美國高中STEM教育中的生物學案例及分析

馬 成

(上海市市西中學 200040)

吳 畏*

(上海師范大學生命與環境科學學院 200062)

1 美國高中STEM課程的特點

STEM教育重視在科學、技術、工程和數學之間建立合理邏輯，在重新詮釋理科教育本質的基礎上，使其與動手實踐相關的技術和工程教育有機結合，啟發學生不斷挖掘科學和數學在實際社會生產中的應用價值。STEM課程崇尚的是探究式的學習過程，課程形式是“以課題項目、動手實踐性強的活動為載體，以解決一個具有一定挑戰性的問題為目標，課程學科基礎主要是科學和數學知識”[1]。由此概括來說，STEM教育具有綜合性、動態性、回歸性、實踐性和豐富性等特點。然而，美國在實際推進STEM課程教學過程中，發現目前美國STEM課程中科學和數學課程層面的學科資源非常豐富，但在技術課程層面和工程課程層面，由于需要特定的設備與場所，相對客觀條件要求更高。本文精選的兩則案例便是美國高中生物學教師通過克服上述客觀條件，在課堂中有機融合STEM教育理念之精髓，從而達到培育未來創新人才目的。

2 STEM教育中生物學案例介紹

2.1 案例一：“色覺輔助眼鏡”的設計與研發 具體的設計與研發流程如下：

2.1.1 課程形式分析 該案例是典型的“動手實踐類”STEM課程，其設計問題之“挑戰性”體現在：①“設計并制作一款眼鏡”，學生需自行搜集并選取合適的原材料，觀察了解普通眼鏡構造，純手工制作對動手能力要求較高；②有效提高被試色彩敏感度需要重新審視“視網膜組成”等科學知識并將其應用到實際生活，思考如何改變外因即鏡片屬性，以提高視錐細胞工作效率；經歷嘗試—改進—再嘗試—再改進的研發過程。課程目標：知道人體視覺產生過程；學會運用“在線色覺測試軟件”，對被試者的色彩敏感度進行定量測定；設計一款“色覺輔助眼鏡”，幫助被測者提高色彩敏感度。課程安排：見表1。課程評價：見表2。

表1 “色覺輔助眼鏡設計研發”課程安排

表2 “色覺輔助眼鏡設計研發”課程評價標準

2.1.2 課程目標分析 以本案例“評價標準”為例(表2)，其“評分項目”分為6個方面：即“科學性”“有效性”“可靠性”“美觀性”“合作性”和“創意性”。其中，“科學性：合理運用相關生物學知識”旨在培養“建構能力”，“有效性：有效提高被試者色彩敏感度即測試得分”和“可靠性：充足樣本數量，采用圖表統計數據”旨在培養“解決問題能力”，“美觀性：設計美觀大方、方便佩戴”致力于培養“設計能力”，“合作性：分工明確、配合默契”用于考察“合作能力”，“創意性：令人眼前一亮的創新之處”在于培養“創造、發現的能力”。可見該“評價標準”6個“評分項目”與STEM“課程目標”培養的6種能力幾乎一一對應。

2.1.3 學科要素分析 通常來說，STEM課程是“科學”“技術”“工程”和“數學”這4門學科的集合。在本案例中“科學”體現在“視覺形成過程”等生物學知識鋪墊，“技術”表現為使用“在線色覺測試軟件”，“工程”運用于“設計一款色覺輔助眼鏡”，“數學”應用于“數據分析、統計圖表”。

2.2 案例二：利用3M PetrifilmTM測試片探究不同因素對細菌繁殖速率的影響 具體的設計與研發流程如下：

2.2.1 課程形式分析 該案例是典型的“課題項目類”STEM課程，其設計問題之“挑戰性”體現在：①“自擬創新研究題目”，需結合“細菌繁殖條件”等科學知識聯系生活實際，尋找感興趣的研究點。如“探究抑制口腔內菌群生長繁殖的最適溫度”“探究不同洗手方法對皮膚表面菌群繁殖速率的影響”等。②學生經歷了自主探究實驗的全部過程。課程目標：知道細菌培養的主要條件及無菌操作步驟；學會運用3M PetrifilmTM測試片定量檢測菌落總數；提出問題，自主探究某一因素對細菌繁殖速率的影響。課程安排：見表3。課程評價：見表4。

