馬晨晨 解凱彬

(南京師范大學(xué)教師教育學(xué)院 210024)

1 STEM教育及其發(fā)展現(xiàn)狀

STEM是科學(xué)、技術(shù)、工程和數(shù)學(xué)四門學(xué)科的簡(jiǎn)稱，國(guó)際技術(shù)和工程教育協(xié)會(huì)(ITEEA)將STEM定義為整合了科學(xué)、技術(shù)、工程和數(shù)學(xué)四大要素的新興跨學(xué)科課程，強(qiáng)調(diào)多學(xué)科的交叉融合。

STEM教育啟源于美國(guó)，近二十年來，科技人才日益短缺的問題,促使美國(guó)政府先后頒布了“國(guó)家競(jìng)爭(zhēng)力法”“美國(guó)振興及投資法案”“STEM教育法(2015)”等一系列教育政策，將STEM教育切實(shí)提升到國(guó)家戰(zhàn)略的高度，并與國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)力直接聯(lián)系。日本期望借助STEM教育，來解決國(guó)內(nèi)寬松的教育導(dǎo)致學(xué)生學(xué)業(yè)下滑的現(xiàn)狀，側(cè)重激發(fā)學(xué)生對(duì)STEM相關(guān)學(xué)科的興趣和熱情，高中階段則實(shí)施STEM的精英教育[1]。韓國(guó)教育部在2016年新頒布的初中等教育課程也提出以“核心素養(yǎng)”作為課程設(shè)計(jì)思路，培養(yǎng)創(chuàng)造型、復(fù)合型人才。澳大利亞昆士蘭州等地率先實(shí)施STEM教育后，其政府和相關(guān)教育部門開始提高對(duì)STEM教育的重視，在國(guó)家層面頒布“國(guó)家利益中的STEM戰(zhàn)略”“STEM學(xué)校國(guó)家戰(zhàn)略2016～2026”等發(fā)展策略，以期改進(jìn)本國(guó)科學(xué)、數(shù)學(xué)、工程和技術(shù)等學(xué)科的教育現(xiàn)狀。

我國(guó)教育部在頒布“關(guān)于‘十三五’期間全面深入推進(jìn)教育信息化工作的指導(dǎo)意見(征求意見稿)”中明確提出“有效利用信息技術(shù)推進(jìn)‘眾創(chuàng)空間’建設(shè)”，探索STEAM教育、創(chuàng)客教育等新教育模式。國(guó)務(wù)院辦公廳在2016年印發(fā)“全民科學(xué)素質(zhì)行動(dòng)計(jì)劃綱要實(shí)施方案(2016—2020年)”，對(duì)“十三五”期間我國(guó)公民科學(xué)素質(zhì)實(shí)現(xiàn)跨越式提升，作出總體的部署。該“方案”中強(qiáng)調(diào)要完善中小學(xué)科學(xué)課程體系，并增強(qiáng)中學(xué)數(shù)學(xué)、物理、化學(xué)和生物學(xué)等學(xué)科的橫向配合，鼓勵(lì)在高中階段，開展科學(xué)創(chuàng)新技術(shù)實(shí)踐的跨學(xué)科探究活動(dòng)。

本文以國(guó)內(nèi)外的STEM課程、STEM理念下的教材為例，簡(jiǎn)要分析STEM生物學(xué)教學(xué)的案例，以探索如何在我國(guó)生物學(xué)教學(xué)中落實(shí)STEM教育的理念。

2 國(guó)外STEM教學(xué)的實(shí)例與分析

STEM教育是以更開拓的視野審視理科教育的內(nèi)涵，在此教育理念下，學(xué)生在進(jìn)行數(shù)學(xué)、科學(xué)的探究后，利用工程設(shè)計(jì)，實(shí)施實(shí)驗(yàn)，形成自己的經(jīng)驗(yàn)，掌握不同的設(shè)計(jì)思路，并最終建構(gòu)模型，同時(shí)建構(gòu)新的科學(xué)和數(shù)學(xué)知識(shí)[2]。

2.1 保護(hù)拯救瀕危動(dòng)物 在“動(dòng)物們的SOS”主題學(xué)習(xí)中，韓國(guó)梨花女子大學(xué)附屬中學(xué)的學(xué)生，先由教師組織觀看生態(tài)系統(tǒng)遭到破壞的相關(guān)視頻，教師再結(jié)合圖片講解瀕危動(dòng)物。通過整合生態(tài)系統(tǒng)原理及食物鏈、生態(tài)系統(tǒng)平衡等科學(xué)概念，要求學(xué)生制作食物鏈風(fēng)鈴及拼貼食物網(wǎng)。教師還組織學(xué)生參觀動(dòng)物園，指導(dǎo)學(xué)生從各個(gè)不同角度去觀察動(dòng)物的行為，并靈活地運(yùn)用觀察到的結(jié)果，來制作有關(guān)宣傳瀕危生物的生態(tài)系統(tǒng)立體模型。

