STEM教育中6E設(shè)計(jì)型學(xué)習(xí)模式在高中生物教學(xué)中的應(yīng)用

徐建

摘要 通過(guò)構(gòu)建STEM教育的情景整合模型框架，指出6E設(shè)計(jì)型學(xué)習(xí)模式是生物學(xué)教學(xué)融入SrIEM教育比較合適的形式，并以“加酶洗衣粉的洗滌效果”為例，給出了具體的課程設(shè)計(jì)案例，以期為更多的案例研究提供參考。

關(guān)鍵詞 STEM教育 6E設(shè)計(jì)型學(xué)習(xí)模式 高中生物

中圖分類(lèi)號(hào)C633. 91

文獻(xiàn)標(biāo)志碼B

STEM是Science（科學(xué)）、Technology（技術(shù)）、Engi-neenng（工程）、Mathematics（數(shù)學(xué)）的簡(jiǎn)稱(chēng)，最早由美國(guó)國(guó)家科學(xué)基金會(huì)（NSF）于20世紀(jì)90年代提出，旨在將原本分散的科學(xué)、技術(shù)、工程、數(shù)學(xué)4門(mén)課程集合成一個(gè)新的整體。這個(gè)整體不是四要素的簡(jiǎn)單相加，而是把學(xué)生學(xué)習(xí)到的某一學(xué)科（尤其是理科）的零碎知識(shí)與機(jī)械工程相結(jié)合，讓學(xué)生體會(huì)知識(shí)間的相互聯(lián)系，強(qiáng)調(diào)在“雜亂無(wú)章”的學(xué)習(xí)情境中提升學(xué)生的設(shè)計(jì)能力、合作能力、問(wèn)題解決能力和實(shí)踐創(chuàng)新能力。STEM教育更注重科學(xué)與工程學(xué)實(shí)踐的結(jié)合，對(duì)學(xué)生實(shí)踐能力的要求更高，這也是21世紀(jì)高素質(zhì)創(chuàng)新性人才所必備品格和關(guān)鍵能力。

1 STEM教育的整合性理念

STEM教育將原本分散的4門(mén)學(xué)科（科學(xué)、技術(shù)、工程、數(shù)學(xué)）集合成一個(gè)整體。其整合過(guò)程也是隨著STEM教育運(yùn)動(dòng)的發(fā)展和推進(jìn)而逐漸發(fā)展起來(lái)的。教育者逐漸認(rèn)識(shí)到“整合”的重要性，并提出了STEM教育整合性理念，該理念強(qiáng)調(diào)在真實(shí)情境中培養(yǎng)學(xué)生設(shè)計(jì)與解決問(wèn)題的能力。摩爾和史密斯在其研究中提出了STEM教育的兩種模式：①情境整合（context in-tegration），意在將工程設(shè)計(jì)當(dāng)做科學(xué)和數(shù)學(xué)教學(xué)中的學(xué)習(xí)情境和動(dòng)力要素。其中，工程設(shè)計(jì)并不是學(xué)習(xí)目標(biāo)，而是一種教學(xué)方法，用以加強(qiáng)學(xué)生對(duì)知識(shí)的聯(lián)結(jié)和掌握;②內(nèi)容整合（ context integration）重點(diǎn)將工程設(shè)計(jì)看作是學(xué)習(xí)目標(biāo)之一，將相關(guān)的工程知識(shí)與科學(xué)和數(shù)學(xué)知識(shí)進(jìn)行整合。從目前基礎(chǔ)教育的教學(xué)現(xiàn)狀和教學(xué)目標(biāo)設(shè)置來(lái)看，將工程技能定為教學(xué)目標(biāo)尚有一段距離，因此情境整合應(yīng)成為實(shí)施STEM教育的主要參考模式。

2 融入STEM教育理念的生物課程設(shè)計(jì)

2.1 6E設(shè)計(jì)型學(xué)習(xí)模式

6E設(shè)計(jì)型學(xué)習(xí)模式最早是由美國(guó)國(guó)際技術(shù)與工程教育學(xué)會(huì)（ITEEA）于2010年提出，該模式結(jié)合了“科學(xué)探究”的思維和“工程設(shè)計(jì)”的實(shí)踐，讓學(xué)生在“重要了解”和“需要做”的過(guò)程中感知和洞察真實(shí)情景中的問(wèn)題，解決挑戰(zhàn)性任務(wù)。該模式是落實(shí)STEM教育整合性理念的有效設(shè)計(jì)模式。6E模式表現(xiàn)為參與（Engage）、探索（Explore）、解釋?zhuān)‥xplain）、工程（En-gineer）、深化（Enrich）、評(píng)價(jià)（Evaluate）這六個(gè)環(huán)節(jié)。下面以“加酶洗衣粉的洗滌效果”這一節(jié)為例，具體闡述6E模式在生物教學(xué)中的應(yīng)用。