表3 “利用3M PetrifilmTM測試片探究不同因素對細菌繁殖速率的影響”課程安排

表4 “利用3M PetrifilmTM測試片探究不同因素對細菌繁殖速率的影響”課程評價標準

2.2.2 課程目標分析 以本案例“評價標準”為例(表4)，每個“評分項目”又根據可量化、客觀化和公正化的“評分依據”分為3個等級。表4的6個“評分項目”中，有5個方面的“評分依據”均涉及定量評價。如“嚴謹性：研究題目、實驗假設、設計和過程嚴謹規范”方面，根據“評分依據”分為“2分：4個方面都符合”“1分：有3個方面符合”和“0分：≤2個方面符合”3個等級。通過對“評分依據”進行量化，是實現無論師生評價還是生生互評，在不同教學環境下，不同教師、不同學生都可統一采納并對作品或課題進行“客觀化、公正化”評價的有效手段，也為教育工作者評價STEM課程是否達成“課程目標”提供了有效參考。

2.2.3 學科要素分析 在本案例中，“科學”體現在“無菌操作與接種”等生物學知識鋪墊；“技術”表現為“基于3M PetrifilmTM測試片的細菌培養技術”運用；“工程”暫未得到體現；“數學”則應用于“數據分析、統計圖表”。

STEM課程并不強求每次實踐都要4個學科要素面面俱到。衡量一門STEM課程的標準，并不是學科要素是否齊全，而是由其課程目標、課程形式等決定。對于“技術”學科的理解，可以是教育技術或信息技術的應用[2]，也可以是“科學”學科范疇下的具體技術的應用，如植物組培技術、PCR技術等。“數學”學科在STEM課程中可以承擔“數據統計”的重要角色。

3 對我國高中生物學教學的啟示

3.1 培養學生學會學習 《中國學生發展核心素養》對“學會學習”的內涵是“學習意識形態形成、學習方式方法選擇、學習進程評估調控等方面的綜合表現”[3]。與案例一相似，但上教版高中《生命科學》第2冊學習內容“動物體對外界信息的獲取”建議為一課時。如何在有限課時中既引入STEM教育理念又落實好課標要求，這對教師提高課堂有效性、合理引導學生轉變學法提出了較高的要求。案例二中小組完成實驗報告用時較長，可延伸到課后完成。原本擔心這種案例會增加學生課余負擔，但實踐發現：由于能極大賦予學生學習自主權，且STEM教育的模型制作具有一定挑戰性和藝術性，能大大調動學生的學習熱情。

3.2 培養學生的科學精神 《中國學生發展核心素養》對“科學精神”基本要點的詮釋是“理性思維、批判質疑和勇于探究”[3]，STEM課程也非常倡導這一理念，案例二就是一個很好的探究實驗案例。可見有效開展“探究性實驗”，是我國生物學教學中引領學生科學素養發展的重要手段。例如，高中《生命科學》第一冊“食物中主要成分的鑒定”實驗，可把“驗證性實驗”改為“探究性實驗”：①預習教材實驗要求；②每組自選一種飲料或湯汁作為探究對象并帶到實驗室(課前)；③實驗室鑒定自帶的已知樣品，學會食物主要營養成分鑒定方法；④自主探究自選飲料或湯汁主要營養成分(課堂)；⑤小組合作完成實驗探究報告(課后)。

3.3 培養學生的實踐創新 《中國學生發展核心素養》對“實踐創新”基本要點的詮釋為“勞動意識、問題解決和技術運用”，而STEM教育將科學與工程學結合就是要加強科學實驗的目的導向性，重點培養學生的實踐能力[3]，兩者是不謀而合的。生物學課堂首先需要學會巧妙化解“工程學”專業實驗設備缺乏的問題。建議許多日常用品可作為工程學搭建模型的原材料，實驗室常見器材亦可替代工程學實驗設備，一些簡單的探究實驗(如“利用瓊脂塊和染料探究細胞體積大小對跨膜擴散速率影響”)就已經體現了STEM教育的理念。

生物學作為一門實驗科學，又與生物技術、生物工程和醫學等領域密切聯系，一定會在STEM教育本土化實踐探索中發揮重要作用。

(基金項目：上海師范大學本科教學建設研究“科學教學技能培訓體系教學改革探索與實踐”，No.A-2016-16-001010；*通訊作者)