該主題學(xué)習(xí)整合了科學(xué)、數(shù)學(xué)和技術(shù)等學(xué)科，從各科不同的角度，圍繞著保護(hù)瀕危動(dòng)物這一主題開展教學(xué)活動(dòng)。如能量傳遞效率的數(shù)學(xué)計(jì)算結(jié)合食物鏈的生物學(xué)知識(shí)，提示學(xué)生認(rèn)識(shí)到瀕危動(dòng)物所處的生態(tài)環(huán)境。通過實(shí)地參觀獲得感性體驗(yàn)，從而進(jìn)行創(chuàng)意設(shè)計(jì)，運(yùn)用工程設(shè)計(jì)原理，制作立體模型，在喚起學(xué)生對(duì)瀕危動(dòng)物的保護(hù)意識(shí)的同時(shí)，激發(fā)學(xué)生為改善生態(tài)環(huán)境、為瀕危動(dòng)物提供科學(xué)保護(hù)的探究愿望。

2.2 公園社區(qū)生活調(diào)查 芬蘭大學(xué)和美國(guó)北伊利諾伊大學(xué)合作開展的Finnish-US項(xiàng)目，是在K-16階段開展基于游戲的STEM教育。其中，微視頻調(diào)查項(xiàng)目是基于手機(jī)微視頻的問題調(diào)查和網(wǎng)絡(luò)社區(qū)。學(xué)生利用手機(jī)、攝像機(jī)等拍攝與STEM主題相關(guān)的生活場(chǎng)景。如公園中的食物鏈、植物葉片的變色和落葉等，上傳微視頻和相關(guān)問題至網(wǎng)絡(luò)社區(qū)平臺(tái)。網(wǎng)絡(luò)社區(qū)中的教師開展“腳手架式教學(xué)”，發(fā)揮社交媒介的作用，共同解答問題，實(shí)現(xiàn)視頻資源和課程主題、課堂活動(dòng)的緊密聯(lián)系，從而使學(xué)生學(xué)會(huì)如何發(fā)現(xiàn)現(xiàn)實(shí)生活中的科學(xué)現(xiàn)象，并提出有價(jià)值的問題。

該項(xiàng)目以美國(guó)斯坦福大學(xué)社科院的國(guó)家科學(xué)基金會(huì)的項(xiàng)目和赫爾辛基大學(xué)的CICERO學(xué)習(xí)網(wǎng)絡(luò)項(xiàng)目為研究基礎(chǔ)，通過可視化科學(xué)研究協(xié)會(huì)(SAVI)和各大高校合作，研究在微視頻捕捉的真實(shí)場(chǎng)景下，怎樣開展STEM教學(xué)。在網(wǎng)絡(luò)社區(qū)平臺(tái)中，師生可隨時(shí)觀看微視頻，在線上共同探討解決生物科學(xué)的問題、解釋科學(xué)現(xiàn)象，將科學(xué)概念和生活實(shí)際相結(jié)合，促使學(xué)生和教師關(guān)注現(xiàn)實(shí)世界中的科學(xué)素養(yǎng)的提升，重點(diǎn)培養(yǎng)學(xué)生運(yùn)用科學(xué)知識(shí)的能力。

2.3 搭建植物結(jié)構(gòu)模型 美國(guó)科學(xué)教師在科學(xué)課程的實(shí)施過程中，要求學(xué)生在新學(xué)期開學(xué)初就播種南瓜種子，研究植物的生長(zhǎng)過程，引導(dǎo)學(xué)生詳細(xì)觀察外形到內(nèi)部結(jié)構(gòu)，每天及時(shí)記錄變化。教師不斷地解釋學(xué)生提出的建設(shè)性問題，并且促進(jìn)學(xué)生對(duì)植物體內(nèi)的運(yùn)輸作用形成科學(xué)知識(shí)。再運(yùn)用解剖等技術(shù)手段，指導(dǎo)學(xué)生進(jìn)一步研究植物的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，在此基礎(chǔ)上選擇合適的材料設(shè)計(jì)、動(dòng)手搭建植物內(nèi)部結(jié)構(gòu)教學(xué)模型。

