杜 輝

一、美國自然歷史藏品的數(shù)字化

自20世紀(jì)后半葉起，由于氣候變化、生物多樣性衰退、生物入侵、農(nóng)業(yè)災(zāi)害、公共健康等問題日益凸顯，自然歷史標(biāo)本的應(yīng)用價值逐漸受到重視。阿圖羅·H·阿里尼奧 (Arturo H.Ari?o)基于全球生物多樣性信息網(wǎng)絡(luò) (GBIF)數(shù)據(jù)計算，認(rèn)為全世界約有25億～30億件自然歷史標(biāo)本，[1]類型包括顱骨、骨骼、干燥皮膚、液態(tài)保存有機體、冷凍組織樣本、壓制植物、插針昆蟲、巢、卵、籽、消化道內(nèi)含物、寄生蟲、經(jīng)透明法和染色法處理的有機組織，也包括與標(biāo)本有關(guān)的田野記錄、地理坐標(biāo)參照系、視頻/音頻記錄和照片。它們無論對于環(huán)境議題，抑或生物學(xué)、基因組學(xué)、環(huán)境地理學(xué)等學(xué)科的教育和研究均具有不可替代的價值。

早在19世紀(jì)，美國科學(xué)興起的時代就已開始對自然歷史標(biāo)本進行系統(tǒng)收集、分類和展示。據(jù)筆者初步統(tǒng)計，如今美國至少有300余座博物館和學(xué)術(shù)機構(gòu)收藏自然歷史標(biāo)本，其中有50余座由大學(xué)設(shè)立的自然歷史博物館。隨著國際對自然歷史藏品應(yīng)用價值的重視，美國政府、學(xué)術(shù)機構(gòu)和高校也日益強調(diào)自然歷史藏品的重要性。2005年，美國科學(xué)與技術(shù)政策局、行政管理和預(yù)算局曾共同呼吁聯(lián)邦機構(gòu)重視科學(xué)藏品的保存與使用，成立科學(xué)藏品跨機構(gòu)工作組(Interagency Working Group on Scientific Collections)，與史密森尼學(xué)會、美國農(nóng)業(yè)部共同檢視美國科學(xué)藏品的現(xiàn)狀。工作組在調(diào)查報告中指出，科學(xué)藏品及其相關(guān)信息應(yīng)當(dāng)面向研究者和公眾，用于科學(xué)研究和教育。[2]盡管自然歷史藏品的價值被予以強調(diào)，大學(xué)、博物館和學(xué)術(shù)機構(gòu)收藏的自然歷史藏品規(guī)模和數(shù)量不斷擴大，但是用于藏品收集、保存和研究的資金卻不斷縮減，導(dǎo)致諸多機構(gòu)只能在現(xiàn)有藏品基礎(chǔ)上維持現(xiàn)狀，甚至因為縮減開支導(dǎo)致相關(guān)崗位被削減和藏品的流失。與此同時，現(xiàn)有自然歷史藏品由于分布相對分散，缺乏共享性和可達性導(dǎo)致無法被充分利用。這一局限性隨著數(shù)字化技術(shù)和互聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用得以改善，不僅能有效地實現(xiàn)自然歷史藏品的流動和共享，也為創(chuàng)新型教育方法和自然科學(xué)人才培養(yǎng)帶來契機。隨著數(shù)字化自然歷史藏品規(guī)模的擴大，學(xué)習(xí)者迎來了前所未有的學(xué)習(xí)體驗。

自然歷史藏品的數(shù)字化編目始于20世紀(jì)70年代。世界范圍內(nèi)的自然歷史博物館中約有5%～10%的藏品已實現(xiàn)數(shù)字化，目前有20%～40%的數(shù)字化藏品信息，約6千萬條數(shù)據(jù)記錄已接入互聯(lián)網(wǎng)。[3]網(wǎng)絡(luò)化數(shù)據(jù)庫和云服務(wù)的發(fā)展進一步實現(xiàn)了自然歷史藏品及其相關(guān)數(shù)據(jù)的可達性。例如，全球生物多樣性信息網(wǎng)絡(luò)成立的宗旨，即通過網(wǎng)絡(luò)分享自由開放的生物多樣性數(shù)據(jù)，同時鼓勵各國家、地區(qū)豐富生物多樣性資源。據(jù)全球生物多樣性信息網(wǎng)絡(luò)2014年度報告，目前該系統(tǒng)已經(jīng)收錄9億多條生物多樣性數(shù)據(jù)。[4]其中，美國佛羅里達大學(xué)、康奈爾大學(xué)、紐約州立博物館、伊利諾伊州立博物館、辛辛那提博物館中心等近200座大學(xué)、學(xué)術(shù)機構(gòu)和數(shù)據(jù)庫參與自然歷史藏品數(shù)據(jù)的發(fā)布和共享。