2.1.1參與

參與指以真實(shí)情境為導(dǎo)入，激發(fā)學(xué)生的興趣和動(dòng)機(jī)，提升他們的學(xué)習(xí)參與度。教師從社會(huì)生活情境引入，以某洗衣連鎖店準(zhǔn)備采購(gòu)一批洗衣粉作為洗衣用品作為教學(xué)背景，引起學(xué)生注意，激發(fā)學(xué)生興趣。教師假設(shè)這個(gè)洗衣店需要采購(gòu)一批高效環(huán)保的新產(chǎn)品作為選擇對(duì)象，請(qǐng)學(xué)生設(shè)計(jì)幾組實(shí)驗(yàn)以確定對(duì)于污染程度相同的衣物使用不同洗衣粉后所需洗衣粉用量的變化情況，從而來(lái)采購(gòu)更高效的產(chǎn)品。這種以社會(huì)生活為情境背景的教學(xué)設(shè)計(jì)，提高了學(xué)生課堂參與的積極性。

2.1.2 探索

探索指為學(xué)生提供構(gòu)建自我知識(shí)體系，開(kāi)展基于問(wèn)題或項(xiàng)目的研究。本課題中，主要探究關(guān)于加酶洗衣粉的以下問(wèn)題：①普通洗衣粉和加酶洗衣粉對(duì)衣物污漬的洗滌效果有什么不同？②在什么樣的溫度下使用加酶洗衣粉效果最好？③添加不同種類(lèi)酶的洗衣粉其洗滌效果有哪些區(qū)別？教師利用這三個(gè)問(wèn)題引導(dǎo)學(xué)生思考并設(shè)計(jì)相關(guān)探究實(shí)驗(yàn)，根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。

2.1.3 解釋

解釋給予學(xué)生反思、解釋、修改和精細(xì)化所學(xué)知識(shí)的機(jī)會(huì)。在本課題中，很多學(xué)生忽略了科學(xué)探究是一個(gè)嚴(yán)肅和嚴(yán)謹(jǐn)?shù)倪^(guò)程，簡(jiǎn)單地認(rèn)為洗滌時(shí)間、洗滌效果和溫度都是顯而易見(jiàn)的。剛開(kāi)始探究實(shí)驗(yàn)時(shí)，很多學(xué)生粗略地設(shè)計(jì)了一些實(shí)驗(yàn)，導(dǎo)致無(wú)法得出確切的結(jié)論;一些學(xué)生沒(méi)有意識(shí)到控制變量對(duì)實(shí)驗(yàn)的重要性，如水量、攪拌次數(shù)和力度等，從而大大降低了實(shí)驗(yàn)的精確性;還有一些學(xué)生在設(shè)計(jì)溫度時(shí)，只有冷（0℃）和熱（90-100℃）之分，既不符合生活中的實(shí)際情況，也無(wú)法得出正確的實(shí)驗(yàn)結(jié)論。針對(duì)上述出現(xiàn)的種種問(wèn)題，筆者并沒(méi)有急著去糾正這些問(wèn)題。而是引導(dǎo)學(xué)生自己想辦法尋求解釋或解決。教師引導(dǎo)學(xué)生分析前期試驗(yàn)設(shè)計(jì)和實(shí)驗(yàn)過(guò)程，由學(xué)生自己來(lái)描述問(wèn)題，并解釋出現(xiàn)這些問(wèn)題的原因以及避免這些問(wèn)題的措施。學(xué)生經(jīng)過(guò)激烈的討論，對(duì)前期出現(xiàn)的問(wèn)題都提出了解決辦法，各小組修改自己的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方案，并對(duì)實(shí)驗(yàn)中用水量、水溫設(shè)置、洗衣粉加入量、污漬大小、攪拌時(shí)間和力度等進(jìn)行了探討，重新設(shè)計(jì)和完善了實(shí)驗(yàn)方案。學(xué)生經(jīng)歷了這一過(guò)程，對(duì)科學(xué)探究了有了深入的認(rèn)識(shí)。這時(shí)，教師可以進(jìn)一步總結(jié)：科學(xué)的探究過(guò)程應(yīng)嚴(yán)格考慮控制實(shí)驗(yàn)變量，同時(shí)要結(jié)合生活實(shí)際，考慮實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的邏輯性和現(xiàn)實(shí)性。

