基于水稻遺傳分析的STEM課程開發(fā)初探

李常德

【摘要】本課題圍繞真實的“水稻遺傳分析”情景來開發(fā)STEM課程，探索在中學(xué)開展STEM課程開發(fā)和實施的路徑?；谒具z傳分析的STEM課程是由一系列形式多樣的專題課程所組成，具有連續(xù)性和系統(tǒng)性，注重多學(xué)科整合的必要性，關(guān)注新知識學(xué)習(xí)和學(xué)習(xí)方法的指導(dǎo)，關(guān)注學(xué)生適應(yīng)社會發(fā)展的能力提升，促進學(xué)生綜合素養(yǎng)的形成。

【關(guān)鍵詞】水稻遺傳;STEM;課程開發(fā)

一、問題的提出

STEM教育是一種學(xué)生面向現(xiàn)實具體問題或項目，通過交流探究學(xué)習(xí)的的跨學(xué)科教育形態(tài)。它能有效推動學(xué)生在包含生物學(xué)等科學(xué)、技術(shù)、工程和數(shù)學(xué)素養(yǎng)綜合發(fā)展。教育部特別把STEM教育列為2017年的新課程標準的重要內(nèi)容之一，明確要求學(xué)生在實踐活動中能綜合運用STEM方面的知識和能力來解決特定或現(xiàn)實問題。中國教育科學(xué)研究院曹培杰博士指出，STEM課程開發(fā)中存在易被忽視的誤區(qū)，如重技能而輕知識學(xué)習(xí)，流于形式而輕科學(xué)精神，重結(jié)果輕過程等。有些課程只是將常規(guī)的活動過程貼上STEM的標簽，課程中設(shè)計的學(xué)科活動之間缺乏關(guān)聯(lián)性或必要性，未能充分體現(xiàn)STEM教育的核心內(nèi)涵。如何開發(fā)出優(yōu)質(zhì)的STEM課程成為教育工作者關(guān)注的重點。

水稻作為重要的糧食作物之一，與人們的生活息息相關(guān)?？蒲袉挝灰远i稻品種Mds和R315構(gòu)建重組自交系（RILs）群體進行谷穗形態(tài)、谷粒數(shù)、谷粒形態(tài)等多個產(chǎn)量有關(guān)性狀的研究，我們學(xué)生對參與其中的某些環(huán)節(jié)表示出很大興趣。本課題組嘗試從這項水稻實驗中的遺傳學(xué)研究活動當中，延伸開發(fā)出符合高中學(xué)生學(xué)情和STEM教育理念的一系列課程。

二、基于水稻遺傳分析的STEM課程的結(jié)構(gòu)與特色

STEM課程設(shè)計的目標是將不同領(lǐng)域的知識體系與生產(chǎn)生活進行聯(lián)系，讓學(xué)生有機會綜合運用多學(xué)科知識來解決真實情境下的問題，實現(xiàn)知識的理解和遷移，從而提升學(xué)生的學(xué)科素養(yǎng)、高階思維和創(chuàng)新力等能力。本STEM課程的開發(fā)設(shè)計兼具以下特色：

1. 本STEM課程圍繞“水稻遺傳分析”情景制定項目目標，在內(nèi)容上進行適當延伸，開發(fā)出多個不同形式的系統(tǒng)專題課程。課程安排的教學(xué)內(nèi)容上具有連貫性和系統(tǒng)性，遵循循序漸進與促進發(fā)展相結(jié)合原則，既符合學(xué)生身心發(fā)展及知識的邏輯順序，又能促進學(xué)生深度學(xué)習(xí)、實現(xiàn)思維能力發(fā)展。

2. 課程開發(fā)上注重多學(xué)科整合的必要性。本課程以水稻研究作為多學(xué)科整合的樞紐，聯(lián)結(jié)生物、技術(shù)、工程和數(shù)學(xué)等多方面內(nèi)容，包括生物中的遺傳定律、作物生長代謝;信息技術(shù)中的python編程、Excel處理;工程中的文獻、資料搜集;數(shù)學(xué)中數(shù)學(xué)建模、函數(shù)運算等等。這些學(xué)科之間內(nèi)在聯(lián)系，如數(shù)學(xué)相關(guān)系數(shù)的計算是分析水稻不同性狀關(guān)系的原理，而數(shù)學(xué)的函數(shù)計算又可以通過計算機編程或Excel的函數(shù)處理可以簡化處理等，緊扣項目目標的研究需要，具有設(shè)置的合理性和必要性。

3. 課程開發(fā)上關(guān)注新知識學(xué)習(xí)和學(xué)習(xí)方法的指導(dǎo)。大多STEM課程設(shè)計都強調(diào)學(xué)生技能和思維的培訓(xùn)和創(chuàng)新性解決方案的達成。不過，真實世界的問題往往是復(fù)雜的，需要學(xué)生不斷擴充自身的認知結(jié)構(gòu)數(shù)量，改變認知結(jié)構(gòu)性質(zhì)，實現(xiàn)的意義建構(gòu)，才能真正意義上地解決問題。因此，知識學(xué)習(xí)依然是STEM教育的核心，這樣才能讓學(xué)生獲得真正的成長。

本課程中，專題2涉及的市場調(diào)查的概念和方法、專題3的抽樣調(diào)查的概念和誤差分析、專題4的python編程語言等等，都需要學(xué)生通過不同途徑進的探索和發(fā)現(xiàn)進行學(xué)習(xí)認知，在實踐過程中不斷積累和更新知識，提升自身能力水平，完成課程任務(wù)。

