基于生態(tài)素養(yǎng)培育的初中生物學(xué)STEM微項目研究

[中圖分類號] G633.91 [文獻(xiàn)標(biāo)識碼］A [文章編號] 1674-6058（2025）26-0065-05

《義務(wù)教育生物學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2022年版）》明確提出“跨學(xué)科實踐”要求，強(qiáng)調(diào)通過真實情境中的問題解決，培養(yǎng)學(xué)生的生命觀念、科學(xué)思維、探究實踐與態(tài)度責(zé)任等核心素養(yǎng)[1。然而，當(dāng)前初中生物學(xué)教學(xué)仍面臨三重現(xiàn)實困境：其一，傳統(tǒng)實踐課程多聚焦單一學(xué)科知識的驗證，缺乏對工程思維、技術(shù)應(yīng)用與生態(tài)倫理的系統(tǒng)性整合；其二，跨學(xué)科實踐評價工具缺乏，現(xiàn)有評價體系難以量化學(xué)生在復(fù)雜任務(wù)中的綜合素養(yǎng)表現(xiàn)；其三，數(shù)字技術(shù)賦能不足，物聯(lián)網(wǎng)、數(shù)據(jù)建模等新興技術(shù)尚未有效融入生物學(xué)教學(xué)場域，制約了學(xué)生高階思維能力的培養(yǎng)。

STEM教育作為跨學(xué)科整合的典型范式，不僅能幫助學(xué)生理解學(xué)科間的內(nèi)在關(guān)聯(lián)，也能為破解上述困境提供理論切入點(diǎn)，還能充分回應(yīng)生物學(xué)學(xué)科特質(zhì)與生態(tài)素養(yǎng)培育目標(biāo)的深層關(guān)聯(lián)，并通過微項自設(shè)計實現(xiàn)生物學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)與工程思維的深度融合。為此，本研究以“發(fā)酵食品工廠\"為實踐載體，聚焦生態(tài)素養(yǎng)培育自標(biāo)，探索初中生物學(xué)STEM微項自的開發(fā)路徑與實施效能，構(gòu)建生物學(xué)課標(biāo)要求與STEM要素的映射模型，并開發(fā)可量化的跨學(xué)科實踐評價工具。

一、文獻(xiàn)綜述與理論研究

（一）STEM教育理論的發(fā)展及其在生物學(xué)教學(xué)中的應(yīng)用

STEM教育作為跨學(xué)科整合的典型范式，其核心理念是通過真實問題的解決推動科學(xué)（Science）、技術(shù)（Technology）、工程（Engineering）與數(shù)學(xué)（Mathematics）的深度融合[2]。近年來，STEM教育已從通用性課程開發(fā)逐步轉(zhuǎn)向?qū)W科特異性實踐探索。

在生物學(xué)領(lǐng)域，相關(guān)研究多聚焦基因工程、生態(tài)修復(fù)等主題。例如，將生物學(xué)知識與工程建模整合于人工濕地設(shè)計項目，雖能深化學(xué)生對濕地功能的理解并優(yōu)化其在廢水處理、生態(tài)恢復(fù)中的應(yīng)用[3]，但其研究多局限于高中階段，缺乏對初中生認(rèn)知特點(diǎn)的適配性設(shè)計。此外，雖然系統(tǒng)生物學(xué)能借助工程學(xué)建模方法分析復(fù)雜的生物系統(tǒng)，合成生物學(xué)能借鑒工程學(xué)的設(shè)計理念來構(gòu)建人工生物系統(tǒng)，但此類實踐多停留于技術(shù)展示層面，未能與生態(tài)倫理目標(biāo)形成系統(tǒng)關(guān)聯(lián)。當(dāng)前研究的局限在于，多數(shù)生物學(xué)STEM課程僅將工程與技術(shù)作為輔助工具，尚未實現(xiàn)學(xué)科思維的深度交互滲透。

