付 鑫 （北京市十一學(xué)校 北京 100039）

1 研究背景與意義

隨著課堂教學(xué)改革的不斷深化，講授已逐漸被多樣化的教學(xué)策略替代。設(shè)計基于學(xué)生學(xué)習(xí)體驗的課堂活動，成為幫助學(xué)生有效學(xué)習(xí)的核心。生物學(xué)科是一門基于實驗的自然科學(xué)，高中生物學(xué)課程的性質(zhì)一直定位于“進一步提高學(xué)生的生物學(xué)科素養(yǎng)。尤其是發(fā)展學(xué)生的科學(xué)探究能力，幫助學(xué)生理解生物科學(xué)、技術(shù)和社會的相互關(guān)系，發(fā)展交叉學(xué)科技能，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新精神與實踐能力。”［1］這也正是源于美國的STEM 教育的核心觀點。STEM 是科學(xué)（science）、技術(shù)（technology）、工程（engineering）和數(shù)學(xué)（mathematics）4 門學(xué)科的簡稱，強調(diào)多學(xué)科的交叉融合［2］。在現(xiàn)有的科學(xué)課程中，科學(xué)方法通常作為一個介紹性主題進行講授。例如初中生物學(xué)的“觀察法”“實驗法”；高中生物學(xué)的“構(gòu)建模型”“假說-演繹法”等。但是，有很多研究表明，學(xué)生僅僅能表述科學(xué)研究過程，并不意味著他們能進行科學(xué)思考或具備了富有創(chuàng)造力的研究技能［3］。因此，沒有經(jīng)歷過科學(xué)研究過程的學(xué)生，不可能真正理解科學(xué)的本質(zhì)，尤其是科學(xué)探究的過程經(jīng)常是非線性的。

本研究旨在以高中生物學(xué)課程內(nèi)容為背景，設(shè)計符合中學(xué)生認(rèn)知層次的STEM 項目，并在高中實踐、收集數(shù)據(jù)、撰寫報告，為教育研究者和一線教師提供豐富的案例資源和教學(xué)研究參考。另一方面，我國即將實行第9 次基礎(chǔ)教育課程改革，重大變化之一是不再于高中劃分文、理科，這是開放學(xué)生學(xué)習(xí)自由度，實現(xiàn)學(xué)科有效融合的重大嘗試。STEM 交叉學(xué)科的特征將會在我國未來的教育中更加凸顯，同時論證了本研究的意義。

2 研究內(nèi)容與方法

2.1 研究路徑設(shè)計 本研究課題以“STEM 項目的設(shè)計—實施—評價”為行動研究的主要實踐內(nèi)容，以高中生物學(xué)課程內(nèi)容為切入點，通過內(nèi)容分析、文獻檢索確定STEM 項目的主題，以成熟優(yōu)秀的已有STEM 項目為藍(lán)本進行項目方案設(shè)計，撰寫項目指導(dǎo)手冊。研究成員通過指向教學(xué)實踐的行動研究，對項目方案進行實施，利用5E 教學(xué)模式理清教學(xué)思路。制定一一針對項目研究節(jié)點的過程性評價指標(biāo)，對學(xué)生的項目研究進行實時跟蹤，形成一套切實有效的評價方案。在一個STEM 項目結(jié)題后，通過對學(xué)生進行項目適用性的問卷調(diào)查，以及半結(jié)構(gòu)化訪談形成對項目的評價，并指導(dǎo)進一步的項目修訂與完善。最終，通過整理項目設(shè)計、實施過程中利用的材料、平臺，構(gòu)建資源體系（圖1）。

圖1 研究路徑設(shè)計

2.2 研究方法

1）文獻研究法：收集、查閱國內(nèi)、外相關(guān)STEM項目設(shè)計和評價方案的文獻，了解國內(nèi)、外研究現(xiàn)狀及進展，為理清研究思路和選擇研究方法奠定基礎(chǔ)。以STEM 成熟項目設(shè)計和實踐相關(guān)研究成果為基礎(chǔ)，分析已有STEM 資源的適用性，從高中學(xué)生知識水平和學(xué)校學(xué)習(xí)環(huán)境角度出發(fā)，尋找以高中生物學(xué)課程內(nèi)容為背景的STEM 課題、評價方案和訪談提綱編制的依據(jù)。

2）指向教學(xué)實踐的行動研究法：本研究擬在STEM 項目設(shè)計完成的基礎(chǔ)上，利用5E 教學(xué)模式進行教學(xué)設(shè)計，誠然，學(xué)生完成STEM 項目在很大程度上需要依托于課余時間，因此這一問題也在項目教學(xué)策略的規(guī)劃范圍之內(nèi)。教師指導(dǎo)學(xué)生完成STEM 項目，記錄過程性評價，獲得學(xué)生作品和報告以完成終結(jié)性評價，并通過項目適用性問卷和半結(jié)構(gòu)化訪談提綱對學(xué)生進行調(diào)查，獲得修訂和完善課程設(shè)計的依據(jù)。

