基于 STEM 理念的高中生物綜合實踐活動

陶如夢

2017年，教育部《中小學(xué)綜合實踐活動課程指導(dǎo)綱要》（以下簡稱《綱要》）明確指出，綜合實踐活動是從學(xué)生的真實生活和發(fā)展需要出發(fā)，以生活情境中發(fā)現(xiàn)的問題為主題，通過探究、服務(wù)、制作、體驗等方式，培養(yǎng)學(xué)生綜合素質(zhì)的跨學(xué)科實踐性課程。這對學(xué)生的素質(zhì)提出了更高的要求。STEM教育方式鼓勵學(xué)生面對真實的問題情境，綜合運用跨學(xué)科知識和方法解決實際問題，在做中學(xué)，提升科學(xué)精神和創(chuàng)新實踐能力，突出對學(xué)生創(chuàng)新思維和實踐能力的培養(yǎng)。本研究以小型無土栽培裝置的設(shè)計制作為例，探索設(shè)計基于STEM理念的高中生物綜合實踐活動課程。

一、STEM視角下綜合實踐活動的設(shè)計

STEM教學(xué)必須以跨學(xué)科知識為載體，讓學(xué)生在真實的情境中通過協(xié)同合作的方式最終解決實際問題。STEM教育根據(jù)具體目標(biāo)分成驗證型、探究型、制造型和創(chuàng)造型四種模式，綜合實踐活動常采用制造型應(yīng)用模式，本研究嘗試將制造型STEM教育理念整合到綜合實踐活動課程中。

1. 活動流程

本研究綜合實踐活動的教學(xué)流程包含五個環(huán)節(jié)，具體見下圖。

2. 活動具體實施

情景引入，問題驅(qū)動。教師通過講解、展示圖片、播放視頻等方式向?qū)W生介紹無土栽培原理等相關(guān)知識，展示學(xué)生生活中熟悉的陽臺無土種植蔬菜的圖片，請學(xué)生交流討論自己的看法。隨即引出實現(xiàn)無土栽培技術(shù)的營養(yǎng)液，介紹其組成成分及配制方法。最后設(shè)置疑問：“我們能不能設(shè)計出一個適合課室綠化的無土栽培裝置呢？”引出活動主題“小型無土栽培裝置的設(shè)計與制作”。

小組活動與探究學(xué)習(xí)。學(xué)生進(jìn)行裝置設(shè)計前要進(jìn)行深入探究，教師展示家用小型無土栽培裝置簡易實物，介紹裝置的構(gòu)造及運作原理。學(xué)生在教師的指導(dǎo)下，以小組為單位動手拼裝裝置，認(rèn)識水培裝置的連接和組合方式。

藝術(shù)設(shè)計與工程制作。學(xué)生通過小組合作畫出小型無土栽培裝置設(shè)計圖，標(biāo)注所設(shè)計裝置的結(jié)構(gòu)、材質(zhì)、尺寸，并闡述設(shè)計思路。設(shè)計前，教師從三方面重申約束條件，幫助學(xué)生把握裝置整體布局。（1）工程方面的要求：①作品方案圖空間布局疏密合理，整體美觀；②具備貯液池、栽培槽、循環(huán)系統(tǒng)、控制系統(tǒng)等基本設(shè)施；③裝置大小匹配教室、宿舍陽臺的可利用空間；④對方案圖的結(jié)構(gòu)、材質(zhì)和尺寸進(jìn)行標(biāo)注。（2）生物因素方面的要求：植物生命活動所需要的水分、陽光需得到滿足。（3）成本核算方面的要求：總價不超過400元。設(shè)計過程中教師給予適當(dāng)?shù)闹笇?dǎo)，如所畫裝置如何滿足營養(yǎng)液的循環(huán)，如何使得設(shè)計裝置更具藝術(shù)性等。方案設(shè)計完成后進(jìn)行分享交流，各小組互評，同時小組成員在教師和組間同學(xué)的啟發(fā)下對方案設(shè)計圖反復(fù)修改，形成一個完整的設(shè)計圖。最后學(xué)生將成果付諸實踐。

實踐檢驗，測試改進(jìn)。組織學(xué)生對所購買的材料和組件進(jìn)行組裝和調(diào)試，觀察水培設(shè)施運行情況，檢查是否存在漏液、堵塞、運行不正常等情況。學(xué)生小組根據(jù)興趣選擇培育的植物，并對培育的條件、種子的萌發(fā)、培育周期、注意事項等展開學(xué)習(xí)。培育苗轉(zhuǎn)移至無土栽培裝置后進(jìn)行對比實驗探究，分別探究缺氮、磷對植物生長速度、植物葉片生長狀態(tài)及根冠比的影響，對植物生長情況進(jìn)行觀察記錄，最后完成實驗報告。