（二）生態(tài)素養(yǎng)培育的理論重構(gòu)與實踐轉(zhuǎn)向

生態(tài)素養(yǎng)被定義為理解自然系統(tǒng)運(yùn)行規(guī)律并據(jù)此做出負(fù)責(zé)任決策的能力，它不僅包括對生態(tài)學(xué)知識的掌握，更強(qiáng)調(diào)將這些知識應(yīng)用于日常生活決策，從而促進(jìn)可持續(xù)的生活方式，其核心涵蓋生態(tài)知識、環(huán)境倫理與可持續(xù)行動三個維度。聯(lián)合國發(fā)布的《改變我們的世界：2030年可持續(xù)發(fā)展議程》明確提出將生態(tài)素養(yǎng)納入基礎(chǔ)教育體系，2022年版生物學(xué)課標(biāo)亦將“態(tài)度責(zé)任”列為學(xué)科核心素養(yǎng)，要求學(xué)生在生物技術(shù)應(yīng)用中權(quán)衡經(jīng)濟(jì)效益與生態(tài)代價。

現(xiàn)有研究在生態(tài)素養(yǎng)培育路徑上呈現(xiàn)兩極化傾向：一類為知識灌輸型，通過生態(tài)案例講解傳遞環(huán)保理念，但缺乏實踐參與環(huán)節(jié)；另一類為活動體驗型，組織野外考察或生態(tài)調(diào)查，卻因脫離學(xué)科內(nèi)核導(dǎo)致學(xué)習(xí)碎片化。近年來，學(xué)界開始探索STEM教育與生態(tài)素養(yǎng)培育的耦合機(jī)制。例如，在水資源管理項目中應(yīng)用STEM框架，可促進(jìn)學(xué)生多角度理解水資源問題，并引導(dǎo)他們運(yùn)用工程設(shè)計、生態(tài)學(xué)原理等知識提出創(chuàng)新解決方案。這為本研究提供了重要啟示：生態(tài)素養(yǎng)的培育需依托具身化的技術(shù)實踐，并在跨學(xué)科問題解決過程中實現(xiàn)價值觀內(nèi)化。

（三）跨學(xué)科實踐與微項目式學(xué)習(xí)的融合創(chuàng)新

微項目式學(xué)習(xí)作為一種新興教學(xué)模式，通過短周期、模塊化的項目設(shè)計培養(yǎng)學(xué)生的高階思維能力。在生物學(xué)領(lǐng)域，其應(yīng)用多集中于模型制作（如DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)建模）或單一技術(shù)操作（如顯微攝影），缺乏針對復(fù)雜系統(tǒng)問題的多學(xué)科聯(lián)動探究。例如，在“城市農(nóng)場生態(tài)系統(tǒng)\"微項目中，雖可通過傳感器網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測植物生長與能量流動，初步實現(xiàn)生物學(xué)與工程學(xué)的深度整合，但其長達(dá)8周的課程周期，難以適配我國初中階段的課時限制。

為此，教師需重構(gòu)微項目設(shè)計邏輯，采用“問題情境 $$ 學(xué)科協(xié)同 $$ 知識建構(gòu)”的逆向設(shè)計路徑。例如，在“智能化發(fā)酵裝置優(yōu)化”任務(wù)中，要求學(xué)生同步調(diào)用微生物學(xué)（菌群代謝）物理學(xué)（熱能傳遞）與統(tǒng)計學(xué)（數(shù)據(jù)擬合）知識，進(jìn)而在技術(shù)迭代過程中深化跨學(xué)科理解。

（四）跨學(xué)科實踐評價工具的研究進(jìn)展與局限

當(dāng)前跨學(xué)科實踐評價體系面臨三重核心挑戰(zhàn)：一是維度單一化，過度依賴實驗報告評分，忽視對工程設(shè)計能力與技術(shù)應(yīng)用表現(xiàn)的考查；二是標(biāo)準(zhǔn)模糊化，對生態(tài)決策等軟性能力缺乏可操作評價指標(biāo)，多采用“表現(xiàn)出環(huán)保意識”等主觀描述性評價；三是反饋滯后化，傳統(tǒng)終結(jié)性評價難以支撐學(xué)習(xí)過程的動態(tài)調(diào)整與優(yōu)化。