2.1.4工程

工程指向?qū)W生提供將所學(xué)知識(shí)和技術(shù)應(yīng)用到實(shí)踐中的機(jī)會(huì)，使學(xué)生更加深入了解問(wèn)題的核心。此過(guò)程包括可能的裝置的設(shè)計(jì)和測(cè)試。在本課題的第二課時(shí)開(kāi)始時(shí)，各小組根據(jù)第一課時(shí)各小組修改的實(shí)驗(yàn)方案，重新進(jìn)行實(shí)驗(yàn)操作。在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，針對(duì)實(shí)驗(yàn)變量的控制，學(xué)生動(dòng)手實(shí)踐改進(jìn)實(shí)驗(yàn)操作過(guò)程，除了選用的洗衣粉不同外，洗衣粉用量、水溫、水量、布料污染度及材質(zhì)保持一致外，洗滌相同時(shí)間后，布料上的污染度發(fā)生了變化，統(tǒng)計(jì)測(cè)量結(jié)果，得出去污百分比，說(shuō)明加酶洗衣粉的洗滌效果好于普通洗衣粉。在此基礎(chǔ)上，學(xué)生繼續(xù)探究洗滌的最適溫度以及洗衣粉的用量問(wèn)題。學(xué)生探討設(shè)置梯度溫度，如20℃、25℃、30℃、35℃、40℃等不同的溫度，在保持其他變量不變的情況下找出最適溫度，并以同樣的方法找出最合適的洗滌用量。在學(xué)生實(shí)驗(yàn)討論的基礎(chǔ)上，教師提出問(wèn)題：根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)論與所學(xué)知識(shí)，請(qǐng)思考在工業(yè)流水線(xiàn)上如酒店、飯店、洗衣店等需要大規(guī)模洗滌物品的地方，應(yīng)如何根據(jù)本節(jié)課所得數(shù)據(jù)，設(shè)計(jì)相關(guān)生物工程實(shí)驗(yàn)。教師給出在大規(guī)模流水化洗滌衣物時(shí)對(duì)洗衣粉用量及洗滌溫度應(yīng)如何設(shè)定和控制的意見(jiàn)，引導(dǎo)學(xué)生課后收集相關(guān)資料，設(shè)計(jì)工業(yè)化洗滌的合理方案。

2.1.5 深化

這一環(huán)節(jié)讓學(xué)生對(duì)所學(xué)知識(shí)進(jìn)行深度探索，通過(guò)工程概念在復(fù)雜問(wèn)題中的應(yīng)用實(shí)現(xiàn)知識(shí)和技能的遷移。本課題中，針對(duì)上一節(jié)課提出的大規(guī)模流水線(xiàn)洗滌衣物的實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)，有一些小組設(shè)計(jì)時(shí)既考慮了洗衣物量的問(wèn)題，又考慮洗滌機(jī)器的功效等。這說(shuō)明學(xué)生已經(jīng)將學(xué)科知識(shí)與工程化過(guò)程結(jié)合起來(lái)，各小組面向全班展示自己小組的設(shè)計(jì)方案，同時(shí)結(jié)合生產(chǎn)生活實(shí)際，與其他小組進(jìn)行討論比較，全班分享交流成果并總結(jié)所分析討論的結(jié)果。在此基礎(chǔ)上，教師還組織了實(shí)地去調(diào)研某一洗衣店和酒店場(chǎng)所的洗滌衣物所采取的具體措施和方法，讓學(xué)生實(shí)地調(diào)研后結(jié)合實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)給這些洗衣店和酒店提供更合理化的建議。

2.1.6 評(píng)價(jià)

評(píng)價(jià)是指依據(jù)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，教師和學(xué)生一起對(duì)學(xué)習(xí)的效果進(jìn)行檢測(cè)。對(duì)于這一課題研究的評(píng)價(jià)，教師可以采用過(guò)程性評(píng)價(jià)和目的性評(píng)價(jià)相結(jié)合的方式。在結(jié)合通過(guò)紙質(zhì)測(cè)試方式的同時(shí)，教師要考慮學(xué)生在設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案、操作實(shí)驗(yàn)過(guò)程和小組交流分享過(guò)程中的表現(xiàn)，給予恰當(dāng)?shù)脑u(píng)價(jià)。此外，也要考慮和引入組內(nèi)互評(píng)和學(xué)生個(gè)體自評(píng)的方式，將評(píng)價(jià)的功能真正體現(xiàn)在鼓勵(lì)學(xué)生發(fā)現(xiàn)和思考問(wèn)題，也讓他們更好地感知科學(xué)、技術(shù)、工程和數(shù)學(xué)之間的密切聯(lián)系，幫助他們更全面地掌握和運(yùn)用知識(shí)。

2.2 6E設(shè)計(jì)型學(xué)習(xí)模式對(duì)生物教學(xué)的啟示

將STEM教育理念整合到中學(xué)生物學(xué)教學(xué)中是《普通高中生物學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版）》中提出的教學(xué)必然趨勢(shì)。STEM教育不僅是一種整合性的教育理念，也是一種課程設(shè)置的趨勢(shì)，更是一種教學(xué)方式的革新。6E模式有效地將生物學(xué)和工程學(xué)、數(shù)學(xué)等其他學(xué)科有機(jī)整合，實(shí)現(xiàn)跨學(xué)科領(lǐng)域的培養(yǎng)方式的轉(zhuǎn)變，同時(shí)擴(kuò)充延伸與其他學(xué)科或現(xiàn)實(shí)生活有關(guān)的實(shí)驗(yàn)課題，增強(qiáng)了學(xué)生學(xué)習(xí)興趣與動(dòng)手探究的能力。6E設(shè)計(jì)型學(xué)習(xí)模式的6個(gè)環(huán)節(jié)并不是截然分開(kāi)的，而是互有包含，因此在實(shí)際教學(xué)過(guò)程中不一定要拘泥于6個(gè)環(huán)節(jié)，要根據(jù)不同的課程與章節(jié)而采取靈活運(yùn)用的手段和教學(xué)設(shè)計(jì)，這樣才能更有效地體現(xiàn)STEM的教育理念。

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