基于高中生物學(xué)課程資源進(jìn)行STEM項(xiàng)目的設(shè)計(jì)思路與案例*

付 鑫 （北京市十一學(xué)校 北京 100039）

1 研究背景與意義

隨著課堂教學(xué)改革的不斷深化，講授已逐漸被多樣化的教學(xué)策略替代。設(shè)計(jì)基于學(xué)生學(xué)習(xí)體驗(yàn)的課堂活動(dòng)，成為幫助學(xué)生有效學(xué)習(xí)的核心。生物學(xué)科是一門基于實(shí)驗(yàn)的自然科學(xué)，高中生物學(xué)課程的性質(zhì)一直定位于“進(jìn)一步提高學(xué)生的生物學(xué)科素養(yǎng)。尤其是發(fā)展學(xué)生的科學(xué)探究能力，幫助學(xué)生理解生物科學(xué)、技術(shù)和社會(huì)的相互關(guān)系，發(fā)展交叉學(xué)科技能，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新精神與實(shí)踐能力?！保?］這也正是源于美國(guó)的STEM 教育的核心觀點(diǎn)。STEM 是科學(xué)（science）、技術(shù)（technology）、工程（engineering）和數(shù)學(xué)（mathematics）4 門學(xué)科的簡(jiǎn)稱，強(qiáng)調(diào)多學(xué)科的交叉融合［2］。在現(xiàn)有的科學(xué)課程中，科學(xué)方法通常作為一個(gè)介紹性主題進(jìn)行講授。例如初中生物學(xué)的“觀察法”“實(shí)驗(yàn)法”；高中生物學(xué)的“構(gòu)建模型”“假說-演繹法”等。但是，有很多研究表明，學(xué)生僅僅能表述科學(xué)研究過程，并不意味著他們能進(jìn)行科學(xué)思考或具備了富有創(chuàng)造力的研究技能［3］。因此，沒有經(jīng)歷過科學(xué)研究過程的學(xué)生，不可能真正理解科學(xué)的本質(zhì)，尤其是科學(xué)探究的過程經(jīng)常是非線性的。

本研究旨在以高中生物學(xué)課程內(nèi)容為背景，設(shè)計(jì)符合中學(xué)生認(rèn)知層次的STEM 項(xiàng)目，并在高中實(shí)踐、收集數(shù)據(jù)、撰寫報(bào)告，為教育研究者和一線教師提供豐富的案例資源和教學(xué)研究參考。另一方面，我國(guó)即將實(shí)行第9 次基礎(chǔ)教育課程改革，重大變化之一是不再于高中劃分文、理科，這是開放學(xué)生學(xué)習(xí)自由度，實(shí)現(xiàn)學(xué)科有效融合的重大嘗試。STEM 交叉學(xué)科的特征將會(huì)在我國(guó)未來的教育中更加凸顯，同時(shí)論證了本研究的意義。

2 研究?jī)?nèi)容與方法

2.1 研究路徑設(shè)計(jì) 本研究課題以“STEM 項(xiàng)目的設(shè)計(jì)—實(shí)施—評(píng)價(jià)”為行動(dòng)研究的主要實(shí)踐內(nèi)容，以高中生物學(xué)課程內(nèi)容為切入點(diǎn)，通過內(nèi)容分析、文獻(xiàn)檢索確定STEM 項(xiàng)目的主題，以成熟優(yōu)秀的已有STEM 項(xiàng)目為藍(lán)本進(jìn)行項(xiàng)目方案設(shè)計(jì)，撰寫項(xiàng)目指導(dǎo)手冊(cè)。研究成員通過指向教學(xué)實(shí)踐的行動(dòng)研究，對(duì)項(xiàng)目方案進(jìn)行實(shí)施，利用5E 教學(xué)模式理清教學(xué)思路。制定一一針對(duì)項(xiàng)目研究節(jié)點(diǎn)的過程性評(píng)價(jià)指標(biāo)，對(duì)學(xué)生的項(xiàng)目研究進(jìn)行實(shí)時(shí)跟蹤，形成一套切實(shí)有效的評(píng)價(jià)方案。在一個(gè)STEM 項(xiàng)目結(jié)題后，通過對(duì)學(xué)生進(jìn)行項(xiàng)目適用性的問卷調(diào)查，以及半結(jié)構(gòu)化訪談形成對(duì)項(xiàng)目的評(píng)價(jià)，并指導(dǎo)進(jìn)一步的項(xiàng)目修訂與完善。最終，通過整理項(xiàng)目設(shè)計(jì)、實(shí)施過程中利用的材料、平臺(tái)，構(gòu)建資源體系（圖1）。