針對上述問題，本研究創(chuàng)新性提出“三維動態(tài)評價模型”：在常規(guī)量規(guī)基礎(chǔ)上，增設(shè)“生態(tài)損益分析”“技術(shù)倫理反思”等生物學(xué)專屬評價指標(biāo)，并結(jié)合Arduino傳感器的實時數(shù)據(jù)采集功能生成能力發(fā)展雷達(dá)圖，從而實現(xiàn)評價過程的精準(zhǔn)化與結(jié)果呈現(xiàn)的可視化。

二、初中生物學(xué)跨學(xué)科實踐的現(xiàn)實困境、理論缺口與微項目框架構(gòu)建

（一）初中生物學(xué)跨學(xué)科實踐的現(xiàn)實困境

《義務(wù)教育生物學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2022年版）》明確將模型制作、植物栽培和動物飼養(yǎng)、發(fā)酵食品制作等列為跨學(xué)科實踐活動[1]。然而，當(dāng)前初中生物學(xué)教學(xué)在落實該課程內(nèi)容時仍面臨三重現(xiàn)實困境，導(dǎo)致生態(tài)素養(yǎng)培育目標(biāo)難以實現(xiàn)。

其一，學(xué)科整合表層化與生態(tài)聯(lián)結(jié)斷裂。傳統(tǒng)生物學(xué)實踐課程多遵循\"知識驗證\"邏輯。例如，在“發(fā)酵食品制作”教學(xué)中，學(xué)生僅需按既定步驟完成酸奶制作并觀察現(xiàn)象，缺乏對技術(shù)應(yīng)用（如傳感器控制）工程優(yōu)化（如裝置設(shè)計）及生態(tài)影響（如資源消耗）的系統(tǒng)性探究。這種重知識輕實踐、重結(jié)果輕過程的模式，使學(xué)生難以建立生物學(xué)知識與生態(tài)責(zé)任的意義關(guān)聯(lián)。

其二，評價體系單一化與生態(tài)素養(yǎng)評價虛化。評價內(nèi)容過度聚焦實驗報告的規(guī)范性，忽視跨學(xué)科能力的表現(xiàn)性評價；生態(tài)素養(yǎng)評價流于形式，常以“是否提及環(huán)保\"等籠統(tǒng)描述替代量化分析。例如，在“發(fā)酵裝置設(shè)計\"任務(wù)中，教師往往僅評估裝置的滅菌效果，而忽略學(xué)生對材料可降解性、能耗效率的考量。此類評價導(dǎo)向直接導(dǎo)致學(xué)生將生態(tài)責(zé)任簡化為口號式表達(dá)，未能內(nèi)化為實際行動邏輯。

其三，技術(shù)賦能工具化與認(rèn)知腳手架缺失。盡管物聯(lián)網(wǎng)、數(shù)據(jù)建模等技術(shù)逐步進(jìn)入生物學(xué)課堂，但其應(yīng)用多停留于“演示工具”層面，未能深度嵌入學(xué)習(xí)過程。例如，在部分學(xué)校開展的“智能發(fā)酵箱”項目中，Arduino傳感器僅用于采集溫度數(shù)據(jù)供教師講解，學(xué)生未能參與系統(tǒng)調(diào)試與數(shù)據(jù)分析；更突出的問題是，技術(shù)應(yīng)用與生態(tài)素養(yǎng)目標(biāo)脫節(jié)一學(xué)生雖能熟練操作傳感器，但無法解釋“實時監(jiān)控如何減少資源浪費(fèi)\"這一問題。這種技術(shù)與認(rèn)知的割裂，使數(shù)字技術(shù)淪為“為用而用”的裝飾品，而非支持復(fù)雜問題解決的認(rèn)知腳手架。

（二）初中生物學(xué)跨學(xué)科實踐的理論缺口

現(xiàn)有研究在生物學(xué)跨學(xué)科實踐領(lǐng)域雖取得了一定的進(jìn)展，但仍存在三方面的理論缺口，制約了生態(tài)素養(yǎng)導(dǎo)向的課程開發(fā)。