成果展示與多元評價。在經(jīng)過測試及完善設(shè)計方案之后，小組成員進(jìn)行成果匯報與分享，上臺展示小組作品的設(shè)計思路、功能作用以及不足之處。教師及小組成員點評他人作品并評分，小組成員填寫自我評價表自評，促進(jìn)生生、師生間的積極交流，鍛煉學(xué)生的語言表達(dá)及觀察能力。

二、教學(xué)效果分析

課程前后，分別以問卷調(diào)查形式分析教學(xué)效果和學(xué)生的學(xué)習(xí)體驗。問卷題目主要由STEM能力、STEM思維、STEM態(tài)度三個維度構(gòu)成。

以前測與后測的均值進(jìn)行比較，STEM能力、STEM思維平均得分均有所提升，差異顯著性分析前后具有顯著差異，說明該項實踐活動能極顯著地提高學(xué)生的STEM能力和STEM思維。在STEM態(tài)度方面，前、后測數(shù)據(jù)雖無顯著差異，但后測平均得分提高較明顯，說明該實踐活動能在一定程度上轉(zhuǎn)變學(xué)生對STEM的認(rèn)識和態(tài)度。

1. 促進(jìn)學(xué)生STEM思維的發(fā)展

項目任務(wù)的順利完成，需要學(xué)生綜合考慮多學(xué)科的知識與方法。其中，水培技術(shù)原理、植物種子育苗與培育涉及生物學(xué)知識；無土栽培管道體積及直徑的測量、水培植物生長情況的測量與記錄及營養(yǎng)液的配制，需要學(xué)生運用數(shù)學(xué)方法計算測量。在這個過程中，學(xué)生的跨學(xué)科學(xué)習(xí)方式和跨學(xué)科思維有所提升。對于有爭議的問題，教師引導(dǎo)小組之間互相學(xué)習(xí)，發(fā)表觀點和意見。學(xué)生個人智慧與集體智慧不斷碰撞，在交流質(zhì)疑、設(shè)計創(chuàng)作、測試運行再優(yōu)化修改的循環(huán)過程中反思評價，培養(yǎng)和提高了學(xué)生的批判性思維和創(chuàng)造性思維。

2. 提升學(xué)生的STEM能力

設(shè)計無土栽培裝置是一個富有挑戰(zhàn)意義的項目，學(xué)生解決項目，不僅要解決一系列的問題，還要求方案設(shè)計具有一定的美感。學(xué)生在設(shè)計和檢測后，針對發(fā)現(xiàn)的問題積極協(xié)作，討論解決的辦法，使得小組設(shè)計方案更加合理，提高了解決問題的能力。最后將探究缺乏無機鹽對植物生長發(fā)育的影響這一生物學(xué)知識綜合運用到裝置模型上，提升了學(xué)生實踐應(yīng)用的能力。

三、教學(xué)反思與建議

1. 遵循循序漸進(jìn)的原則

中學(xué)生的STEM素養(yǎng)普遍較弱，且STEM相關(guān)能力的發(fā)展是一個潛移默化的過程，需要教師持續(xù)進(jìn)行教育。因此，教師需要避免急于求成的心態(tài)，在活動伊始或?qū)W生碰到難以解決的問題時，應(yīng)多提供支架案例和直觀資源，使學(xué)生逐步養(yǎng)成主動學(xué)習(xí)的習(xí)慣，隨活動進(jìn)行可減少材料與腳手架，給予學(xué)生更多自主學(xué)習(xí)時間，積極探索、動手實踐，幫助學(xué)生順利完成角色轉(zhuǎn)變。

2. 精心設(shè)計教學(xué)活動

活動時間的分割對活動的開展造成了阻礙，需要教師精心設(shè)計教學(xué)活動。為了保證活動的連貫性和完整性，教師可將項目活動劃分為多個子任務(wù)，通過組間競爭，調(diào)動學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性，消除倦怠等消極情緒。此外還可適當(dāng)增加獎勵機制，如鼓勵參加科技創(chuàng)新大賽、資助獎學(xué)金等，提高學(xué)生學(xué)習(xí)熱情。

3. 提高教師進(jìn)行STEM教育的能力

STEM教育的實施要求教師充分了解STEM及教學(xué)策略，熟悉STEM項目實施的各個環(huán)節(jié)，具備良好的實踐能力和經(jīng)驗，但目前大部分中小學(xué)教師缺少STEM教育經(jīng)驗。學(xué)校應(yīng)鼓勵教師參加培訓(xùn)以提高自身的STEM能力，還可與相關(guān)企業(yè)、公司、高校開展合作，為STEM項目的實施贏得資金和資源上的支持。