圖1 研究路徑設(shè)計(jì)

2.2 研究方法

1）文獻(xiàn)研究法：收集、查閱國(guó)內(nèi)、外相關(guān)STEM項(xiàng)目設(shè)計(jì)和評(píng)價(jià)方案的文獻(xiàn)，了解國(guó)內(nèi)、外研究現(xiàn)狀及進(jìn)展，為理清研究思路和選擇研究方法奠定基礎(chǔ)。以STEM 成熟項(xiàng)目設(shè)計(jì)和實(shí)踐相關(guān)研究成果為基礎(chǔ)，分析已有STEM 資源的適用性，從高中學(xué)生知識(shí)水平和學(xué)校學(xué)習(xí)環(huán)境角度出發(fā)，尋找以高中生物學(xué)課程內(nèi)容為背景的STEM 課題、評(píng)價(jià)方案和訪談提綱編制的依據(jù)。

2）指向教學(xué)實(shí)踐的行動(dòng)研究法：本研究擬在STEM 項(xiàng)目設(shè)計(jì)完成的基礎(chǔ)上，利用5E 教學(xué)模式進(jìn)行教學(xué)設(shè)計(jì)，誠(chéng)然，學(xué)生完成STEM 項(xiàng)目在很大程度上需要依托于課余時(shí)間，因此這一問題也在項(xiàng)目教學(xué)策略的規(guī)劃范圍之內(nèi)。教師指導(dǎo)學(xué)生完成STEM 項(xiàng)目，記錄過程性評(píng)價(jià)，獲得學(xué)生作品和報(bào)告以完成終結(jié)性評(píng)價(jià)，并通過項(xiàng)目適用性問卷和半結(jié)構(gòu)化訪談提綱對(duì)學(xué)生進(jìn)行調(diào)查，獲得修訂和完善課程設(shè)計(jì)的依據(jù)。

3 研究結(jié)果與分析

3.1 基于高中生物學(xué)課程的STEM 項(xiàng)目設(shè)計(jì)本項(xiàng)目研究基于高中生物學(xué)課程內(nèi)容，從課程的基本內(nèi)容中分析并總結(jié)適合開展STEM 項(xiàng)目教學(xué)和研究的主題，體現(xiàn)新課程“提高生物學(xué)科學(xué)素養(yǎng)、面向全體學(xué)生以及倡導(dǎo)探究性學(xué)習(xí)”的理念。本研究在Skilbeck 及王斌華等國(guó)內(nèi)、外學(xué)者所提出的課程設(shè)計(jì)步驟的基礎(chǔ)上，結(jié)合STEM 項(xiàng)目的特點(diǎn)，進(jìn)行校本課程設(shè)計(jì)的總體思路［4］，圖2。