首先，STEM要素與生物學(xué)核心素養(yǎng)的映射關(guān)系模糊。當(dāng)前STEM教育理論多聚焦通用性整合框架，缺乏與生物學(xué)學(xué)科特質(zhì)的深度適配。以NGSS（新一代科學(xué)教育標(biāo)準(zhǔn)）中的“科學(xué)與工程實踐”為例，其提出的8項實踐能力雖具普適性，但未明確如何與“生命觀念”“態(tài)度責(zé)任\"等生物學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)建立關(guān)聯(lián)。這種理論模糊性導(dǎo)致課程設(shè)計者難以精準(zhǔn)拆解課標(biāo)要求。例如，“發(fā)酵技術(shù)”主題中“物質(zhì)與能量觀\"的培養(yǎng)，究竟需整合哪些工程思維（如系統(tǒng)優(yōu)化）與技術(shù)工具（如數(shù)據(jù)可視化），現(xiàn)有研究尚未提供可操作的映射模型。

其次，微項自式學(xué)習(xí)的生態(tài)導(dǎo)向設(shè)計邏輯不清。微項目式學(xué)習(xí)作為以學(xué)生為中心的教學(xué)形式，鼓勵學(xué)生主動建構(gòu)知識而非被動接受，學(xué)生通過參與實際項目可深化知識理解、反思學(xué)習(xí)過程并增強(qiáng)學(xué)習(xí)動力，但其在生物學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用存在兩大誤區(qū)：一是將微項目簡化為“縮短版項目”，存在碎片化傾向，如將“發(fā)酵工廠設(shè)計\"切割為獨(dú)立任務(wù)（如周一制作酸奶、周二繪制裝置草圖），割裂了生物學(xué)知識與工程迭代的協(xié)同關(guān)系；二是過度追求硬件復(fù)雜度（如使用高精度傳感器），存在技術(shù)本位傾向，忽視了生態(tài)倫理的滲透設(shè)計。究其根源，現(xiàn)有理論未能回答“如何在有限的課時內(nèi)，通過微項目設(shè)計實現(xiàn)知識建構(gòu)、技術(shù)應(yīng)用與生態(tài)反思的閉環(huán)\"這一核心問題。

最后，虛實融合實踐場域的理論支撐不足。數(shù)字技術(shù)驅(qū)動的虛實融合學(xué)習(xí)環(huán)境被視為跨學(xué)科實踐的重要載體，但其設(shè)計多基于技術(shù)可行性，而非教育學(xué)原理。例如，虛擬仿真實驗常被用于替代高危操作（如病原菌培養(yǎng)），卻鮮有研究探討如何通過“物理一虛擬\"交互促進(jìn)概念遷移，導(dǎo)致技術(shù)應(yīng)用與認(rèn)知發(fā)展目標(biāo)脫節(jié)。

（三）生態(tài)素養(yǎng)導(dǎo)向下的STEM微項目開發(fā)框架

本研究構(gòu)建了生態(tài)素養(yǎng)導(dǎo)向下的STEM微項目開發(fā)框架（見表1），該框架以生態(tài)素養(yǎng)培育為核心目標(biāo)，通過理論、實踐與方法的三維整合形成系統(tǒng)化解決方案。

表1STEM微項目開發(fā)框架

在理論層面，提出STEM三原則——情境真實性、技術(shù)中介性、評價增值性，以此建立學(xué)科要素與生態(tài)素養(yǎng)指標(biāo)的動態(tài)關(guān)聯(lián)模型，為課程設(shè)計提供理論依據(jù)；在實踐層面，設(shè)計“發(fā)酵食品工廠\"課程包，以真實的生產(chǎn)場景為依托，串聯(lián)工程優(yōu)化、科學(xué)監(jiān)測與生態(tài)評估的任務(wù)鏈，實現(xiàn)多學(xué)科知識的融合應(yīng)用；在方法層面，創(chuàng)新混合評價工具，整合量規(guī)量表、技術(shù)操作日志與行為觀察記錄，實現(xiàn)對學(xué)生跨學(xué)科能力發(fā)展的量化追蹤與質(zhì)性分析。

