美国高中STEM教育中的生物学案例及分析

马 成

(上海市市西中学 200040)

吴 畏*

(上海师范大学生命与环境科学学院 200062)

1 美国高中STEM课程的特点

STEM教育重视在科学、技术、工程和数学之间建立合理逻辑，在重新诠释理科教育本质的基础上，使其与动手实践相关的技术和工程教育有机结合，启发学生不断挖掘科学和数学在实际社会生产中的应用价值。STEM课程崇尚的是探究式的学习过程，课程形式是“以课题项目、动手实践性强的活动为载体，以解决一个具有一定挑战性的问题为目标，课程学科基础主要是科学和数学知识”[1]。由此概括来说，STEM教育具有综合性、动态性、回归性、实践性和丰富性等特点。然而，美国在实际推进STEM课程教学过程中，发现目前美国STEM课程中科学和数学课程层面的学科资源非常丰富，但在技术课程层面和工程课程层面，由于需要特定的设备与场所，相对客观条件要求更高。本文精选的两则案例便是美国高中生物学教师通过克服上述客观条件，在课堂中有机融合STEM教育理念之精髓，从而达到培育未来创新人才目的。

2 STEM教育中生物学案例介绍

2.1 案例一：“色觉辅助眼镜”的设计与研发 具体的设计与研发流程如下：

2.1.1 课程形式分析 该案例是典型的“动手实践类”STEM课程，其设计问题之“挑战性”体现在：①“设计并制作一款眼镜”，学生需自行搜集并选取合适的原材料，观察了解普通眼镜构造，纯手工制作对动手能力要求较高；②有效提高被试色彩敏感度需要重新审视“视网膜组成”等科学知识并将其应用到实际生活，思考如何改变外因即镜片属性，以提高视锥细胞工作效率；经历尝试—改进—再尝试—再改进的研发过程。课程目标：知道人体视觉产生过程；学会运用“在线色觉测试软件”，对被试者的色彩敏感度进行定量测定；设计一款“色觉辅助眼镜”，帮助被测者提高色彩敏感度。课程安排：见表1。课程评价：见表2。

表1 “色觉辅助眼镜设计研发”课程安排

表2 “色觉辅助眼镜设计研发”课程评价标准

2.1.2 课程目标分析 以本案例“评价标准”为例(表2)，其“评分项目”分为6个方面：即“科学性”“有效性”“可靠性”“美观性”“合作性”和“创意性”。其中，“科学性：合理运用相关生物学知识”旨在培养“建构能力”，“有效性：有效提高被试者色彩敏感度即测试得分”和“可靠性：充足样本数量，采用图表统计数据”旨在培养“解决问题能力”，“美观性：设计美观大方、方便佩戴”致力于培养“设计能力”，“合作性：分工明确、配合默契”用于考察“合作能力”，“创意性：令人眼前一亮的创新之处”在于培养“创造、发现的能力”。可见该“评价标准”6个“评分项目”与STEM“课程目标”培养的6种能力几乎一一对应。

2.1.3 学科要素分析 通常来说，STEM课程是“科学”“技术”“工程”和“数学”这4门学科的集合。在本案例中“科学”体现在“视觉形成过程”等生物学知识铺垫，“技术”表现为使用“在线色觉测试软件”，“工程”运用于“设计一款色觉辅助眼镜”，“数学”应用于“数据分析、统计图表”。

2.2 案例二：利用3M PetrifilmTM测试片探究不同因素对细菌繁殖速率的影响 具体的设计与研发流程如下：

2.2.1 课程形式分析 该案例是典型的“课题项目类”STEM课程，其设计问题之“挑战性”体现在：①“自拟创新研究题目”，需结合“细菌繁殖条件”等科学知识联系生活实际，寻找感兴趣的研究点。如“探究抑制口腔内菌群生长繁殖的最适温度”“探究不同洗手方法对皮肤表面菌群繁殖速率的影响”等。②学生经历了自主探究实验的全部过程。课程目标：知道细菌培养的主要条件及无菌操作步骤；学会运用3M PetrifilmTM测试片定量检测菌落总数；提出问题，自主探究某一因素对细菌繁殖速率的影响。课程安排：见表3。课程评价：见表4。