圖2 基于高中生物學(xué)課程的STEM 項(xiàng)目設(shè)計(jì)思路

①分析學(xué)校環(huán)境條件與學(xué)生需求： 基于文獻(xiàn)研究，在充分分析學(xué)校學(xué)習(xí)環(huán)境條件及學(xué)生需求的前提下，借鑒已有STEM 項(xiàng)目資源中選擇適當(dāng)?shù)闹黝}和內(nèi)容，明確設(shè)計(jì)宗旨。分析學(xué)校的環(huán)境條件與學(xué)生需求可以概括為環(huán)境分析： 學(xué)校內(nèi)部環(huán)境即學(xué)校硬件設(shè)施（生物學(xué)高端實(shí)驗(yàn)室的現(xiàn)有配備）、課程課時(shí)安排（高中教學(xué)內(nèi)容的計(jì)劃）等內(nèi)容； 學(xué)校外部條件即學(xué)生在學(xué)校之外所在的學(xué)習(xí)與生活環(huán)境，這種環(huán)境集中體現(xiàn)了學(xué)生所面臨的實(shí)際問題，也是學(xué)生在學(xué)校之外學(xué)以致用的重要機(jī)會(huì)。環(huán)境條件與學(xué)生需求分析是STEM 項(xiàng)目有效性與適用性的基礎(chǔ)，只有滿足學(xué)生實(shí)際生活需求的STEM 項(xiàng)目?jī)?nèi)容，才有可能會(huì)成為學(xué)生接受的優(yōu)質(zhì)項(xiàng)目；只有學(xué)校硬件條件有所保障，課程才能得以開設(shè)。因此，充分的學(xué)校環(huán)境分析與學(xué)生需求分析是STEM 設(shè)計(jì)與實(shí)施過程的奠基石。

②全面分析高中生物學(xué)課程內(nèi)容，尋找生長(zhǎng)點(diǎn)：本項(xiàng)目研究的宗旨是從高中生物學(xué)課程出發(fā)，以高中生物學(xué)課程內(nèi)容為核心資源設(shè)計(jì)STEM 項(xiàng)目。因此，全面反思高中生物學(xué)課程內(nèi)容，打破固有的教學(xué)策略和方法，才能夠解放思想，尋找STEM項(xiàng)目的生長(zhǎng)點(diǎn)。研究團(tuán)隊(duì)采用頭腦風(fēng)暴的方式，并在過去教學(xué)工作中一些研究課的啟示下，鎖定了幾個(gè)高中生物學(xué)課程中可作為STEM 設(shè)計(jì)的內(nèi)容：組成細(xì)胞的化學(xué)物質(zhì)的鑒定，探究酶作用的適合條件，遺傳規(guī)律的應(yīng)用與擴(kuò)展，生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與功能等。同時(shí)，考慮到研究團(tuán)隊(duì)中包含生物學(xué)競(jìng)賽教練，因此也從高中生物學(xué)競(jìng)賽的內(nèi)容中，分析適合普通高中學(xué)生力所能及的內(nèi)容，作為STEM項(xiàng)目設(shè)計(jì)的依據(jù)，例如：微生物的分離與分子遺傳學(xué)分析，人體生理學(xué)的醫(yī)學(xué)應(yīng)用等。

③組織課程內(nèi)容，制定指導(dǎo)策略： 在確定STEM 項(xiàng)目的主題之后，需要基于高中課程內(nèi)容，進(jìn)一步設(shè)計(jì)適合學(xué)生的探究活動(dòng)。學(xué)生的活動(dòng)需要從課上開始，延伸到課外。因此，為學(xué)生做好引領(lǐng)性規(guī)劃是實(shí)現(xiàn)STEM 項(xiàng)目有效性的必要保障。根據(jù)達(dá)西·哈蘭德博士所著《STEM 項(xiàng)目學(xué)生研究手冊(cè)》的研究成果，STEM 研究過程大致分為：生成研究主題→制定研究計(jì)劃→了解研究主題→撰寫研究方案→準(zhǔn)備并開展實(shí)驗(yàn)→統(tǒng)計(jì)分析→解釋數(shù)據(jù)→報(bào)告結(jié)果8 個(gè)階段。研究團(tuán)隊(duì)在設(shè)計(jì)主題之后，依據(jù)上述8 個(gè)階段，為學(xué)生提出可操作性建議。實(shí)施過程中，在參考高中生物學(xué)課程的課時(shí)計(jì)劃基礎(chǔ)之上，從學(xué)生的課上實(shí)驗(yàn)出發(fā)，引導(dǎo)學(xué)生發(fā)現(xiàn)問題，并生成研究問題。之后的6 個(gè)階段由教師在課下完成輔導(dǎo)，學(xué)生以個(gè)人或研究團(tuán)隊(duì)的形式參與項(xiàng)目研究之中。最后一個(gè)階段——報(bào)告結(jié)果落實(shí)在課堂上，引導(dǎo)學(xué)生反思總結(jié)。教師在項(xiàng)目研究中所承擔(dān)的角色包括： 主任導(dǎo)師幫助學(xué)生確定研究主題，并幫助學(xué)生搜集可利用的人員、材料、耗材等資源； 學(xué)科導(dǎo)師從學(xué)科角度幫助學(xué)生解決研究中遇到的科學(xué)問題（圖3）。