在美國(guó)“K-12階段科學(xué)教育框架”指導(dǎo)下的本節(jié)科學(xué)課程，緊緊圍繞“結(jié)構(gòu)與功能相適應(yīng)”的核心概念，學(xué)生通過提出問題、建立模型、調(diào)查研究、構(gòu)建概念和交流學(xué)習(xí)的實(shí)踐環(huán)節(jié)，對(duì)植物的結(jié)構(gòu)、功能有深入理解，圍繞系統(tǒng)模型的建構(gòu)開展探究活動(dòng)。利用工程學(xué)思想和意識(shí)，選取日常生活中的常見材料實(shí)踐動(dòng)手，搭建植物內(nèi)部結(jié)構(gòu)的教學(xué)模型。

2.4 計(jì)算細(xì)胞的表面積 澳大利亞在《自然生物學(xué)》(Nature of biology)一書中，強(qiáng)調(diào)學(xué)以致用和舉一反三的理念，為生活中的科學(xué)問題找到合理的解決方案。在學(xué)習(xí)物質(zhì)進(jìn)出細(xì)胞的內(nèi)容時(shí)，結(jié)合圖形讓學(xué)生計(jì)算不同直徑球體的體表面積比。再進(jìn)一步計(jì)算在一定體積下，不同數(shù)目細(xì)胞的總表面積，得出體表面積比。通過客觀的數(shù)據(jù)，使學(xué)生理解細(xì)胞的大小是由體表面積比決定的，球形是最有利于細(xì)胞物質(zhì)運(yùn)輸?shù)男螤钸@一科學(xué)概念。

《自然生物學(xué)》(Nature of biology)一書是由四個(gè)單元構(gòu)成：“一致性和多樣性”“生物與周圍環(huán)境”“生命的特征”和“遺傳和變異”。其中第一單元“一致性和多樣性”，旨在讓學(xué)生認(rèn)識(shí)到細(xì)胞是整個(gè)有機(jī)體的結(jié)構(gòu)和功能單位。教學(xué)中將“結(jié)構(gòu)與功能相適應(yīng)”的核心概念貫穿其中，學(xué)生在課堂學(xué)習(xí)中應(yīng)用已學(xué)過的數(shù)學(xué)公式，對(duì)體積、表面積等數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算和推導(dǎo)，并加以分析比較，得出影響細(xì)胞大小的因素，深入理解細(xì)胞的科學(xué)概念。

3 國(guó)內(nèi)STEM教學(xué)的實(shí)例與分析

我國(guó)在《普通高中生物課程標(biāo)準(zhǔn)》中指明“要重視學(xué)科間的聯(lián)系”，雖然沒有明確提出對(duì)生物學(xué)科與工程學(xué)實(shí)踐結(jié)合的要求，但從STS的角度對(duì)“認(rèn)識(shí)生物科學(xué)與技術(shù)的性質(zhì)”給予重視，為STEM教育理念在我國(guó)中學(xué)生物學(xué)課堂的滲透提供可能性[3]。

3.1 生物醫(yī)學(xué)AR技術(shù) 臺(tái)灣師范大學(xué)在臺(tái)北私立高中的十年級(jí)學(xué)生中，開展與生物醫(yī)學(xué)有關(guān)的AR課程。該AR課程選取心導(dǎo)管插入術(shù)和腹腔手術(shù)這兩個(gè)微創(chuàng)手術(shù)作為學(xué)習(xí)背景，其中心導(dǎo)管插入術(shù)的醫(yī)學(xué)模擬器是由計(jì)算機(jī)系統(tǒng)和虛擬人體影像組成，也包含導(dǎo)管插入技術(shù)，幫助學(xué)生理解手術(shù)操作的準(zhǔn)則。模擬器中配有3D網(wǎng)狀的人體血管系統(tǒng)解剖圖，學(xué)生可以在任意方向旋轉(zhuǎn)解剖圖，從而能在不同角度觀察血管和手術(shù)進(jìn)展情況，計(jì)時(shí)器會(huì)記錄學(xué)生的表現(xiàn)以供課程評(píng)價(jià)。在課程實(shí)施中，學(xué)生角色扮演外科醫(yī)生，根據(jù)平板電腦提供的病癥、X射線圖和心電圖等為病患診斷，選擇合適的治療方法。接著，使用掃描功能激活模擬器，電腦上同時(shí)呈現(xiàn)3D的心臟影像和導(dǎo)管，學(xué)生在模擬器上操縱導(dǎo)管移動(dòng)以完成心血管成形手術(shù)，最終還需要回答一系列與心血管相關(guān)的問題[4]。

