美國高中的STEM教育生物學(xué)案例研究

（江蘇省盱眙中學(xué) 江蘇淮安 211700）

一、STEM 課程的特點(diǎn)

STEM教育的核心是尋求科學(xué)、技術(shù)、工程和數(shù)學(xué)四大領(lǐng)域之間的邏輯關(guān)系，然后將其呈現(xiàn)在教育中，通過實(shí)際的動(dòng)手操作來將理科教育的本質(zhì)向?qū)W生展示，鼓勵(lì)大家通過動(dòng)手來將技術(shù)理論和實(shí)際真知相結(jié)合，來挖掘數(shù)學(xué)和科學(xué)在我們實(shí)際生活中的更深層次應(yīng)用價(jià)值。STEM課程教學(xué)理念遵循的是擴(kuò)散性教學(xué)和探究型學(xué)習(xí)，希望借助有實(shí)際操作性的課程項(xiàng)目專題為載體來完成對(duì)于課程核心思想和內(nèi)容的傳遞。[1]

一般來說，STEM課程的目的是讓學(xué)生動(dòng)手解決一個(gè)具有挑戰(zhàn)性的課題，將科學(xué)和數(shù)學(xué)所需要學(xué)習(xí)的相關(guān)內(nèi)容融入教學(xué)過程讓他們可以自己通過實(shí)踐獲得真知并將二者良好的融合在在一起。所以，STEM課程的特點(diǎn)非常鮮明，它具有良好的綜合性、動(dòng)態(tài)性、回歸性和實(shí)踐性。在對(duì)美國STEM教學(xué)推行進(jìn)行研究的過程中，我們發(fā)現(xiàn)美國課程中在實(shí)際推進(jìn) STEM 課程教學(xué)過程中，發(fā)現(xiàn)美國雖然在教學(xué)過程中的學(xué)科資源相對(duì)豐富，但在對(duì)于技術(shù)課程推動(dòng)時(shí)市場會(huì)遇到一些例如設(shè)備場所的不完善的限制條件。[2]

二、STEM 教育中生物學(xué)案例研究

本文以美國高中生物學(xué)課堂中的一項(xiàng)動(dòng)手實(shí)踐類STEM教學(xué)案例作為參考進(jìn)行深入研究，此案例為“色覺輔助眼鏡”的設(shè)計(jì)與研發(fā)。

1．課程形式分析

該案例是STEM教育生物學(xué)中典型的動(dòng)手實(shí)踐類案例，它分為四個(gè)階段：第一個(gè)階段時(shí)長為一個(gè)課時(shí)，目的是向同學(xué)們介紹基礎(chǔ)的生物知識(shí)（如人眼球結(jié)構(gòu)、視網(wǎng)膜組成、視覺形成過程）作為科學(xué)的理論基礎(chǔ)；第二個(gè)階段也是一個(gè)課時(shí)，目的是通過技術(shù)引導(dǎo)來鼓勵(lì)學(xué)生的創(chuàng)新型思維，例如教他們?nèi)绾问褂迷诰€色覺測試軟件，如何通過色彩的飽和度、對(duì)比度來判斷當(dāng)下色彩的敏感度得分，為他們接下來的色覺輔助眼鏡設(shè)計(jì)搭建理論與基本技術(shù)平臺(tái)；第三階段需要兩個(gè)課時(shí)，這個(gè)階段需要培養(yǎng)學(xué)生的協(xié)作能力和工程搭建能力。換而言之，同學(xué)們需要與隊(duì)友進(jìn)行溝通、交流、探討，從而決定產(chǎn)品設(shè)計(jì)的機(jī)械結(jié)構(gòu)、外觀、交互界面的設(shè)計(jì)理念，最后將理念付諸實(shí)踐；最后一個(gè)階段也是兩個(gè)課時(shí)，需要培養(yǎng)學(xué)生的數(shù)學(xué)分析能力，在這個(gè)過程中，學(xué)生需要佩戴上他們自己設(shè)計(jì)的色覺輔助眼鏡參與到在線色覺測試中，通過對(duì)樣本數(shù)據(jù)的采集進(jìn)行統(tǒng)計(jì)圖表的制作，然后再通過數(shù)學(xué)分析來對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行有效的驗(yàn)證和分析;