圖3 以“尿糖試紙的設(shè)計(jì)”為例的組織項(xiàng)目（課程）框架

④課程評(píng)價(jià)與學(xué)習(xí)效果評(píng)價(jià)： 首先需要設(shè)計(jì)STEM 項(xiàng)目實(shí)施過程中活動(dòng)評(píng)價(jià)和形成性評(píng)價(jià)的方式，配合傳統(tǒng)的紙筆測(cè)驗(yàn)，同時(shí)重視過程性評(píng)價(jià)與結(jié)果性評(píng)價(jià)，確定多主體多方式的評(píng)價(jià)策略。學(xué)生的學(xué)習(xí)效果是課程最終所需達(dá)成的目標(biāo)，是課程目標(biāo)和教學(xué)目標(biāo)的呼應(yīng)，也是評(píng)判課程有效性和適用性的基準(zhǔn)之一。針對(duì)學(xué)生學(xué)習(xí)效果評(píng)價(jià)的諸多研究表明，學(xué)業(yè)評(píng)價(jià)不應(yīng)訴諸于單一的結(jié)果性紙筆測(cè)驗(yàn)，這種測(cè)驗(yàn)方式雖然能達(dá)到一定測(cè)量學(xué)生知識(shí)學(xué)習(xí)的作用，但無法對(duì)學(xué)生學(xué)習(xí)能力等方面的提高作出有效評(píng)判。這種評(píng)價(jià)的短板尤其體現(xiàn)在本研究所涉及的科學(xué)探究課程上。這就需要豐富多樣的過程性評(píng)價(jià)予以輔助。過程性評(píng)價(jià)要求教師在教學(xué)實(shí)踐過程中時(shí)刻關(guān)注學(xué)生給予的反饋，包括每個(gè)教學(xué)環(huán)節(jié)中學(xué)生的互動(dòng)，這既體現(xiàn)了學(xué)生在課堂上的角色性，又為教師賦予了新的任務(wù)，摒棄了“一言堂”情況的產(chǎn)生；此外，評(píng)價(jià)的另外一個(gè)層面就是對(duì)課程本身的評(píng)價(jià)，課程的有效性和適用性是需要學(xué)生反饋的，教師需要在學(xué)生反饋中逐漸調(diào)整授課節(jié)奏、難度、活動(dòng)安排，以保證學(xué)生對(duì)課程可接受的程度。由此，可以說課程評(píng)價(jià)既是整套校本課程設(shè)計(jì)的結(jié)束，又是新一輪STEM 項(xiàng)目修訂的開端。