美國國家科學(xué)基金會 (National Science Foundation)是美國自然歷史藏品數(shù)字化的主要倡導(dǎo)者和資助機構(gòu)，致力于鼓勵和推動藏品數(shù)據(jù)庫建設(shè)和跨機構(gòu)檢索。據(jù)統(tǒng)計，目前美國自然歷史標(biāo)本約有10億件，但是僅有10%的標(biāo)本能夠?qū)崿F(xiàn)在線訪問。[5]基于自然歷史標(biāo)本低利用率的現(xiàn)狀，美國國家科學(xué)基金會在21世紀(jì)初提出 “推進生物多樣性藏品數(shù)字化” (Advancing Digitization of Biodiversity Collections)的十年計劃，旨在實現(xiàn) “美國所有生物學(xué)藏品的數(shù)字化，根據(jù)一定標(biāo)準(zhǔn)和格式對藏品數(shù)據(jù)進行處理，形成新型網(wǎng)絡(luò)界面、可視化和分析工具、數(shù)據(jù)采集、地理參照體系，并且提高藏品資源的利用，進行實時生物學(xué)數(shù)據(jù)更新，防止未來出現(xiàn)數(shù)據(jù)無法訪問的情況”。[5]2011年，佛羅里達大學(xué)推出 “數(shù)字化整合生物學(xué)藏品系統(tǒng)” (iDigBio)，試圖將非聯(lián)邦的相關(guān)藏品信息囊括于信息數(shù)據(jù)庫，如今已有49個州的130家機構(gòu)參與其中，形成七種主題藏品網(wǎng)絡(luò) (Thematic Collections Networks)[6]。此外，加利福尼亞大學(xué)、科羅拉多大學(xué)、堪薩斯大學(xué)和杜蘭大學(xué)合作執(zhí)行VertNet計劃，形成分別針對哺乳動物、爬行動物、魚類和鳥類的MaNIS、HerpNET、FishNet和ORNIS四個數(shù)據(jù)庫，共有70余座機構(gòu)的4.4億件標(biāo)本信息收錄其中。[7]

二、美國STEM教育與高等教育革新

在數(shù)字化時代，美國自然歷史藏品信息通過數(shù)據(jù)庫和云服務(wù)的形式被納入社會服務(wù)范疇，其目的在于共享和開放生物多樣性信息以服務(wù)于科研和教育。同時，在STEM教育和高等教育變革理念的倡導(dǎo)下，數(shù)字化自然歷史藏品與自然科學(xué)高等教育合流，激生出多元化教學(xué)項目和教學(xué)方法。早在20世紀(jì)80年代，美國政府機關(guān)、科學(xué)團體和高等教育機構(gòu)就呼吁加強大學(xué)教育。美國國家科學(xué)委員會于1986年出版的報告 《本科科學(xué)、數(shù)學(xué)和工程學(xué)教育》，成為美國高等教育革新的重要依據(jù)。報告指出美國在數(shù)學(xué)、工程學(xué)和科學(xué)方面的高等教育培養(yǎng)面臨嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)，推動科學(xué)、技術(shù)的高等教育是提升競爭力、應(yīng)對全球經(jīng)濟轉(zhuǎn)型的必要之舉。[8]經(jīng)過30余年的發(fā)展，美國STEM教育和革新的本科教育方法被廣泛接受和實踐。自2000年起，美國國家研究委員會、國家科學(xué)院、研究生院委員會、美國數(shù)學(xué)協(xié)會陸續(xù)出版與STEM高等教育有關(guān)的報告?？v觀21世紀(jì)以來相關(guān)報告，可以發(fā)現(xiàn)大致圍繞以下幾個方面展開:一是基礎(chǔ)科學(xué)與技術(shù)教育的現(xiàn)狀與挑戰(zhàn)；二是STEM教育的重要性與戰(zhàn)略意義；三是基于跨學(xué)科與應(yīng)用技術(shù)對課程體系進行改進；四是改變傳統(tǒng)授課方式，倡導(dǎo)以學(xué)生為中心和探究式學(xué)習(xí)，培養(yǎng)科學(xué)素養(yǎng)；五是建立和完善學(xué)習(xí)效果評估體系；六是提高教師素質(zhì)，促進職業(yè)發(fā)展；七是政策和資金扶持；八是推進高校與學(xué)術(shù)機構(gòu)之間的合作。