該課程內(nèi)容設(shè)計(jì)滲透技術(shù)教育，在利用AR技術(shù)時(shí)，注重鍛煉學(xué)生在AR情景下對(duì)微創(chuàng)手術(shù)的操作和使用。醫(yī)學(xué)模擬器中會(huì)提供聲音指導(dǎo)和文本提示作為支架，促進(jìn)學(xué)生在操作中逐步深入地認(rèn)識(shí)心血管的結(jié)構(gòu)，完成知識(shí)的建構(gòu)。教師可以在編輯模式下設(shè)計(jì)心血管的不同病癥，使學(xué)生能夠運(yùn)用科學(xué)知識(shí)解決現(xiàn)實(shí)問題。平板電腦提供的具體病癥，也使得學(xué)生鍛煉了具體問題具體分析的能力，增強(qiáng)在現(xiàn)實(shí)生活中運(yùn)用新技術(shù)的意識(shí)。

3.2 輻射對(duì)植物的影響 上海STEM云中心的一節(jié)科學(xué)課程，是以“無線路由器輻射會(huì)影響植物的生長(zhǎng)”為研究問題。學(xué)生小組據(jù)此設(shè)計(jì)具體的研究方案，并分別選擇3種不同種類的無線路由器，測(cè)定其電磁輻射的大小。學(xué)生在培養(yǎng)箱里培養(yǎng)黃豆和綠豆，并持續(xù)觀察記錄種子的萌發(fā)率、莖長(zhǎng)和葉長(zhǎng)等生長(zhǎng)情況，結(jié)合數(shù)學(xué)知識(shí)將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化成圖表，根據(jù)圖表分析出無線路由器輻射對(duì)不同植物種子發(fā)芽及生長(zhǎng)的影響。

教學(xué)中，首先針對(duì)探究性的問題，以小組的形式開展自主性探究。教師在此過程中注意引導(dǎo)學(xué)生控制變量，通過各種技術(shù)和手段測(cè)量、收集數(shù)據(jù)信息。學(xué)生學(xué)習(xí)測(cè)定電磁輻射的基本方法，運(yùn)用科學(xué)的測(cè)量方法，得到種子發(fā)芽和生長(zhǎng)的指標(biāo)數(shù)據(jù)。然后，學(xué)生尋找合適的數(shù)學(xué)模型將數(shù)據(jù)分析結(jié)果客觀地呈現(xiàn)，并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行有效、合理地分析，從而有效地提升學(xué)生科學(xué)素養(yǎng)和數(shù)學(xué)能力，促進(jìn)理性思維的養(yǎng)成。

3.3 制作小型的凈水箱 江蘇省編制了STEM系列教材，其中一個(gè)案例是以生活中凈化水質(zhì)的實(shí)際問題作為切入點(diǎn)。首先，從認(rèn)識(shí)水循環(huán)開始，提供一系列的閱讀材料和背景知識(shí)，幫助學(xué)生了解科學(xué)探究的步驟和基本實(shí)驗(yàn)技術(shù)。接著，開展去除水體中可見的雜質(zhì)、觀察水體中微小動(dòng)植物和計(jì)算水中細(xì)菌的數(shù)量等探究活動(dòng)，讓學(xué)生層層深入地掌握關(guān)于水體的科學(xué)概念。教材中提供設(shè)計(jì)圖的繪制方法、自來水廠的凈水流程圖等支架式的學(xué)習(xí)材料，引導(dǎo)學(xué)生探究如何利用物理和化學(xué)的方法去除雜質(zhì)，并設(shè)計(jì)小型凈水箱，進(jìn)行優(yōu)化制作。

教材的整體設(shè)計(jì)是遵循提出工程任務(wù)、建構(gòu)完善背景知識(shí)和解決問題的思路。以“設(shè)計(jì)池塘水凈化器”為任務(wù)指引，使學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中親歷定義問題、設(shè)計(jì)模型、建立初步模型、模型應(yīng)用、數(shù)據(jù)反饋及模型修正和模型再次應(yīng)用，直到最終的表達(dá)和交流的研究過程，使學(xué)生初步具備一定的工程意識(shí)。通過應(yīng)用漂白粉、二氧化氯、紫外線、超聲波和高壓蒸汽滅菌等滅菌方法強(qiáng)化了生物學(xué)實(shí)驗(yàn)技術(shù)。從顯微觀察微生物、實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)時(shí)要遵循對(duì)照、單一變量和重復(fù)性等生物學(xué)實(shí)驗(yàn)原則，進(jìn)一步提升了學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)。