表3 “利用3M PetrifilmTM测试片探究不同因素对细菌繁殖速率的影响”课程安排

表4 “利用3M PetrifilmTM测试片探究不同因素对细菌繁殖速率的影响”课程评价标准

2.2.2 课程目标分析 以本案例“评价标准”为例(表4)，每个“评分项目”又根据可量化、客观化和公正化的“评分依据”分为3个等级。表4的6个“评分项目”中，有5个方面的“评分依据”均涉及定量评价。如“严谨性：研究题目、实验假设、设计和过程严谨规范”方面，根据“评分依据”分为“2分：4个方面都符合”“1分：有3个方面符合”和“0分：≤2个方面符合”3个等级。通过对“评分依据”进行量化，是实现无论师生评价还是生生互评，在不同教学环境下，不同教师、不同学生都可统一采纳并对作品或课题进行“客观化、公正化”评价的有效手段，也为教育工作者评价STEM课程是否达成“课程目标”提供了有效参考。

2.2.3 学科要素分析 在本案例中，“科学”体现在“无菌操作与接种”等生物学知识铺垫；“技术”表现为“基于3M PetrifilmTM测试片的细菌培养技术”运用；“工程”暂未得到体现；“数学”则应用于“数据分析、统计图表”。

STEM课程并不强求每次实践都要4个学科要素面面俱到。衡量一门STEM课程的标准，并不是学科要素是否齐全，而是由其课程目标、课程形式等决定。对于“技术”学科的理解，可以是教育技术或信息技术的应用[2]，也可以是“科学”学科范畴下的具体技术的应用，如植物组培技术、PCR技术等。“数学”学科在STEM课程中可以承担“数据统计”的重要角色。

3 对我国高中生物学教学的启示

3.1 培养学生学会学习 《中国学生发展核心素养》对“学会学习”的内涵是“学习意识形态形成、学习方式方法选择、学习进程评估调控等方面的综合表现”[3]。与案例一相似，但上教版高中《生命科学》第2册学习内容“动物体对外界信息的获取”建议为一课时。如何在有限课时中既引入STEM教育理念又落实好课标要求，这对教师提高课堂有效性、合理引导学生转变学法提出了较高的要求。案例二中小组完成实验报告用时较长，可延伸到课后完成。原本担心这种案例会增加学生课余负担，但实践发现：由于能极大赋予学生学习自主权，且STEM教育的模型制作具有一定挑战性和艺术性，能大大调动学生的学习热情。

3.2 培养学生的科学精神 《中国学生发展核心素养》对“科学精神”基本要点的诠释是“理性思维、批判质疑和勇于探究”[3]，STEM课程也非常倡导这一理念，案例二就是一个很好的探究实验案例。可见有效开展“探究性实验”，是我国生物学教学中引领学生科学素养发展的重要手段。例如，高中《生命科学》第一册“食物中主要成分的鉴定”实验，可把“验证性实验”改为“探究性实验”：①预习教材实验要求；②每组自选一种饮料或汤汁作为探究对象并带到实验室(课前)；③实验室鉴定自带的已知样品，学会食物主要营养成分鉴定方法；④自主探究自选饮料或汤汁主要营养成分(课堂)；⑤小组合作完成实验探究报告(课后)。

3.3 培养学生的实践创新 《中国学生发展核心素养》对“实践创新”基本要点的诠释为“劳动意识、问题解决和技术运用”，而STEM教育将科学与工程学结合就是要加强科学实验的目的导向性，重点培养学生的实践能力[3]，两者是不谋而合的。生物学课堂首先需要学会巧妙化解“工程学”专业实验设备缺乏的问题。建议许多日常用品可作为工程学搭建模型的原材料，实验室常见器材亦可替代工程学实验设备，一些简单的探究实验(如“利用琼脂块和染料探究细胞体积大小对跨膜扩散速率影响”)就已经体现了STEM教育的理念。

生物学作为一门实验科学，又与生物技术、生物工程和医学等领域密切联系，一定会在STEM教育本土化实践探索中发挥重要作用。

(基金项目：上海师范大学本科教学建设研究“科学教学技能培训体系教学改革探索与实践”，No.A-2016-16-001010；*通讯作者)