在STEM教育和創(chuàng)新型本科教育理念的影響下，科學(xué)、技術(shù)、工程學(xué)和數(shù)學(xué)領(lǐng)域分別圍繞本科教育愿景與改變展開討論。為實現(xiàn)科學(xué)、技術(shù)、工程學(xué)和數(shù)學(xué)的教育改革，美國科學(xué)促進會(American Association for the Advancement of Science)曾于20世紀(jì)80年代發(fā)起 “2061計劃”，并出版報告 《面向所有美國人的科學(xué)》，其中強調(diào)科學(xué)素養(yǎng)是STEM教育的關(guān)鍵，主張自然與數(shù)學(xué)、技術(shù)思想之間的內(nèi)在關(guān)聯(lián)。[9]從這一角度而言，STEM教育和高等教育革新不僅僅強調(diào)學(xué)生掌握具體的事實或真相，而且鼓勵和引導(dǎo)學(xué)生具備從事科學(xué)研究，或以科學(xué)思維理解所處的世界。繼1996年 《國家科學(xué)教育標(biāo)準(zhǔn)》(National Science Educational Standards)和2001年 《K－12科學(xué)教育框架》 (Framework for K－12 Science Education)之后，美國于2013年公布的《新一代科學(xué)教育標(biāo)準(zhǔn)》 (The Next Generation Science Standards)中強調(diào) “學(xué)科核心概念”“科學(xué)和工程實踐” “跨學(xué)科概念”三個維度的整合，而且 “科學(xué)和工程實踐”與 “跨學(xué)科概念”應(yīng)當(dāng)在具體情境中完成。[10]

自2006年起，在美國國家科學(xué)基金會和美國科學(xué)促進會的推動下，美國基礎(chǔ)科學(xué)教育學(xué)界逐漸形成 “愿景與變革”(Vision and Change)的理念，即:通過對交叉學(xué)科的研究提高學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)。新的溝通方式和信息體量劇增，本科生的社會、經(jīng)濟和族群構(gòu)成日益多元化，促使教育者反思傳統(tǒng)教學(xué)方式，探索最佳的教學(xué)實踐模式。教育者對STEM課程模塊、課程體系和教學(xué)方法進行研究，有助于提升學(xué)生批判性思考的能力、對基礎(chǔ)科學(xué)和技術(shù)的興趣、學(xué)生的參與度和主動學(xué)習(xí)的能力，同時針對學(xué)習(xí)狀況和成果進行評估?；诖耍绹鴩铱茖W(xué)基金會和美國科學(xué)促進會自2006年發(fā)起了一系列區(qū)域性對話，與基礎(chǔ)科學(xué)教育工作者、本科生和研究生，以及相關(guān)領(lǐng)域的研究者共同探討教育目標(biāo)。[11]經(jīng)過30余年的實踐，美國 STEM本科教育形成多種以學(xué)生為中心的教學(xué)模式，如基于探究的學(xué)習(xí)、案例學(xué)習(xí)、基于模式的學(xué)習(xí)、基于成果的教育、基于問題的學(xué)習(xí)、團隊學(xué)習(xí)、過程取向引導(dǎo)式探究學(xué)習(xí)、實證研究等。整體而言，STEM教育的核心在于實現(xiàn)主動式學(xué)習(xí)，通過質(zhì)疑、思考、分析的學(xué)習(xí)過程使學(xué)生掌握知識并提高能力。在STEM教育理念和高等教育革新舉措影響下，數(shù)字化自然歷史藏品的引入不僅拓展了學(xué)習(xí)資源，也使構(gòu)建最佳學(xué)習(xí)實踐，實現(xiàn)資源共享和跨機構(gòu)協(xié)作成為可能。

三、基于數(shù)字化自然歷史藏品的STEM教學(xué)模式

數(shù)字化自然歷史藏品在STEM高等教育中的應(yīng)用遵循了 “學(xué)科核心概念” “科學(xué)和工程實踐”“跨學(xué)科概念”三個維度。在具體教學(xué)實踐中以掌握學(xué)科概念為基礎(chǔ)，以數(shù)字化自然歷史藏品為媒介，通過探究提升學(xué)生開展科學(xué)實踐的各項能力。2012年美國出版的 《本科生物學(xué)教育的愿景與改變:行動號召》指出生物學(xué)的五個核心概念，分別是:演進；結(jié)構(gòu)與功能；信息流動、交換和儲存；能量與物質(zhì)的路徑和轉(zhuǎn)換；系統(tǒng)。同時，強調(diào)將核心概念貫穿課程體系，注重培養(yǎng)學(xué)生具備 “應(yīng)用科學(xué)過程”“運用定量論證” “運用建模和仿真技術(shù)” “挖掘科學(xué)的跨學(xué)科本質(zhì)”“與其他學(xué)科溝通與合作”以及 “理解科學(xué)與社會的關(guān)系”這六種核心能力，并且倡導(dǎo)充分利用網(wǎng)絡(luò)資源開展教學(xué)和科研實踐。[11]基于數(shù)字化自然歷史藏品的STEM教學(xué)模式主要包括基于實驗的學(xué)習(xí)體驗、基于實踐的探究式學(xué)習(xí)和基于真實情境的學(xué)習(xí)三種形式。

