驗》，通過研究實驗和活動，學生們感受到了科技的神奇力量，在活動中培養了學生們善于發現問題、研究問題、解決問題的能力。

三、規范流程，保證課程開發的質量

無土栽培STEM課程的開發可以分為多個環節進行，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。

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？等等，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，學生可以采用科技宣傳小報、PPT等形式，還可以采用小論文、調查報告、小視頻等形式。

2. 認識無土栽培的相關設備

教師帶領學生觀察學校的基質栽培、水培、氣霧培等無土栽培的設施，介紹各部分的名稱，然后請學生完成以下任務，如：認識無土栽培設施各個部分的功能;明確水培設施中液體的流動路徑;估算一個水培架或氣霧盆的儲液量;對于這些無土栽培的設施，你認為設計方面還有哪些不足需要改進之處？如何去改進？等等。

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。

3. 學習無土育苗

育苗是將植物從種子培育成便于移栽的幼的過程。育苗過程歷時較長，約為1—2個月。對于沒有經驗的學生來說，育苗很容易失敗，所以育苗環節的關注點在于實踐和研究，而不需要強求育苗的成功率。教師可以自己先培育一些現成的幼苗來進行移栽，既節省時間又能保證后續學習環節正常進行。

教師先通過視頻和演示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。

4. 學習營養液的配制

教師首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，以及營養液配置的原則。對于小學生，我們只要讓學生學會按照一定比例進行配比即可，不需要了解太多營養液的成分知識。但是老師要提醒和幫助學生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。

5. 無土栽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定植杯或氣霧定植籃進行培育的過程，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？

無土栽培的植物生長狀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營養液的增加等問題。隨著植物的生長，營養液會不斷消耗，溶液的營養物質可能發生改變。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定的任務，讓學生負責日常管理。

四、基于無土栽培社團的STEM課程開發的反思

本課程作為小學科學STEM課程開發的又一探索路徑，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，教師應該循序斬進，給予適當地引導，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，研究過程記錄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。

依托特色社團活動來開發STEM課程是從學校層面發展STEM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STEM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？學習過程中學生是不是真正成為了主人？問題的解決過程是否有助于深層次思維的訓練？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？STEM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STEM教育，不是仿其形，而是要學其神。