理論、實踐與方法三者相互支撐，形成“理論指導(dǎo)實踐一實踐生成數(shù)據(jù)一數(shù)據(jù)優(yōu)化理論\"的閉環(huán)系統(tǒng)，推動學(xué)生在真實問題解決過程中實現(xiàn)生態(tài)素養(yǎng)的逐步進(jìn)階。

三、基于生態(tài)素養(yǎng)培育的初中生物學(xué)STEM微項目構(gòu)建路徑

（一）生態(tài)素養(yǎng)導(dǎo)向的課程目標(biāo)映射模型

依據(jù)《義務(wù)教育生物學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2022年版）》中“發(fā)酵技術(shù)”的跨學(xué)科實踐要求，本研究構(gòu)建“內(nèi)容一要素一素養(yǎng)”三維映射模型（見表2），實現(xiàn)生物學(xué)知識、STEM要素與生態(tài)素養(yǎng)的系統(tǒng)化聯(lián)結(jié)。

表2“內(nèi)容一要素一素養(yǎng)\"三維映射模型

通過遞進(jìn)式學(xué)習(xí)活動推動核心素養(yǎng)深層內(nèi)化：在認(rèn)知層，運(yùn)用微生物代謝虛擬仿真動畫，幫助學(xué)生構(gòu)建“物質(zhì)循環(huán)”的生態(tài)學(xué)概念框架；在實踐層面，依托Arduino傳感器搭建智能化發(fā)酵裝置，結(jié)合Excel實時采集能耗數(shù)據(jù)，促使學(xué)生通過技術(shù)工具的應(yīng)用實現(xiàn)工程設(shè)計與數(shù)據(jù)分析的學(xué)科融合；在反思層面，組織“傳統(tǒng)工藝（如自然發(fā)酵）vs現(xiàn)代技術(shù)（如工業(yè)滅菌）\"生態(tài)辯論會，引導(dǎo)學(xué)生從技術(shù)倫理維度進(jìn)行批判性反思，最終形成“概念建構(gòu)一技術(shù)驗證一價值判斷”的素養(yǎng)螺旋上升通道。

（二）工程思維與生物學(xué)核心素養(yǎng)的深度融合框架

本研究提出工程思維與生物學(xué)核心素養(yǎng)深度融合的四階框架（問題定義一原型設(shè)計一迭代優(yōu)化一生態(tài)評估），通過雙重路徑實現(xiàn)學(xué)科邏輯重構(gòu)。在知識整合維度，采用工程系統(tǒng)思維解構(gòu)生物學(xué)實踐，將發(fā)酵技術(shù)拆解為“菌種篩選一環(huán)境調(diào)控一產(chǎn)物監(jiān)測”三大子系統(tǒng)，并植入矛盾驅(qū)動機(jī)制，借助發(fā)酵失敗案例（如雜菌污染）建立“故障診斷一歸因分析一方案迭代”的深度學(xué)習(xí)鏈；在概念轉(zhuǎn)化維度，將生物學(xué)核心概念轉(zhuǎn)化為可量化的工程參數(shù)，即運(yùn)用數(shù)學(xué)建模闡釋發(fā)酵罐容積與比表面積的函數(shù)關(guān)系，通過Python擬合乳酸菌產(chǎn)酸速率與溫度的動態(tài)方程。

該框架突破傳統(tǒng)實驗教學(xué)的線性模式，在工程設(shè)計流程中嵌套“科學(xué)原理驗證一工程技術(shù)實施—生態(tài)系統(tǒng)評估”的復(fù)合任務(wù)鏈，引導(dǎo)學(xué)生在約束條件下開展技術(shù)可行性分析與生態(tài)可持續(xù)性論證，最終實現(xiàn)生物學(xué)大概念學(xué)習(xí)與工程決策能力的協(xié)同發(fā)展。