(一)基于實驗的學(xué)習(xí)體驗

動手實踐和實驗室活動是科學(xué)、技術(shù)、工程學(xué)等學(xué)科教育的核心構(gòu)成，隨著對科學(xué)思考和探究能力要求的提高，動手能力和實驗操作在本科教學(xué)中日益受到重視。1989年，哈佛－史密森尼天體物理學(xué)中心 (Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics)曾以短片形式向公眾介紹科學(xué)概念，同時闡明動手研究能夠提高課堂學(xué)習(xí)的效果。[12]《本科生物學(xué)教育的愿景與改變:行動號召》報告中曾對3400名本科畢業(yè)生進行調(diào)查，其中有70%的人認(rèn)為在參與研究的過程中增加了對科學(xué)的興趣，明確了研究生階段需要具備的能力，并且對研究流程和技巧也更具信心。[12]總體而言，美國STEM本科教育機構(gòu)已普遍將動手實踐和實驗參與納入課程體系，以將動手實踐引入課堂教學(xué)和學(xué)徒制項目參與為主要形式。不少學(xué)校還設(shè)置專門人員為學(xué)生參與研究搭建平臺和提供渠道，或是針對學(xué)生設(shè)立不同層次的研究項目。

基于實驗的學(xué)習(xí)體驗?zāi)軌蚣ぐl(fā)學(xué)生對學(xué)術(shù)研究的興趣，培養(yǎng)科學(xué)思維，通過研究設(shè)計、解釋、應(yīng)對實驗的失敗、尋求解決方案和檢驗新技術(shù)等途徑，掌握開展科學(xué)實踐的相關(guān)技能。在基于實驗的學(xué)習(xí)過程中，數(shù)字化自然歷史藏品具有極大的潛力。麻省理工學(xué)院的 “本科生研究機會項目”(Undergraduate Research Opportunities Program)，加州大學(xué)伯克利分校設(shè)立的 “本科生研究學(xué)徒項目”(Undergraduate Research Apprentice Program)，紐約州立大學(xué)加入的 “本科生研究和創(chuàng)造性活動項目”(URECA)，北卡羅來納州立大學(xué)發(fā)起的SCALE－UP項目等都不同程度地利用網(wǎng)絡(luò)和數(shù)字化資源營造學(xué)習(xí)環(huán)境和擴充學(xué)習(xí)資源，通過實驗、模仿等形式引導(dǎo)學(xué)生完成學(xué)習(xí)體驗。[13]

其中，以華盛頓大學(xué)基因組學(xué)教育合作伙伴計劃 (GEP)為例，[14]該計劃不僅利用數(shù)字化自然歷史藏品進行教學(xué)和研究，同時實驗成果也被用于充實數(shù)據(jù)庫。自2006年起，GEP招募了47位教師利用果蠅標(biāo)本進行研究和教學(xué)，并且吸納本科生參與基因組學(xué)項目以學(xué)習(xí)基因注釋，將原始序列數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為完成序列以及現(xiàn)象分析。GEP采取核心概念—實驗—評估的路徑開展教學(xué)活動。

本科生的學(xué)習(xí)首先從真核生物基因的結(jié)構(gòu)開始，通過 “GEP數(shù)字實驗室筆記本”(GEP Digital Lab Notebook)使他們逐步了解轉(zhuǎn)錄起始位點和基因注釋流程。在教學(xué)過程中，教師引導(dǎo)學(xué)生閱讀實驗胚胎學(xué)、染色質(zhì)結(jié)構(gòu)、人類基因、生物信息學(xué)和功能基因組學(xué)等理論性文獻，進而指導(dǎo)閱讀測序技術(shù)、檢測果蠅的基因序列和尋找轉(zhuǎn)錄起始位點等相關(guān)技術(shù)性文獻。通過明確核心概念和基本實驗原理和技術(shù)流程，教師進而通過繪圖和剖析每一個實驗，引導(dǎo)學(xué)生思考和實驗以了解如何檢驗假設(shè)和分析數(shù)據(jù)。在實驗環(huán)節(jié)，學(xué)生借助UCSC基因組鏡像瀏覽器(GEP UCSC Browser Mirror)選擇實驗樣本，完成對若干果蠅的4組染色體序列進行整理和注釋，同時將測序數(shù)據(jù)上傳至中央服務(wù)器，供后續(xù)教學(xué)使用和其他會員進行科研。2010年3月，參與基因組學(xué)教育合作伙伴計劃的學(xué)生高質(zhì)量地完成了2Mbp的DNA序列注釋。[12]