2．學(xué)生能力分析

對(duì)于學(xué)生而言，想要完成這個(gè)挑戰(zhàn)需要做到以下幾點(diǎn)：①設(shè)計(jì)眼鏡：學(xué)生需要自行對(duì)相關(guān)資料進(jìn)行搜索，然后完成構(gòu)想，將空間想象力、色彩感知力、造型創(chuàng)造力通通應(yīng)用上；②制作眼鏡：這個(gè)階段需要學(xué)生的觀察能力和動(dòng)手能力，學(xué)生需要自行選取合適的原材料并對(duì)普通眼鏡進(jìn)行構(gòu)造分析，再結(jié)合分析結(jié)果對(duì)自己的在作品進(jìn)行搭建;③原理思考：這部分需要學(xué)生在制作中對(duì)應(yīng)用到的色彩敏感度和視網(wǎng)膜組成相關(guān)知識(shí)進(jìn)行思考，然后合理想象該如何將理論付諸于實(shí)踐中，例如：思考如何通過對(duì)外因（如鏡片屬性）的改變實(shí)現(xiàn)視錐細(xì)胞工作效率的提高。

3．課程目標(biāo)分析

本課程的目標(biāo)是為了提高學(xué)生科學(xué)、技術(shù)、工程和數(shù)學(xué)四大領(lǐng)域的基礎(chǔ)認(rèn)知并且通過實(shí)踐動(dòng)手操作培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)造力和將知識(shí)運(yùn)用到實(shí)際生活的實(shí)操能力。對(duì)于課程任務(wù)是否達(dá)標(biāo)我們有六個(gè)參考項(xiàng)：科學(xué)性、可靠性、有效性、美觀性、創(chuàng)意性和合作性?？茖W(xué)性指的是是否合理運(yùn)用了相關(guān)的生物課程知識(shí)；可靠性指的是采樣數(shù)量是否充足；有效性指的是是否有效的將敏感度測試分提高了；美觀性指的是設(shè)計(jì)是否符合大眾審美；創(chuàng)意性指的是是否可以達(dá)到讓人眼前一亮的程度；合作性指的是團(tuán)隊(duì)分工明細(xì)程度和配合默契度。由次可見，這六個(gè)評(píng)分點(diǎn)都是根據(jù)STEM課程的目標(biāo)來進(jìn)行設(shè)置的，相對(duì)來說比較合理。

4．學(xué)科要素分析

一般來說，STEM教學(xué)是融合了科學(xué)性、工程性、技術(shù)性、數(shù)學(xué)性這四種學(xué)科特性而得出的一門綜合性強(qiáng)、實(shí)踐性強(qiáng)、創(chuàng)新度強(qiáng)的三強(qiáng)課程。在色覺輔助眼鏡的教學(xué)案例中科學(xué)體現(xiàn)在生物知識(shí)的普及階段，幫助同學(xué)們打下扎實(shí)的科學(xué)理論基礎(chǔ)；技術(shù)性體現(xiàn)在色覺測試軟件的教學(xué)過程，幫助同學(xué)們掌握最新測試技術(shù)并應(yīng)用于實(shí)踐；工程性體現(xiàn)在色覺輔助眼鏡整個(gè)的搭建過程；數(shù)學(xué)性體現(xiàn)在數(shù)據(jù)的采集以及分析。[3]

三、STEM教學(xué)對(duì)生物學(xué)教學(xué)的啟示

在對(duì)STEM教學(xué)過程的分析中，我們發(fā)現(xiàn)這種生物學(xué)案例不但沒有增加學(xué)生的課余負(fù)擔(dān)，還極大的賦予了學(xué)生對(duì)于學(xué)習(xí)的掌控權(quán)，大幅度提高了學(xué)生對(duì)于學(xué)習(xí)的熱情和積極性。所以通過對(duì)STEM教學(xué)生物學(xué)案例的研究，我們對(duì)于學(xué)生的培養(yǎng)應(yīng)該注重學(xué)習(xí)自主性培養(yǎng)、科學(xué)創(chuàng)新性培養(yǎng)和實(shí)踐創(chuàng)新性培養(yǎng)才可以更好的達(dá)到高等教育的全面化教育目標(biāo)。

結(jié)語

作為一門實(shí)驗(yàn)性學(xué)科，生物學(xué)不僅與醫(yī)學(xué)類學(xué)科密切相關(guān)，也與生物工程和生物技術(shù)等相關(guān)領(lǐng)域緊緊關(guān)聯(lián)，這樣的兼容性學(xué)科對(duì)于未來STEM教育在中國的發(fā)展和落實(shí)的進(jìn)程中一定會(huì)發(fā)揮著重要的作用。

[1]趙中建.致力于 STEM 教育的“項(xiàng)目引路”機(jī)構(gòu)[J].上海教育,2014,02．

[2]鐘柏.美國 STEM 教育變革中“變革方程”的作用及其啟示[J]．中國電化教育,2015,05.

[3]程亮,鄭曉蕙.美國中學(xué)生物學(xué)課程中的STEM教育理念及其啟示[J].生物學(xué)教學(xué)，2017,02.