3 研究結(jié)果與分析

3.1 基于高中生物學(xué)課程的STEM 項目設(shè)計本項目研究基于高中生物學(xué)課程內(nèi)容，從課程的基本內(nèi)容中分析并總結(jié)適合開展STEM 項目教學(xué)和研究的主題，體現(xiàn)新課程“提高生物學(xué)科學(xué)素養(yǎng)、面向全體學(xué)生以及倡導(dǎo)探究性學(xué)習(xí)”的理念。本研究在Skilbeck 及王斌華等國內(nèi)、外學(xué)者所提出的課程設(shè)計步驟的基礎(chǔ)上，結(jié)合STEM 項目的特點，進行校本課程設(shè)計的總體思路［4］，圖2。

圖2 基于高中生物學(xué)課程的STEM 項目設(shè)計思路

①分析學(xué)校環(huán)境條件與學(xué)生需求： 基于文獻研究，在充分分析學(xué)校學(xué)習(xí)環(huán)境條件及學(xué)生需求的前提下，借鑒已有STEM 項目資源中選擇適當(dāng)?shù)闹黝}和內(nèi)容，明確設(shè)計宗旨。分析學(xué)校的環(huán)境條件與學(xué)生需求可以概括為環(huán)境分析： 學(xué)校內(nèi)部環(huán)境即學(xué)校硬件設(shè)施（生物學(xué)高端實驗室的現(xiàn)有配備）、課程課時安排（高中教學(xué)內(nèi)容的計劃）等內(nèi)容； 學(xué)校外部條件即學(xué)生在學(xué)校之外所在的學(xué)習(xí)與生活環(huán)境，這種環(huán)境集中體現(xiàn)了學(xué)生所面臨的實際問題，也是學(xué)生在學(xué)校之外學(xué)以致用的重要機會。環(huán)境條件與學(xué)生需求分析是STEM 項目有效性與適用性的基礎(chǔ)，只有滿足學(xué)生實際生活需求的STEM 項目內(nèi)容，才有可能會成為學(xué)生接受的優(yōu)質(zhì)項目；只有學(xué)校硬件條件有所保障，課程才能得以開設(shè)。因此，充分的學(xué)校環(huán)境分析與學(xué)生需求分析是STEM 設(shè)計與實施過程的奠基石。

②全面分析高中生物學(xué)課程內(nèi)容，尋找生長點：本項目研究的宗旨是從高中生物學(xué)課程出發(fā)，以高中生物學(xué)課程內(nèi)容為核心資源設(shè)計STEM 項目。因此，全面反思高中生物學(xué)課程內(nèi)容，打破固有的教學(xué)策略和方法，才能夠解放思想，尋找STEM項目的生長點。研究團隊采用頭腦風(fēng)暴的方式，并在過去教學(xué)工作中一些研究課的啟示下，鎖定了幾個高中生物學(xué)課程中可作為STEM 設(shè)計的內(nèi)容：組成細(xì)胞的化學(xué)物質(zhì)的鑒定，探究酶作用的適合條件，遺傳規(guī)律的應(yīng)用與擴展，生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與功能等。同時，考慮到研究團隊中包含生物學(xué)競賽教練，因此也從高中生物學(xué)競賽的內(nèi)容中，分析適合普通高中學(xué)生力所能及的內(nèi)容，作為STEM項目設(shè)計的依據(jù)，例如：微生物的分離與分子遺傳學(xué)分析，人體生理學(xué)的醫(yī)學(xué)應(yīng)用等。

③組織課程內(nèi)容，制定指導(dǎo)策略： 在確定STEM 項目的主題之后，需要基于高中課程內(nèi)容，進一步設(shè)計適合學(xué)生的探究活動。學(xué)生的活動需要從課上開始，延伸到課外。因此，為學(xué)生做好引領(lǐng)性規(guī)劃是實現(xiàn)STEM 項目有效性的必要保障。根據(jù)達(dá)西·哈蘭德博士所著《STEM 項目學(xué)生研究手冊》的研究成果，STEM 研究過程大致分為：生成研究主題→制定研究計劃→了解研究主題→撰寫研究方案→準(zhǔn)備并開展實驗→統(tǒng)計分析→解釋數(shù)據(jù)→報告結(jié)果8 個階段。研究團隊在設(shè)計主題之后，依據(jù)上述8 個階段，為學(xué)生提出可操作性建議。實施過程中，在參考高中生物學(xué)課程的課時計劃基礎(chǔ)之上，從學(xué)生的課上實驗出發(fā)，引導(dǎo)學(xué)生發(fā)現(xiàn)問題，并生成研究問題。之后的6 個階段由教師在課下完成輔導(dǎo)，學(xué)生以個人或研究團隊的形式參與項目研究之中。最后一個階段——報告結(jié)果落實在課堂上，引導(dǎo)學(xué)生反思總結(jié)。教師在項目研究中所承擔(dān)的角色包括： 主任導(dǎo)師幫助學(xué)生確定研究主題，并幫助學(xué)生搜集可利用的人員、材料、耗材等資源； 學(xué)科導(dǎo)師從學(xué)科角度幫助學(xué)生解決研究中遇到的科學(xué)問題（圖3）。