以GEP項目為代表的基于實驗的學(xué)習(xí)，在“學(xué)科核心概念”與 “科學(xué)和工程實踐”雙維度下，運用數(shù)字化自然歷史藏品開展教學(xué)活動頗具啟發(fā)意義。圍繞真核生物基因結(jié)構(gòu)與功能要素的核心概念，通過實驗使學(xué)生掌握和運用研究設(shè)計、具體操作流程、實驗數(shù)據(jù)檢驗和分析，以及應(yīng)對實驗失敗和調(diào)整實驗設(shè)計等科學(xué)實踐能力。參與GEP項目的學(xué)生表示 “有時感覺我在黑暗中步履蹣跚以尋求答案，但是這也促使我積極面對和解決問題”。[14]基于實驗的學(xué)習(xí)體驗極大程度地激發(fā)了學(xué)生對于科學(xué)和技術(shù)的興趣，運用批判性思維像科學(xué)家一樣開展學(xué)術(shù)研究。

(二)基于實踐的探究式學(xué)習(xí)

早在19世紀(jì)，彼得·克魯泡特金 (Peter Kropotkin)就曾倡導(dǎo)以獨立探究和基于發(fā)現(xiàn)問題的教學(xué)方法來取代機械學(xué)習(xí)。教育心理學(xué)家列夫·維果茨基 (Lev Vygotsky)在1978年正式提出基于探究的學(xué)習(xí)理念。該學(xué)習(xí)模式強調(diào)探究是學(xué)術(shù)研究的根基，基于提出問題形成假設(shè)，設(shè)計實驗檢驗假設(shè)，對數(shù)據(jù)進行分析、評估、演繹、歸納，從而得出和交流結(jié)論。探究式學(xué)習(xí)不僅要求教師具備科學(xué)教學(xué)的能力，也需要實現(xiàn)教師、研究者和學(xué)生之間分享思想和實踐，形成課程設(shè)計、教學(xué)模式、探究活動、評估機制的一致性?；谔剿鞯膶W(xué)習(xí)模式涉及內(nèi)容和學(xué)習(xí)兩個面向，二者相輔相成。從低年級到高年級的本科培養(yǎng)過程中，從廣泛的跨學(xué)科內(nèi)容到更為精深的專門知識，學(xué)習(xí)則從依賴式學(xué)習(xí)到自主學(xué)習(xí)和高層次的批判性思維。[15]

STEM教育不僅注重科學(xué)與工程實踐，也將探究視為科學(xué)教育的核心。有學(xué)者指出通過實踐獲得直接經(jīng)驗的過程即 “探究式學(xué)習(xí)”的過程，課堂探究的問題、證據(jù)、解釋、評價與發(fā)表，分別對應(yīng) “科學(xué)與工程實踐”中的若干方面。[16]不僅如此， 《新一代科學(xué)教育標(biāo)準(zhǔn)》 強調(diào)了科學(xué)實踐的重要性，并且明確以科學(xué)探究為取向的教學(xué)實踐需要兼顧科學(xué)思維和實際操作能力的培養(yǎng)。自然歷史藏品數(shù)字化在一定程度上豐富了基于實踐的探究式學(xué)習(xí)的資料來源、途徑和方式?？茖W(xué)與工程實踐能力的培養(yǎng)通常貫穿教學(xué)環(huán)節(jié)中，借助自然歷史藏品數(shù)字化平臺，從三個方面展開教學(xué)活動:一是被結(jié)構(gòu)化的探究活動設(shè)計，包括探究性問題與疑問的設(shè)置和具體實施流程；二是被引導(dǎo)的探究，即教師在具體教學(xué)過程中僅提供大致方向和原則；三是開放的探究活動，即在教師的引導(dǎo)下學(xué)生尋求和建構(gòu)問題和疑問的解決方法。[17]

基于實踐的探究式學(xué)習(xí)通常以提升元認(rèn)知能力、研究能力和溝通協(xié)作能力為基本目標(biāo)，具有基于問題、基于項目和基于案例的多種教學(xué)模式。羅格斯大學(xué)、新澤西州立大學(xué)、加利福尼亞大學(xué)等高等教育機構(gòu)利用數(shù)字化自然歷史藏品資源，用探究式教學(xué)方法進行生物學(xué)相關(guān)課程的授課。[18]以加利福尼亞大學(xué)洛杉磯分校為例，該校將數(shù)字化藏品信息納入基因?qū)W等課程設(shè)計當(dāng)中，通過探究式學(xué)習(xí)的方式幫助學(xué)生掌握基因組識別、結(jié)構(gòu)基元，對細(xì)胞鏈或選擇性有機體進行全基因組分拆等多種形式的高通量分析。