4. 課程開發(fā)上具有前瞻性，關(guān)注學(xué)生適應(yīng)社會發(fā)展能力的提升。聚焦科學(xué)技術(shù)的應(yīng)用與創(chuàng)新是當今課程改革的新方向之一。人工智能產(chǎn)品逐漸代替人類的工作，而圖像識別技術(shù)是人工智能的一個重要領(lǐng)域。本課程的專題4《計算機測量谷粒的初步認識》項目目標是讓學(xué)生通過網(wǎng)絡(luò)搜索研習(xí)，對圖像識別測量谷粒的數(shù)學(xué)方法和計算機技術(shù)進行初步調(diào)查研究;期待學(xué)生能利用如python語言和OpenCV模塊編寫處理程序。該專題面向新技術(shù)，面向創(chuàng)新發(fā)展，為新世紀人才提供成長所需的學(xué)習(xí)環(huán)境。

三、基于水稻遺傳分析的STEM課程的設(shè)計和實施

（一）活動設(shè)計

本課程主要采用問題或項目式學(xué)習(xí)（PBL）法進行實踐活動，體現(xiàn)了STEM教育的核心內(nèi)涵。以專題5《水稻遺傳數(shù)據(jù)的統(tǒng)計分析》為例，該專題的學(xué)習(xí)目標為讓學(xué)生通過計算機進行數(shù)學(xué)建模，分析水稻控制粒數(shù)、粒重等產(chǎn)量性狀在RIL群體中的表現(xiàn)，為有關(guān)基因進行定位提供重要依據(jù)。課程目標中包含生物學(xué)、數(shù)學(xué)、技術(shù)和工程等不同學(xué)科領(lǐng)域的內(nèi)容。

（二）活動實施的環(huán)節(jié)

該課堂活動的三個環(huán)節(jié)層層遞進，相互聯(lián)系，引導(dǎo)學(xué)生完成學(xué)習(xí)任務(wù)。

環(huán)節(jié)一：了解學(xué)生的水平。

教師聯(lián)系專題2的調(diào)查結(jié)果創(chuàng)設(shè)情景：“通過大家的市場調(diào)查結(jié)果可知，人們對米飯香味的品質(zhì)有一定的要求，對其基因進行定位分析具有一定的研究價值。已知水稻香味和每穗總粒數(shù)兩對相對性狀各由一對等位基因控制，其中總粒數(shù)基因位于第9號染色體上。如何判斷產(chǎn)香基因是否也在9號染色體上？請設(shè)計一個雜交實驗來證明?！?。通過Excel表格功能模擬RIL群體性狀分布情況，讓學(xué)生運用基本公式編輯功能、數(shù)學(xué)的概率運算和生物的遺傳知識來解釋。

教師在學(xué)生的活動中了解不同學(xué)生的知識和能力水平。若學(xué)生的知識水平和過程表現(xiàn)令人滿意，再讓學(xué)生討論，用另一種數(shù)學(xué)方法求解，引導(dǎo)學(xué)生從相關(guān)系數(shù)運算的方向進行思考，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新思維能力，為最后環(huán)節(jié)的學(xué)生思維活動進行鋪墊。

環(huán)節(jié)二：性狀數(shù)據(jù)的建模。

呈現(xiàn)第二個情景問題——“生物的數(shù)量性狀的變異呈連續(xù)性，頻率呈正態(tài)分布，由多對基因共同決定。另一類是質(zhì)量性狀，其變異呈間斷性。請分析，我們所統(tǒng)計的水稻RIL群體中幾種產(chǎn)量性狀各是屬于哪一類？”。學(xué)生分組討論，通過Excel軟件處理，利用水稻RIL群體統(tǒng)計表中的實測數(shù)據(jù)進行分析建模，在軟件中生成模型圖，得出的結(jié)果記錄在實驗報告中，然后進行分享和相互評價。

環(huán)節(jié)三：項目的核心研究。

“從上述結(jié)果看出，水稻一次枝梗數(shù)、二次枝梗數(shù)等的產(chǎn)量有關(guān)性狀屬于數(shù)量性狀，RIL群體中無法出現(xiàn)課本中理想的性狀分離比例。請依據(jù)實測的統(tǒng)計數(shù)據(jù)，分析控制這些性狀的全部或部分基因，會否可能分布在9號染色體上呢？”

第三個情景真實而復(fù)雜。該難題學(xué)生需要通過討論和摸索學(xué)習(xí)，發(fā)揮創(chuàng)新精神，找到解決問題的科學(xué)數(shù)學(xué)方法，通過計算機應(yīng)用分析，才能完成項目學(xué)習(xí)任務(wù)。

結(jié)語

本課題以真實的水稻情景開發(fā)STEM課程，探索在中學(xué)開展STEM課程開發(fā)和實施的路徑，期望能為教育工作者提供新的思路，促進STEM教育的發(fā)展。當然，STEM課程對學(xué)生學(xué)習(xí)上的積極引導(dǎo)和核心素養(yǎng)發(fā)展的影響，還需要在實踐中不斷細化和探究，才可構(gòu)建出特色化的、高效的實踐體系。

【本文系廣州市越秀區(qū)教育科學(xué)規(guī)劃2018年度立項課題“基于水稻實驗的遺傳學(xué)STEM課程研究”（越教類[2018]42號）階段性研究成果】

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