圖3 以“尿糖試紙的設(shè)計”為例的組織項目（課程）框架

④課程評價與學(xué)習(xí)效果評價： 首先需要設(shè)計STEM 項目實施過程中活動評價和形成性評價的方式，配合傳統(tǒng)的紙筆測驗，同時重視過程性評價與結(jié)果性評價，確定多主體多方式的評價策略。學(xué)生的學(xué)習(xí)效果是課程最終所需達(dá)成的目標(biāo)，是課程目標(biāo)和教學(xué)目標(biāo)的呼應(yīng)，也是評判課程有效性和適用性的基準(zhǔn)之一。針對學(xué)生學(xué)習(xí)效果評價的諸多研究表明，學(xué)業(yè)評價不應(yīng)訴諸于單一的結(jié)果性紙筆測驗，這種測驗方式雖然能達(dá)到一定測量學(xué)生知識學(xué)習(xí)的作用，但無法對學(xué)生學(xué)習(xí)能力等方面的提高作出有效評判。這種評價的短板尤其體現(xiàn)在本研究所涉及的科學(xué)探究課程上。這就需要豐富多樣的過程性評價予以輔助。過程性評價要求教師在教學(xué)實踐過程中時刻關(guān)注學(xué)生給予的反饋，包括每個教學(xué)環(huán)節(jié)中學(xué)生的互動，這既體現(xiàn)了學(xué)生在課堂上的角色性，又為教師賦予了新的任務(wù)，摒棄了“一言堂”情況的產(chǎn)生；此外，評價的另外一個層面就是對課程本身的評價，課程的有效性和適用性是需要學(xué)生反饋的，教師需要在學(xué)生反饋中逐漸調(diào)整授課節(jié)奏、難度、活動安排，以保證學(xué)生對課程可接受的程度。由此，可以說課程評價既是整套校本課程設(shè)計的結(jié)束，又是新一輪STEM 項目修訂的開端。

3.2 案例成果展示與分析

3.2.1 尿糖試紙的設(shè)計 “細(xì)胞中有機物的鑒定”是高中生物學(xué)必修1《分子與細(xì)胞》模塊學(xué)生接觸到的第1 個重要實驗。通過實驗，學(xué)生能掌握對還原糖、脂肪、蛋白質(zhì)、核酸等生物化學(xué)物質(zhì)的簡單鑒定方法。在以往的教學(xué)活動中，學(xué)生由于缺乏有機化學(xué)、生物化學(xué)的前導(dǎo)知識，很難清楚認(rèn)識物質(zhì)鑒定實驗所涉及的化學(xué)原理。因此，實驗的方法、顯色實驗現(xiàn)象成為死記硬背的內(nèi)容。為了能實現(xiàn)“生物學(xué)←→化學(xué)”2 個領(lǐng)域知識的遷移，并引導(dǎo)學(xué)生基于教材實驗，將定性實驗發(fā)展成為定量實驗，研究團隊的教師帶領(lǐng)學(xué)生進行有機物鑒定實驗的擴展和延伸，其中以“尿糖試紙的設(shè)計”為例進行展示。

表1 尿糖試紙的設(shè)計案例

本項目是基于“細(xì)胞中有機物的檢測和鑒定”內(nèi)容進行的課外拓展，學(xué)生在設(shè)計試紙時對試紙材料、大小等指向產(chǎn)品的研究十分充分，也是學(xué)生首次體驗在實驗活動中考慮制作產(chǎn)品的成本控制、使用人性化等因素。雖然項目持續(xù)的時間不長，卻成為不少學(xué)生首次踏上指向產(chǎn)品產(chǎn)出的STEM 項目設(shè)計之路。

