STEAM課程在生物學(xué)科項(xiàng)目學(xué)習(xí)中的實(shí)操

沈甜甜 唐思賢

(廣東省深圳高級中學(xué)〔集團(tuán)〕 518000) (華東師范大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院 上海 200241)

項(xiàng)目學(xué)習(xí)是一種以制作作品、并將作品的呈現(xiàn)作為目的，借助多種資源在真實(shí)世界中開展探究活動。在眾創(chuàng)時(shí)代背景下隨著項(xiàng)目學(xué)習(xí)的開展，STEAM課程以其創(chuàng)新、靈活和開放等特點(diǎn)也逐漸引起中學(xué)生物學(xué)教師的注意，它開始幫助師生參與到國內(nèi)外各類生物學(xué)科技創(chuàng)新活動中去。STEAM(science，technology，engineering，art and mathematics)原形為STEM，是美國弗吉尼亞理工大學(xué)亞克門教授于1990年在美國科學(xué)基金會(NSF)上首次提出是一種用科學(xué)、技術(shù)、數(shù)學(xué)和工程進(jìn)行跨學(xué)科方式認(rèn)識世界和綜合創(chuàng)新形式的教育。而STEAM則是由雷特亞克門教授及其團(tuán)隊(duì)提出，在原有STEM教育的基礎(chǔ)上加入了藝術(shù)[1]。

1 STEAM課程與項(xiàng)目學(xué)習(xí)的內(nèi)在聯(lián)系

項(xiàng)目學(xué)習(xí)與STEAM課程的共性在于它們都是新型教學(xué)模式，它們都強(qiáng)調(diào)以學(xué)生為中心、學(xué)科交叉、協(xié)作探究學(xué)習(xí)、作品呈現(xiàn)、過程性評價(jià)和對學(xué)科概念進(jìn)行多角度深度挖掘與理解?；趦烧叩南嗨菩裕袑W(xué)生物學(xué)教師可開展以STEAM為基礎(chǔ)的項(xiàng)目學(xué)習(xí)課程。下面以“環(huán)球自然日自然科學(xué)知識挑戰(zhàn)賽”(Global Natural History Day)活動為例來進(jìn)行闡述。

2 開展基于STEAM項(xiàng)目學(xué)習(xí)課程的五個(gè)要素

2.1 科學(xué)地生成生物學(xué)科研究主題 具體如下：

2.1.1 教師為學(xué)生選擇與生物學(xué)科相關(guān)的大主題 教師要開展一個(gè)生物學(xué)項(xiàng)目學(xué)習(xí)，必須要先開展一個(gè)與生物學(xué)科相關(guān)的大主題，設(shè)計(jì)有針對性的教育活動。生物學(xué)教師可以按照生物的形態(tài)結(jié)構(gòu)(動物、植物、微生物和人體)、生活環(huán)境(陸地、海洋和淡水)、進(jìn)化等級(低等、高等和過渡類型)和宏觀與微觀(分子生物學(xué)、生態(tài)學(xué))等來進(jìn)行主題分類。也可參考目前與項(xiàng)目學(xué)習(xí)相關(guān)的生物學(xué)科技創(chuàng)新類比賽。

例如，“環(huán)球自然日自然科學(xué)知識挑戰(zhàn)賽”每一年都會有一個(gè)與生物學(xué)科相關(guān)聯(lián)的年度主題：2012年“生物多樣性：自然因素、人為影響到全球重要性”、2013年“動物、植物和人類的偉大遷徙”、2014年“適者生存：應(yīng)變、不變和可持續(xù)發(fā)展”、2015年“自然界大事件、2016年“自然界中的那些關(guān)系：誰是誰的誰？”和2017年“物質(zhì)世界的真相：大小、尺寸和規(guī)?！薄?/p>

廣東省開展生物科技活動起源較早，歷年參賽的課題中，研究論文所涉及的生物學(xué)科主要有動物學(xué)、植物學(xué)、微生物學(xué)、昆蟲學(xué)、生態(tài)學(xué)、農(nóng)業(yè)、林業(yè)、水產(chǎn)和醫(yī)學(xué)與健康及生物化學(xué)等[2]。也舉辦過如多肉植物觀察大賽、觀鳥比賽和植物知識大賽等。這些比賽都為生物學(xué)教師科學(xué)地選擇大主題提供了借鑒。

2.1.2 聚焦小課題，多角度思考，挖掘新方向 教師確定選題之后，學(xué)生要開始聚焦小課題。興趣常作為選題首要條件，如果沒有創(chuàng)新，那么課題研究的深度將會受到一定限制。