功能基因組學(xué)課程的具體教學(xué)由講授、計算機操作和實驗室三個部分構(gòu)成，在探究導(dǎo)向的實驗過程中完成。其中講授部分向?qū)W生系統(tǒng)介紹基因?qū)W的核心概念、研究倫理和職業(yè)選擇。在此基礎(chǔ)上，每位學(xué)生根據(jù)要求設(shè)計實驗計劃，并在學(xué)期末提交一份研究報告進行數(shù)據(jù)分析和闡述結(jié)論。在計算機操作環(huán)節(jié)，學(xué)生利用 “虛擬蒼蠅實驗室”演示了解實驗室操作的內(nèi)容。課程引入標(biāo)本數(shù)據(jù)庫幫助學(xué)生了解現(xiàn)代基因?qū)W信息，將數(shù)據(jù)庫提供的信息與實驗數(shù)據(jù)相結(jié)合，對控制成年果蠅眼部基因的同型接合子突變基因組進行測定。經(jīng)過一個季度的基礎(chǔ)知識學(xué)習(xí)和實驗操作，學(xué)生將每個突變與轉(zhuǎn)位酶重新結(jié)合，對染色體定位，克隆形成突變體的細(xì)胞，同時利用光掃描電子顯微技術(shù)記錄成年果蠅的眼表型。[19]課程結(jié)束后學(xué)生將實驗數(shù)據(jù)上傳到在線標(biāo)本數(shù)據(jù)庫，以豐富數(shù)據(jù)庫信息用于后續(xù)研究。

加利福尼亞大學(xué)洛杉磯分校開展的基于實踐的探究式學(xué)習(xí)，依據(jù)以下步驟進行:學(xué)生在不預(yù)設(shè)答案的前提下思考科學(xué)問題—通過實驗和研究解決問題—對數(shù)據(jù)進行提煉—通過論證得出結(jié)論，從而完成教學(xué)活動。在具體實施過程中存在三個維度，即:發(fā)現(xiàn)，學(xué)生在已有知識基礎(chǔ)上發(fā)現(xiàn)新的知識；過程，即有教師引導(dǎo)和支持學(xué)生進行探究的過程；質(zhì)詢，即學(xué)生在探究過程中回歸核心理論和議題予以思考。該教學(xué)路徑與課堂探究的問題、證據(jù)、解釋與評價相對應(yīng)，同時實現(xiàn)了在STEM教育 “科學(xué)與工程實踐”維度下提出科學(xué)問題、設(shè)計和實施調(diào)查、分析和解釋數(shù)據(jù)、構(gòu)建科學(xué)解釋、參與基于證據(jù)的討論，以及獲取、評價和交流信息六個要素。

(三)基于真實情境的學(xué)習(xí)

對生物學(xué)、環(huán)境學(xué)、生態(tài)學(xué)、地質(zhì)學(xué)等學(xué)科而言，情境和地方感的確立至關(guān)重要，甚至被視為環(huán)境學(xué)習(xí)動機的核心。[20]基于真實情境的學(xué)習(xí)一方面指將自然歷史標(biāo)本置于真實具體的物理空間，即自然情境；另一方面強調(diào)運用感官和經(jīng)驗探究人地關(guān)系，即社會情境。由于自20世紀(jì)起全球性氣候變化和生物多樣性衰退的現(xiàn)狀，基于真實情境的學(xué)習(xí)能夠引導(dǎo)學(xué)習(xí)者基于經(jīng)驗理解科學(xué)，應(yīng)用科學(xué)解決現(xiàn)實問題，也能夠有效激發(fā)學(xué)習(xí)者的環(huán)保意識和地方情感，從而強化學(xué)習(xí)者的地方認(rèn)同和親環(huán)境行為，關(guān)注環(huán)境與人類、地方與社區(qū)的內(nèi)在關(guān)聯(lián)。