3.4 茶水對(duì)藥性的影響 北京中學(xué)和美國(guó)北伊利諾伊大學(xué)(NIU)合作開發(fā)了STEM課程，在輔導(dǎo)教師的引導(dǎo)下，學(xué)生以“服藥后不能喝茶”為切入點(diǎn)，自主設(shè)計(jì)對(duì)照實(shí)驗(yàn)，對(duì)常見的三種感冒藥及三種日常生活常喝的茶葉進(jìn)行對(duì)比研究。通過文獻(xiàn)查閱，學(xué)生掌握了白鼠的身體結(jié)構(gòu)和基本的生命體征觀察方法。在此基礎(chǔ)上，進(jìn)一步學(xué)習(xí)白鼠用藥量的計(jì)算公式、藥物濃度及溶解度的計(jì)算方法等科學(xué)知識(shí)，并且結(jié)合數(shù)學(xué)計(jì)算和精準(zhǔn)測(cè)量的結(jié)果，確定白鼠最適宜的使用藥量。經(jīng)過血藥濃度的檢驗(yàn)和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析，學(xué)生得到不同濃度茶水對(duì)不同藥物的影響結(jié)果。

該項(xiàng)目以學(xué)生的興趣為出發(fā)點(diǎn)，結(jié)合生活實(shí)際，充分調(diào)動(dòng)學(xué)生對(duì)STEM的熱情。學(xué)生通過自主查閱文獻(xiàn)學(xué)習(xí)科學(xué)概念，并在項(xiàng)目實(shí)施過程中實(shí)踐運(yùn)用，完成知識(shí)的建構(gòu)。在不斷練習(xí)基本的抽血化驗(yàn)操作步驟的過程中，注重技術(shù)實(shí)踐與科學(xué)理論相結(jié)合。學(xué)生將數(shù)學(xué)課中學(xué)習(xí)的公式，應(yīng)用在人類用藥量與白鼠用藥量的轉(zhuǎn)換等計(jì)算中，使學(xué)生的數(shù)學(xué)能力得到鍛煉和提升。研究報(bào)告中添加表格后，能清晰地記錄實(shí)驗(yàn)自變量、因變量，以科學(xué)的語言呈現(xiàn)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，使研究報(bào)告充分合理。

4 對(duì)我國(guó)實(shí)施STEM教育的建議

4.1 合理化運(yùn)用教育資源 STEM核心是跨學(xué)科的整合，涉及到各學(xué)科的方方面面。因此，依靠中學(xué)的師資力量和課程資源是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的。應(yīng)當(dāng)鼓勵(lì)更多的高校教育研究力量，開展深入研究，梳理本學(xué)科中的STEM教育素材。還應(yīng)當(dāng)加強(qiáng)學(xué)校與企業(yè)、科技館等社會(huì)力量的合作，采取設(shè)置試點(diǎn)學(xué)校等形式，推進(jìn)STEM教育的深度創(chuàng)新。

4.2 建立完善的評(píng)價(jià)體系 STEM的教育架構(gòu)需要教師拓寬視野，不再局限于本學(xué)科內(nèi)部的知識(shí)和能力培養(yǎng)，應(yīng)當(dāng)以更高層次的視野審視學(xué)科之間的內(nèi)在聯(lián)系。在此基礎(chǔ)上，修改、完善此前單一學(xué)科下的評(píng)價(jià)體系，從多維度、多層次和多領(lǐng)域的角度評(píng)價(jià)學(xué)生。

4.3 融入藝術(shù)學(xué)科領(lǐng)域 國(guó)外已有學(xué)者提出在STEM中加入藝術(shù)(Art)的概念，我國(guó)課程標(biāo)準(zhǔn)中強(qiáng)調(diào)的藝術(shù)人文素養(yǎng)也是核心素養(yǎng)中必不可少的部分。生物學(xué)教師需要在教學(xué)中不斷融入藝術(shù)、人文的內(nèi)容，培養(yǎng)學(xué)生欣賞自然、欣賞美和珍愛生命的情懷，形成STEAM教育理念下的全方面人才培養(yǎng)氛圍。

4.4 編制STEM教育教材 現(xiàn)行的人教版、蘇教版等各版本的生物學(xué)教材中，學(xué)生的實(shí)驗(yàn)仍以驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)較多，而對(duì)學(xué)生探究能力的培養(yǎng)有所欠缺。在開發(fā)和編制關(guān)于STEM新課程的教材時(shí)，應(yīng)當(dāng)注意到不同年齡段學(xué)生的認(rèn)知特點(diǎn)，課程設(shè)計(jì)要符合學(xué)生的學(xué)段要求。