例如，一位學(xué)生對“冷血動物”非常感興趣，教師可引導(dǎo)他打破觀察研究壁虎的尾椎骨在關(guān)節(jié)面斷裂的局限，開拓?cái)辔彩欠裨谕粋€(gè)位置、愈合方式和時(shí)間、愈合過程受到什么因素影響等新的研究方向。再如，有學(xué)生提出研究恐龍，但恐龍滅絕之謎的選題過于陳舊，如能將研究主題修改為“恐龍的膚色之謎”，探索膚色與食性、獲取獵物的方式、躲避的天敵和生活環(huán)境等之間的關(guān)聯(lián)更使課題顯得新穎。

歷年學(xué)生的創(chuàng)意選題，如“‘星光海灘’的精靈——熒光藻”“具偽裝造型的葉海龍”“寄生在魚嘴里的縮頭魚虱”和“進(jìn)化史上的過渡類型題塔利克魚”等都使人耳目一新，但弊端是中小學(xué)生針對此類選題的研究方法大都局限于文獻(xiàn)研究的方式。

2.1.3 立足身邊題材，解決切身生態(tài)與環(huán)境問題 基于社會實(shí)際，關(guān)注生態(tài)文明，解決環(huán)境問題也逐漸成為生物學(xué)科項(xiàng)目學(xué)習(xí)的重要因素。結(jié)合地方特色，選取身邊的題材，研究方法多樣易于深入研究。

例如，選擇深圳公園小區(qū)四處可見的外來物種薇甘菊、水葫蘆、深圳灣紅樹林自然保護(hù)區(qū)的紅樹、珊瑚種植基地的珊瑚、廣東省連南自然保護(hù)區(qū)的國家級保護(hù)動物大鯢和仙湖植物園的蘭花與蝴蝶作為研究對象，不僅可在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行研究還可在野外進(jìn)行實(shí)踐調(diào)查。學(xué)生以此可以尋找到一些導(dǎo)致生物多樣性減少、海洋污染等環(huán)境問題的解決方法。

2.2 工程與技術(shù)的創(chuàng)新應(yīng)用 學(xué)生往往會認(rèn)為制定研究計(jì)劃是在選題之后開始的，但STEAM課程中生物學(xué)教師選擇主題、學(xué)生聚焦選題和制定研究計(jì)劃的環(huán)節(jié)并不是割裂的，而是相互制約的。對于實(shí)驗(yàn)中其他變量是否可控，測量工具是否可以獲得，資料是否可以查找到等因素要進(jìn)行可行性分析，否則就需要調(diào)整計(jì)劃和選題，再試用T與E來執(zhí)行計(jì)劃。

2.2.1 技術(shù)與工程工具替代法 如果在研究計(jì)劃執(zhí)行中，學(xué)生發(fā)現(xiàn)獲得的資料信息提供的技術(shù)不能捕捉研究對象，就需要創(chuàng)造新的技術(shù)來獲得研究對象。

例如，某研究小組選定研究螨蟲生活條件為課題，研究小組學(xué)習(xí)《醫(yī)學(xué)蜱螨學(xué)》一書使用“黑色小板誘法”“漂浮法”來收集螨蟲，但都沒獲得成功。原因在于螨蟲在黑色小板和液滴漂浮中易于移動，難以收集。于是，就改用除螨儀對床單進(jìn)行除螨，再用寬帶透明膠粘貼在除螨儀里搜集的絮狀物上，并將透明膠制成標(biāo)本放在數(shù)碼顯微鏡下，成功地拍攝到了螨蟲。再如，驗(yàn)證酵母菌繁殖的技術(shù)對高年級學(xué)生使用革蘭氏染色、細(xì)胞記數(shù)板精確測量外，對于低年級學(xué)生則可通過觀察氣球形態(tài)，來判斷呼吸強(qiáng)度的替代方案更為簡易。

2.2.2 研究對象替代法 在資料搜索時(shí)如發(fā)現(xiàn)沒有相關(guān)資料，可選擇更換研究對象調(diào)整研究方案。

例如，某組學(xué)生初期選題“蘭科植物嫁接”，但蘭科植物嫁接較難成活，學(xué)生就選用另一種多肉植物蟹爪蘭與仙人球嫁接并獲得成功。學(xué)生還前往深圳蘭科植物研究所，向?qū)＜覍W(xué)習(xí)了蘭科植物的雜交、組培的方法，繼續(xù)完成蘭科植物的研究。

2.3 用統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)分析研究結(jié)果 數(shù)學(xué)統(tǒng)計(jì)應(yīng)用于生物學(xué)項(xiàng)目學(xué)習(xí)后期的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的處理。對于高年級學(xué)生常使用SPSS軟件來分析數(shù)據(jù)。還可用樣方法來估算種群的密度，即在被調(diào)查種群的分布范圍內(nèi)，隨機(jī)選取若干個(gè)樣方，通過計(jì)數(shù)每個(gè)樣方內(nèi)的個(gè)體數(shù)，求得每個(gè)樣方的種群密度，以所有樣方種群密度的平均值作為該種群的種群密度估計(jì)值。對于低年級學(xué)生來說，統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)可使用office柱狀圖、餅狀圖和坐標(biāo)軸更清晰地顯示調(diào)查結(jié)果。