3.2 案例成果展示與分析

3.2.1 尿糖試紙的設(shè)計(jì) “細(xì)胞中有機(jī)物的鑒定”是高中生物學(xué)必修1《分子與細(xì)胞》模塊學(xué)生接觸到的第1 個(gè)重要實(shí)驗(yàn)。通過實(shí)驗(yàn)，學(xué)生能掌握對(duì)還原糖、脂肪、蛋白質(zhì)、核酸等生物化學(xué)物質(zhì)的簡(jiǎn)單鑒定方法。在以往的教學(xué)活動(dòng)中，學(xué)生由于缺乏有機(jī)化學(xué)、生物化學(xué)的前導(dǎo)知識(shí)，很難清楚認(rèn)識(shí)物質(zhì)鑒定實(shí)驗(yàn)所涉及的化學(xué)原理。因此，實(shí)驗(yàn)的方法、顯色實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象成為死記硬背的內(nèi)容。為了能實(shí)現(xiàn)“生物學(xué)←→化學(xué)”2 個(gè)領(lǐng)域知識(shí)的遷移，并引導(dǎo)學(xué)生基于教材實(shí)驗(yàn)，將定性實(shí)驗(yàn)發(fā)展成為定量實(shí)驗(yàn)，研究團(tuán)隊(duì)的教師帶領(lǐng)學(xué)生進(jìn)行有機(jī)物鑒定實(shí)驗(yàn)的擴(kuò)展和延伸，其中以“尿糖試紙的設(shè)計(jì)”為例進(jìn)行展示。

表1 尿糖試紙的設(shè)計(jì)案例

本項(xiàng)目是基于“細(xì)胞中有機(jī)物的檢測(cè)和鑒定”內(nèi)容進(jìn)行的課外拓展，學(xué)生在設(shè)計(jì)試紙時(shí)對(duì)試紙材料、大小等指向產(chǎn)品的研究十分充分，也是學(xué)生首次體驗(yàn)在實(shí)驗(yàn)活動(dòng)中考慮制作產(chǎn)品的成本控制、使用人性化等因素。雖然項(xiàng)目持續(xù)的時(shí)間不長(zhǎng)，卻成為不少學(xué)生首次踏上指向產(chǎn)品產(chǎn)出的STEM 項(xiàng)目設(shè)計(jì)之路。

3.2.2 植物生長(zhǎng)的實(shí)驗(yàn)探究 “生長(zhǎng)素的生理作用”是人教版高中生物學(xué)教材《穩(wěn)態(tài)與環(huán)境》模塊第3 章“植物的激素調(diào)節(jié)”第2 節(jié)的教學(xué)內(nèi)容。生長(zhǎng)素是人類首次發(fā)現(xiàn)的植物激素，在日常實(shí)踐中發(fā)揮著巨大的作用。在日常生活中，學(xué)生能接觸頂端優(yōu)勢(shì)、植物向性運(yùn)動(dòng)等有關(guān)植物生長(zhǎng)素的生物學(xué)現(xiàn)象，通過本項(xiàng)目的實(shí)驗(yàn)體會(huì)，可讓學(xué)生糾正錯(cuò)誤概念，構(gòu)建知識(shí)網(wǎng)絡(luò)，指導(dǎo)日后的生活學(xué)習(xí)。在本項(xiàng)目的教學(xué)組織中，如何設(shè)計(jì)科學(xué)性與可行性并存的實(shí)驗(yàn)方案是第1 個(gè)教學(xué)難點(diǎn)；其次，學(xué)生對(duì)生長(zhǎng)素生理作用的兩重性認(rèn)知較為抽象，教師應(yīng)結(jié)合實(shí)例進(jìn)行講解；此外，教學(xué)中還需貫徹“學(xué)以致用”的教學(xué)思想，引發(fā)學(xué)生對(duì)生長(zhǎng)素指導(dǎo)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)實(shí)踐應(yīng)用的相關(guān)思考。

表2 植物根生長(zhǎng)的實(shí)驗(yàn)探究案例

本項(xiàng)目的主要目的在于學(xué)生活動(dòng)從課堂上到課堂下的延伸，經(jīng)過實(shí)驗(yàn)認(rèn)識(shí)到生長(zhǎng)素兩重性的生理作用特性。在最后一節(jié)的匯報(bào)課上，學(xué)生利用了P—O—E 的教學(xué)策略模式，遵循從假說到觀察到解釋的科學(xué)過程，對(duì)自己的探究結(jié)果進(jìn)行匯報(bào)和展示。這一過程中，學(xué)生毫無保留地將實(shí)驗(yàn)之前蘊(yùn)含前科學(xué)概念的假說向全班學(xué)生進(jìn)行匯報(bào)，再陳述自己通過實(shí)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)概念轉(zhuǎn)變的過程。

