基于 STEM 理念的高中生物綜合實踐活動

陶如夢

2017年，教育部《中小學綜合實踐活動課程指導綱要》（以下簡稱《綱要》）明確指出，綜合實踐活動是從學生的真實生活和發展需要出發，以生活情境中發現的問題為主題，通過探究、服務、制作、體驗等方式，培養學生綜合素質的跨學科實踐性課程。這對學生的素質提出了更高的要求。STEM教育方式鼓勵學生面對真實的問題情境，綜合運用跨學科知識和方法解決實際問題，在做中學，提升科學精神和創新實踐能力，突出對學生創新思維和實踐能力的培養。本研究以小型無土栽培裝置的設計制作為例，探索設計基于STEM理念的高中生物綜合實踐活動課程。

一、STEM視角下綜合實踐活動的設計

STEM教學必須以跨學科知識為載體，讓學生在真實的情境中通過協同合作的方式最終解決實際問題。STEM教育根據具體目標分成驗證型、探究型、制造型和創造型四種模式，綜合實踐活動常采用制造型應用模式，本研究嘗試將制造型STEM教育理念整合到綜合實踐活動課程中。

1. 活動流程

本研究綜合實踐活動的教學流程包含五個環節，具體見下圖。

2. 活動具體實施

情景引入，問題驅動。教師通過講解、展示圖片、播放視頻等方式向學生介紹無土栽培原理等相關知識，展示學生生活中熟悉的陽臺無土種植蔬菜的圖片，請學生交流討論自己的看法。隨即引出實現無土栽培技術的營養液，介紹其組成成分及配制方法。最后設置疑問：“我們能不能設計出一個適合課室綠化的無土栽培裝置呢？”引出活動主題“小型無土栽培裝置的設計與制作”。

小組活動與探究學習。學生進行裝置設計前要進行深入探究，教師展示家用小型無土栽培裝置簡易實物，介紹裝置的構造及運作原理。學生在教師的指導下，以小組為單位動手拼裝裝置，認識水培裝置的連接和組合方式。

藝術設計與工程制作。學生通過小組合作畫出小型無土栽培裝置設計圖，標注所設計裝置的結構、材質、尺寸，并闡述設計思路。設計前，教師從三方面重申約束條件，幫助學生把握裝置整體布局。（1）工程方面的要求：①作品方案圖空間布局疏密合理，整體美觀；②具備貯液池、栽培槽、循環系統、控制系統等基本設施；③裝置大小匹配教室、宿舍陽臺的可利用空間；④對方案圖的結構、材質和尺寸進行標注。（2）生物因素方面的要求：植物生命活動所需要的水分、陽光需得到滿足。（3）成本核算方面的要求：總價不超過400元。設計過程中教師給予適當的指導，如所畫裝置如何滿足營養液的循環，如何使得設計裝置更具藝術性等。方案設計完成后進行分享交流，各小組互評，同時小組成員在教師和組間同學的啟發下對方案設計圖反復修改，形成一個完整的設計圖。最后學生將成果付諸實踐。

實踐檢驗，測試改進。組織學生對所購買的材料和組件進行組裝和調試，觀察水培設施運行情況，檢查是否存在漏液、堵塞、運行不正常等情況。學生小組根據興趣選擇培育的植物，并對培育的條件、種子的萌發、培育周期、注意事項等展開學習。培育苗轉移至無土栽培裝置后進行對比實驗探究，分別探究缺氮、磷對植物生長速度、植物葉片生長狀態及根冠比的影響，對植物生長情況進行觀察記錄，最后完成實驗報告。

成果展示與多元評價。在經過測試及完善設計方案之后，小組成員進行成果匯報與分享，上臺展示小組作品的設計思路、功能作用以及不足之處。教師及小組成員點評他人作品并評分，小組成員填寫自我評價表自評，促進生生、師生間的積極交流，鍛煉學生的語言表達及觀察能力。

二、教學效果分析

課程前后，分別以問卷調查形式分析教學效果和學生的學習體驗。問卷題目主要由STEM能力、STEM思維、STEM態度三個維度構成。

以前測與后測的均值進行比較，STEM能力、STEM思維平均得分均有所提升，差異顯著性分析前后具有顯著差異，說明該項實踐活動能極顯著地提高學生的STEM能力和STEM思維。在STEM態度方面，前、后測數據雖無顯著差異，但后測平均得分提高較明顯，說明該實踐活動能在一定程度上轉變學生對STEM的認識和態度。

1. 促進學生STEM思維的發展

項目任務的順利完成，需要學生綜合考慮多學科的知識與方法。其中，水培技術原理、植物種子育苗與培育涉及生物學知識；無土栽培管道體積及直徑的測量、水培植物生長情況的測量與記錄及營養液的配制，需要學生運用數學方法計算測量。在這個過程中，學生的跨學科學習方式和跨學科思維有所提升。對于有爭議的問題，教師引導小組之間互相學習，發表觀點和意見。學生個人智慧與集體智慧不斷碰撞，在交流質疑、設計創作、測試運行再優化修改的循環過程中反思評價，培養和提高了學生的批判性思維和創造性思維。

2. 提升學生的STEM能力

設計無土栽培裝置是一個富有挑戰意義的項目，學生解決項目，不僅要解決一系列的問題，還要求方案設計具有一定的美感。學生在設計和檢測后，針對發現的問題積極協作，討論解決的辦法，使得小組設計方案更加合理，提高了解決問題的能力。最后將探究缺乏無機鹽對植物生長發育的影響這一生物學知識綜合運用到裝置模型上，提升了學生實踐應用的能力。

三、教學反思與建議

1. 遵循循序漸進的原則

中學生的STEM素養普遍較弱，且STEM相關能力的發展是一個潛移默化的過程，需要教師持續進行教育。因此，教師需要避免急于求成的心態，在活動伊始或學生碰到難以解決的問題時，應多提供支架案例和直觀資源，使學生逐步養成主動學習的習慣，隨活動進行可減少材料與腳手架，給予學生更多自主學習時間，積極探索、動手實踐，幫助學生順利完成角色轉變。

2. 精心設計教學活動

活動時間的分割對活動的開展造成了阻礙，需要教師精心設計教學活動。為了保證活動的連貫性和完整性，教師可將項目活動劃分為多個子任務，通過組間競爭，調動學生學習的積極性，消除倦怠等消極情緒。此外還可適當增加獎勵機制，如鼓勵參加科技創新大賽、資助獎學金等，提高學生學習熱情。

3. 提高教師進行STEM教育的能力

STEM教育的實施要求教師充分了解STEM及教學策略，熟悉STEM項目實施的各個環節，具備良好的實踐能力和經驗，但目前大部分中小學教師缺少STEM教育經驗。學校應鼓勵教師參加培訓以提高自身的STEM能力，還可與相關企業、公司、高校開展合作，為STEM項目的實施贏得資金和資源上的支持。