（三）跨學(xué)科實踐評價工具的開發(fā)與驗證

構(gòu)建“三級三維”評價體系（見表3），覆蓋科學(xué)探究、工程實踐與生態(tài)決策能力。

表3“三級三維”評價體系

基于“科學(xué)探究一工程實踐一生態(tài)決策”三位一體的層級評價體系，設(shè)置三級指標(biāo)以實現(xiàn)能力的精準(zhǔn)觀測：科學(xué)探究側(cè)重變量控制；工程實踐關(guān)注技術(shù)工具；生態(tài)決策強(qiáng)調(diào)全生命周期分析。該體系通過權(quán)重分配突出學(xué)科核心，以可觀測的行為描述（三級指標(biāo)）破解傳統(tǒng)評價的抽象化難題，形成“能力維度一評價標(biāo)準(zhǔn)一行為證據(jù)\"的立體化評估框架。

（四）課程實施的“雙循環(huán)”支持機(jī)制

為保障微項目有效落地，本研究設(shè)計了教師和學(xué)生協(xié)同進(jìn)階的“雙循環(huán)”系統(tǒng)，通過系統(tǒng)性資源供給推動課程實施。“教師循環(huán)”包含備課工具包、決策看板及干預(yù)策略庫三大核心模塊；“學(xué)生循環(huán)\"則提供三類支撐工具：一是認(rèn)知腳手架（如《發(fā)酵工程師手冊》集成傳感器接線規(guī)范與碳足跡計算模型），二是協(xié)作規(guī)則（如設(shè)置生物學(xué)家、工程師、數(shù)據(jù)分析師等角色輪換機(jī)制），三是元認(rèn)知工具（如“生態(tài)一技術(shù)平衡日志”，用于結(jié)構(gòu)化記錄決策依據(jù)與反思迭代過程）。該系統(tǒng)通過教師端的動態(tài)診斷工具與學(xué)生端的學(xué)科融合支架，構(gòu)建“教師精準(zhǔn)指導(dǎo)一學(xué)生自主探究一雙向數(shù)據(jù)反饋\"的協(xié)同進(jìn)化生態(tài)，確保微項目從教學(xué)設(shè)計到實踐落地的全流程閉環(huán)運(yùn)行。

四、結(jié)語

本課題組以生態(tài)素養(yǎng)培育為核心，通過初中生物學(xué)STEM微項目的創(chuàng)新設(shè)計，有效應(yīng)對了跨學(xué)科實踐中存在的學(xué)科割裂、評價滯后與技術(shù)脫節(jié)等現(xiàn)實挑戰(zhàn)。研究以“發(fā)酵食品工廠\"為實踐載體，搭建起科學(xué)與工程、技術(shù)與倫理的對話橋梁，引導(dǎo)學(xué)生實現(xiàn)從“知識消費(fèi)者\(yùn)"到“問題解決者”的角色轉(zhuǎn)變。

依托真實情境中的技術(shù)實踐與生態(tài)反思，學(xué)生不僅掌握了微生物代謝、數(shù)據(jù)分析等核心知識，更在工程迭代過程中培養(yǎng)了系統(tǒng)思維，在生態(tài)損益分析中深化了社會責(zé)任認(rèn)知。在方法層面，本研究不僅為跨學(xué)科教學(xué)提供了可遷移的實踐框架，更重新界定了生物學(xué)課堂的育人價值。教師從“知識傳授者\(yùn)"轉(zhuǎn)型為“學(xué)習(xí)設(shè)計師”，通過動態(tài)診斷工具與協(xié)作支架，促進(jìn)學(xué)生在技術(shù)應(yīng)用中實現(xiàn)認(rèn)知躍遷。

期待本研究框架能激發(fā)更多一線教師關(guān)注跨學(xué)科實踐的育人潛能，在人工智能與可持續(xù)發(fā)展深度交織的時代背景下，共同培育兼具科學(xué)理性與生態(tài)智慧的新時代學(xué)生，為構(gòu)建人與自然和諧共生的未來奠定堅實的教育基礎(chǔ)。

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（責(zé)任編輯 羅艷）