20世紀(jì)90年代初，情境學(xué)習(xí)理論 (Situated learning)被提出并逐漸在各學(xué)科領(lǐng)域產(chǎn)生影響。約翰·布朗，艾倫·柯林斯等學(xué)者早在1989年便提出:知識是活動、情境和文化之部分，并且在其中得以發(fā)展和使用。[21]隨著情境學(xué)習(xí)理論的發(fā)展，知識與學(xué)習(xí)均被賦予情境性的特點，學(xué)習(xí)者不再被視為孤立的個體，其認(rèn)知與行為也深受自然和社會情境的影響，在情境中通過實踐和互動完成知識和自我建構(gòu)，并且能夠影響其他社會群體。與此同時，若干學(xué)者在20世紀(jì)90年代亦將情境和地方感的理念引入生物學(xué)、環(huán)境學(xué)和生態(tài)學(xué)的教學(xué)實踐中，鼓勵教師和學(xué)生通過社會行動改善地方社會和生態(tài)生活，強化個體與地方、生態(tài)及文化之間的紐帶。[22]這一主張與STEM高等教育所倡導(dǎo)發(fā)展的 “理解科學(xué)與社會關(guān)系”這一能力相呼應(yīng)。數(shù)字化自然歷史藏品的應(yīng)用，不僅使地區(qū)生態(tài)系統(tǒng)相關(guān)信息在時間縱深和空間廣度均得以延展，豐富了教學(xué)資源；同時將其置于自然和社會情境中，供探究學(xué)科核心概念和發(fā)展科學(xué)實踐技能之用。此過程將進一步推進STEM高等教育形式與內(nèi)涵的發(fā)展。

以 “情境學(xué)習(xí)理論”提出者之一讓·萊夫(Jean Lave)所在的加州大學(xué)伯克利分校為例:早在1914年，該校脊椎動物學(xué)博物館 (Museum of Vertebrate Zoology)在首任館長約瑟夫·格林內(nèi)爾 (Joseph Grinnell)的主持下開始采集和收藏內(nèi)華達山脈地區(qū)的動物標(biāo)本，積累了上萬件動物標(biāo)本和大量的田野筆記、照片和描述資料。脊椎動物學(xué)博物館對這批豐富的動物標(biāo)本進行了數(shù)字化處理，將標(biāo)本圖片、信息和描述向公眾開放，并且圍繞數(shù)字化藏品進行課程設(shè)計，形成GRP(Grinnell Resurvey Project)課程模塊。GRP模塊由三個相對獨立但彼此關(guān)聯(lián)的結(jié)構(gòu)式板塊構(gòu)成，既可以獨立學(xué)習(xí)，也可以在探究實踐驅(qū)動下相關(guān)聯(lián)，在具體操作過程中與STEM體系中的 “學(xué)科核心概念” “科學(xué)和工程實踐”“跨學(xué)科概念”三個維度緊密相扣。

該課程以加州約塞米蒂地區(qū) (Yosemite)的花栗鼠為研究對象，由GRP模塊分為三個環(huán)節(jié)，配合數(shù)字化自然歷史藏品資源開展教學(xué)活動。課程以由約塞米蒂地區(qū)花栗鼠帶來的氣候變遷為起點，每個模塊向?qū)W生介紹有機體生物學(xué)和進化生物學(xué)的核心概念。在科學(xué)和工程實踐部分，GRP模塊通過層層遞進的三個環(huán)節(jié)訓(xùn)練學(xué)生開展科學(xué)研究的技能。環(huán)節(jié)一為 “探索幅度變化”，即描繪出某一物種分布界限的變化，是論證環(huán)境變化的首要數(shù)據(jù)。在此環(huán)節(jié)中，學(xué)生利用近百年來的標(biāo)本數(shù)據(jù)，分析在過去的一個世紀(jì)里約塞米蒂地區(qū)海拔幅度變化如何影響生物生存。教師基于這一問題，向?qū)W生介紹生態(tài)學(xué)特化、生態(tài)位寬度、棲息條件的海拔變化等核心概念。學(xué)生則利用藏品數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)檢驗假設(shè)，對歷史標(biāo)本和現(xiàn)代標(biāo)本棲息的海拔進行比較，進而理解海拔幅度變化的概念和對生態(tài)的影響。環(huán)節(jié)二為 “檢驗適應(yīng)性”，通過探索遺傳變異的在地變化，檢驗生物能夠更好地適應(yīng)新環(huán)境，還是降低在地適應(yīng)，遷徙到更適于生存的環(huán)境。在此環(huán)節(jié)中，教師引入適應(yīng)、自然選擇、表型改變等概念。學(xué)生根據(jù)標(biāo)本進行動物顱骨形態(tài)測量和分析，思考環(huán)境與顱骨結(jié)構(gòu)變化的關(guān)聯(lián)。環(huán)節(jié)三與 “消失”的物種相關(guān)，即探究氣候變化可能帶來的地方物種滅絕。此環(huán)節(jié)集中體現(xiàn)出探究自然系統(tǒng)穩(wěn)定與變化的STEM跨學(xué)科概念。學(xué)生通過比較，分析花栗鼠的歷史數(shù)據(jù)和現(xiàn)代數(shù)據(jù)，建立生態(tài)位模型，進而預(yù)測某物種未來可能會出現(xiàn)在哪些區(qū)域，[23]成為探究生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定條件、變化決定因素的關(guān)鍵點。