2.4 用藝術(shù)手法呈現(xiàn)研究結(jié)果 亞克門教授在開展STEAM教育商標(biāo)的形象化設(shè)計(jì)中將A設(shè)計(jì)為“@”，并用“=”聯(lián)接，以顯示其中的關(guān)系，這簡明地表達(dá)了STEAM教育主題?！癝TE@M=Science & Technology interpreted through Engineering & the Arts，all based in Mathematical elements”的意思為:以數(shù)學(xué)為基礎(chǔ)，通過工程與藝術(shù)解釋科學(xué)與技術(shù)[1]。這也就意味著藝術(shù)與工程也存在著一定的聯(lián)系。對于生物學(xué)項(xiàng)目學(xué)習(xí)的藝術(shù)呈現(xiàn)形式還側(cè)重于是學(xué)生對自然界的理解力，對人與自然的思考與感悟。

2.4.1 藝術(shù)模型展覽的制作 學(xué)生如果通過一個(gè)嵌入模型的展覽來表述研究過程，那展覽呈現(xiàn)板塊的內(nèi)容除了要對整個(gè)項(xiàng)目學(xué)習(xí)過程陳述得條理清晰，邏輯連貫，還要選擇合適環(huán)保的材料來制作生物學(xué)模型，追求展覽在藝術(shù)上的美感。生物學(xué)模型制作并不是簡單的還原，教師要鼓勵學(xué)生在熟悉結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上按照比例合理設(shè)計(jì)模型，直觀地體現(xiàn)其結(jié)構(gòu)與功能的統(tǒng)一性。

例如，學(xué)生設(shè)計(jì)“呼吸系統(tǒng)”模型時(shí)，除了處理好氣壓差，胸腔與肺的結(jié)構(gòu)比例也要考慮在內(nèi)。為了適應(yīng)信息化時(shí)代的要求，有更多的工具可幫助建立生物學(xué)模型，在工程的方面可使用3D打印機(jī)、打印筆、激光切割機(jī)和傳感器等。在模型中可加入自動化裝置、開源電子原型平臺Arduino和簡易編程工具Scratch使學(xué)生的創(chuàng)意可視化。作品呈現(xiàn)時(shí)，學(xué)生配合講解研究項(xiàng)目，還能體現(xiàn)學(xué)生之間分工與合作的人文藝術(shù)。

2.4.2 藝術(shù)科普劇的呈現(xiàn) 如果研究結(jié)果是以一個(gè)科普劇的藝術(shù)方式來呈現(xiàn)，從音樂、表演、劇情和背景幕布上挖掘作品的表現(xiàn)力，可將研究的生物對象轉(zhuǎn)換為卡通人物，再設(shè)計(jì)出豐富的情景與引人入勝的故事情節(jié)。

例如，在2013年“環(huán)球自然日”展評中獲得金牌的作品“龜在難途”，學(xué)生按照棱皮龜遷徙路線，設(shè)計(jì)食物充足的大西洋東部覓食到返回非洲加蓬產(chǎn)卵的場景轉(zhuǎn)換，使用會聲會影軟件制作背景影音配合情節(jié)變化，以棱皮龜背部的七道棱為特色設(shè)計(jì)服裝。學(xué)生扮演誤食塑料袋的棱皮龜?shù)耐瑫r(shí)，深切感受到海洋污染對海洋動物的傷害?？梢娝囆g(shù)的展現(xiàn)，在整個(gè)項(xiàng)目學(xué)習(xí)中實(shí)現(xiàn)知識能力與情感的提升，提高學(xué)生生物學(xué)科的綜合素養(yǎng)。

3 在生物學(xué)科中開展STEAM課程的前景

STEAM課程在生物學(xué)科項(xiàng)目學(xué)習(xí)中的實(shí)操還需要進(jìn)一步的完善和提升，除了在中學(xué)生物學(xué)選修課或拓展課中開展之外，我國《義務(wù)教育生物學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn) 2011》和《普通高中生物學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)(實(shí)驗(yàn))》中分別設(shè)立了“生物技術(shù)”一級主題和“生物技術(shù)實(shí)踐”選修模塊，并同時(shí)強(qiáng)調(diào)要“落實(shí)科學(xué)、技術(shù)和社會相互關(guān)系的教育”，在《普通高中生物課程標(biāo)準(zhǔn)(實(shí)驗(yàn))》中也指明“要重視學(xué)科間的聯(lián)系”。雖然沒有明確提出對生物學(xué)科與工程學(xué)實(shí)踐結(jié)合的要求，但從STS的角度對“認(rèn)識生物科學(xué)與技術(shù)的性質(zhì)”給予了重視[3]，也為STEAM教育理念在我國中學(xué)生物學(xué)課堂中的滲透提供了可能性。