在教師的指導(dǎo)下，學(xué)生將在40℃水浴中浸泡1 h 的小麥種子鋪在含不同濃度2，4-D 溶液的紗布上。之后將種子置于適宜相同的條件下進(jìn)行培養(yǎng)，交于實(shí)驗(yàn)教師，學(xué)生未知各實(shí)驗(yàn)組別種子的生長(zhǎng)情況，在項(xiàng)目進(jìn)行中學(xué)生對(duì)不同濃度下的種子生根情況進(jìn)行預(yù)估，并嘗試說明原因，暴露了前科學(xué)概念。

表3 學(xué)生預(yù)測(cè)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的小組討論記錄

表4 小麥生根實(shí)驗(yàn)結(jié)果的記錄

圖4 小麥根生長(zhǎng)實(shí)驗(yàn)的結(jié)果

表4 和圖4 都是班級(jí)學(xué)生通過大數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)（n＞27）、通過對(duì)算數(shù)平均進(jìn)行計(jì)算，并通過公式計(jì)算了樣本標(biāo)準(zhǔn)差，從而估計(jì)班級(jí)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的差異性。這種數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)方法是學(xué)生之前沒有接觸過的，本項(xiàng)目的研究為學(xué)生進(jìn)行數(shù)學(xué)統(tǒng)計(jì)和相關(guān)知識(shí)的應(yīng)用提供了機(jī)會(huì)。

4 反思與展望

基于高中生物學(xué)課程的STEM 項(xiàng)目設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了從課堂向課外的延伸，能解決傳統(tǒng)高中生物學(xué)課堂無法實(shí)現(xiàn)的學(xué)生能力培養(yǎng)目標(biāo)。由于研究時(shí)間和學(xué)生受眾上的限制，高中生物學(xué)內(nèi)容中能實(shí)現(xiàn)STEM 項(xiàng)目設(shè)計(jì)的還沒有全部得以實(shí)施。此外，本研究設(shè)計(jì)的過程性評(píng)價(jià)和終結(jié)性評(píng)價(jià)工具還需更多案例的使用及相關(guān)問題的收集以便進(jìn)一步修訂。這些都是未來可繼續(xù)進(jìn)行的研究。

STEM 項(xiàng)目不僅僅是科學(xué)、技術(shù)、工程學(xué)、數(shù)學(xué)的簡(jiǎn)單相加，而是在實(shí)驗(yàn)和設(shè)計(jì)過程中綜合運(yùn)用相關(guān)學(xué)科解決問題。雖然每一個(gè)項(xiàng)目不一定將所有學(xué)科的作用都發(fā)揮得淋漓盡致，甚至于只是對(duì)個(gè)別1～2 個(gè)學(xué)科集中進(jìn)行了利用。但是反思起來看，STEM 項(xiàng)目的設(shè)計(jì)和實(shí)施無需拘泥于挖空心思設(shè)計(jì)出一個(gè)項(xiàng)目，將數(shù)、理、化、生、工程、技術(shù)統(tǒng)統(tǒng)一覽無余，而是按照本研究在3.1 章節(jié)所提出的，通過對(duì)學(xué)生的興趣依據(jù)已有資源的基礎(chǔ)之上確定主題，這才能真正解決學(xué)生的實(shí)際問題。

本研究由于實(shí)施時(shí)間和人員條件有限，沒有從數(shù)據(jù)上落實(shí)學(xué)生、教師對(duì)STEM 項(xiàng)目的有效性和適用性分析，但是已有成果仍然能夠?qū)TEM項(xiàng)目的設(shè)計(jì)、實(shí)施、結(jié)果有所支持。STEM 從課上到課下的設(shè)計(jì)與實(shí)施將不會(huì)停滯，生物學(xué)科仍然會(huì)成為未來STEM 項(xiàng)目設(shè)計(jì)的重要支持，相信目前所遇到的問題將在未來的研究中進(jìn)一步完善。