加州大學(xué)伯克利分校的GRP課程模塊在實現(xiàn)STEM三個維度的教學(xué)應(yīng)用基礎(chǔ)上，格外強調(diào)將數(shù)字化自然歷史藏品和學(xué)習(xí)體驗還原到自然和社會情境中。在具體教學(xué)過程中，教師依托區(qū)域性的自然歷史標(biāo)本進行授課，將教學(xué)、科研與地方生態(tài)建立關(guān)聯(lián)。一方面，在真實的自然情境中引導(dǎo)學(xué)生運用概念進行測量和標(biāo)本采集:例如在環(huán)節(jié)一要求學(xué)生運用生態(tài)專業(yè)化、生態(tài)位寬度和高程變化等概念，對區(qū)域的生境條件進行測量、觀察和描述；另一方面，在訓(xùn)練學(xué)生數(shù)據(jù)檢驗、比較和分析能力之外，GRP課程亦強調(diào)將教學(xué)和科研成果轉(zhuǎn)化為社會行動。課程所得觀察結(jié)果和分析數(shù)據(jù)為改善區(qū)域生態(tài)環(huán)境提供數(shù)據(jù)支持，使學(xué)生強化地方感和保護區(qū)域生態(tài)環(huán)境的使命感，實現(xiàn)STEM教育所倡導(dǎo)的建立科學(xué)與社會之間的關(guān)系。

四、余論

自20世紀(jì)80年代呼吁加強本科教育至今，美國在STEM教學(xué)模式和教學(xué)方面積累了豐富的實踐經(jīng)驗。美國科學(xué)促進會曾提出 “最佳的實踐是像科學(xué)那樣教授科學(xué)”。[24]美國諸多教育工作者開始思考科學(xué)的教學(xué)研究，將研究、視角注入實際教學(xué)當(dāng)中，同時探討如何采取積極的學(xué)習(xí)和教學(xué)策略提高學(xué)習(xí)效果，使學(xué)生具備科學(xué)素養(yǎng)。隨著數(shù)字化技術(shù)和云服務(wù)的發(fā)展，數(shù)字化藏品及其信息對教育、科研而言蘊藏著巨大潛力，也為自然歷史標(biāo)本的活化帶來生機。美國博耶研究型大學(xué)本科教育委員會在1998年出版的 《重建本科教育:美國研究型大學(xué)藍(lán)圖》中，針對研究型大學(xué)本科教育改革提出了十條建議，除了強調(diào)建構(gòu)探究式學(xué)習(xí)和開展跨學(xué)科合作之外，也建議創(chuàng)造性地將信息技術(shù)應(yīng)用于教學(xué)。[25]2013年頒布的 《新一代科學(xué)教育標(biāo)準(zhǔn)》亦提出適應(yīng)時代發(fā)展的戰(zhàn)略性教育舉措。其中不僅秉承了STEM跨學(xué)科探究式的實踐思想，而且強調(diào)必須將實體與虛擬兩大學(xué)習(xí)世界相結(jié)合，形成學(xué)校、家庭、社區(qū)、課堂和網(wǎng)絡(luò)一體化的教育理念。

在高等教育革新理念下，美國不少知名大學(xué)積極將數(shù)字化自然歷史藏品引入生態(tài)學(xué)、生物學(xué)、環(huán)境學(xué)、遺傳學(xué)和基因組學(xué)的教學(xué)實踐中。例如2013年哈佛大學(xué)在國家科學(xué)基金會支持下舉辦AIM－UP!工作坊，著重討論如何利用藏品和數(shù)字資源進行生物學(xué)基本概念和方法論的教學(xué)。[25]自然歷史藏品的使用能夠有效地將抽象概念與實例相聯(lián)系，有助于將傳統(tǒng)的講授式教學(xué)方法轉(zhuǎn)變?yōu)橹鲃拥奶骄渴綄W(xué)習(xí)。而數(shù)字化自然歷史藏品則極大地彌補了實物教學(xué)在時間和空間雙重維度下的局限性。數(shù)字化平臺的有效利用使STEM教育所倡導(dǎo)的 “學(xué)科核心概念”“科學(xué)和工程實踐” “跨學(xué)科概念”的整合得以深化。不可忽略的是:數(shù)字化自然歷史藏品的應(yīng)用始終依托于探究的實踐理念和地方情境，其效果的充分發(fā)揮也有賴于相對健全的跨學(xué)科和跨機構(gòu)合作機制，即大學(xué)、博物館、學(xué)術(shù)機構(gòu)、學(xué)生、教師、研究者和決策者之間形成實踐共同體，[26]資金和政策保障措施，以及有效的學(xué)習(xí)效果評估機制。