3.2.2 植物生長的實驗探究 “生長素的生理作用”是人教版高中生物學(xué)教材《穩(wěn)態(tài)與環(huán)境》模塊第3 章“植物的激素調(diào)節(jié)”第2 節(jié)的教學(xué)內(nèi)容。生長素是人類首次發(fā)現(xiàn)的植物激素，在日常實踐中發(fā)揮著巨大的作用。在日常生活中，學(xué)生能接觸頂端優(yōu)勢、植物向性運動等有關(guān)植物生長素的生物學(xué)現(xiàn)象，通過本項目的實驗體會，可讓學(xué)生糾正錯誤概念，構(gòu)建知識網(wǎng)絡(luò)，指導(dǎo)日后的生活學(xué)習(xí)。在本項目的教學(xué)組織中，如何設(shè)計科學(xué)性與可行性并存的實驗方案是第1 個教學(xué)難點；其次，學(xué)生對生長素生理作用的兩重性認(rèn)知較為抽象，教師應(yīng)結(jié)合實例進行講解；此外，教學(xué)中還需貫徹“學(xué)以致用”的教學(xué)思想，引發(fā)學(xué)生對生長素指導(dǎo)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)實踐應(yīng)用的相關(guān)思考。

表2 植物根生長的實驗探究案例

本項目的主要目的在于學(xué)生活動從課堂上到課堂下的延伸，經(jīng)過實驗認(rèn)識到生長素兩重性的生理作用特性。在最后一節(jié)的匯報課上，學(xué)生利用了P—O—E 的教學(xué)策略模式，遵循從假說到觀察到解釋的科學(xué)過程，對自己的探究結(jié)果進行匯報和展示。這一過程中，學(xué)生毫無保留地將實驗之前蘊含前科學(xué)概念的假說向全班學(xué)生進行匯報，再陳述自己通過實驗實現(xiàn)概念轉(zhuǎn)變的過程。

在教師的指導(dǎo)下，學(xué)生將在40℃水浴中浸泡1 h 的小麥種子鋪在含不同濃度2，4-D 溶液的紗布上。之后將種子置于適宜相同的條件下進行培養(yǎng)，交于實驗教師，學(xué)生未知各實驗組別種子的生長情況，在項目進行中學(xué)生對不同濃度下的種子生根情況進行預(yù)估，并嘗試說明原因，暴露了前科學(xué)概念。

表3 學(xué)生預(yù)測實驗結(jié)果的小組討論記錄

表4 小麥生根實驗結(jié)果的記錄

圖4 小麥根生長實驗的結(jié)果

表4 和圖4 都是班級學(xué)生通過大數(shù)據(jù)統(tǒng)計（n＞27）、通過對算數(shù)平均進行計算，并通過公式計算了樣本標(biāo)準(zhǔn)差，從而估計班級實驗數(shù)據(jù)的差異性。這種數(shù)據(jù)統(tǒng)計方法是學(xué)生之前沒有接觸過的，本項目的研究為學(xué)生進行數(shù)學(xué)統(tǒng)計和相關(guān)知識的應(yīng)用提供了機會。

4 反思與展望

基于高中生物學(xué)課程的STEM 項目設(shè)計，實現(xiàn)了從課堂向課外的延伸，能解決傳統(tǒng)高中生物學(xué)課堂無法實現(xiàn)的學(xué)生能力培養(yǎng)目標(biāo)。由于研究時間和學(xué)生受眾上的限制，高中生物學(xué)內(nèi)容中能實現(xiàn)STEM 項目設(shè)計的還沒有全部得以實施。此外，本研究設(shè)計的過程性評價和終結(jié)性評價工具還需更多案例的使用及相關(guān)問題的收集以便進一步修訂。這些都是未來可繼續(xù)進行的研究。

STEM 項目不僅僅是科學(xué)、技術(shù)、工程學(xué)、數(shù)學(xué)的簡單相加，而是在實驗和設(shè)計過程中綜合運用相關(guān)學(xué)科解決問題。雖然每一個項目不一定將所有學(xué)科的作用都發(fā)揮得淋漓盡致，甚至于只是對個別1～2 個學(xué)科集中進行了利用。但是反思起來看，STEM 項目的設(shè)計和實施無需拘泥于挖空心思設(shè)計出一個項目，將數(shù)、理、化、生、工程、技術(shù)統(tǒng)統(tǒng)一覽無余，而是按照本研究在3.1 章節(jié)所提出的，通過對學(xué)生的興趣依據(jù)已有資源的基礎(chǔ)之上確定主題，這才能真正解決學(xué)生的實際問題。

本研究由于實施時間和人員條件有限，沒有從數(shù)據(jù)上落實學(xué)生、教師對STEM 項目的有效性和適用性分析，但是已有成果仍然能夠?qū)TEM項目的設(shè)計、實施、結(jié)果有所支持。STEM 從課上到課下的設(shè)計與實施將不會停滯，生物學(xué)科仍然會成為未來STEM 項目設(shè)計的重要支持，相信目前所遇到的問題將在未來的研究中進一步完善。