基于STEAM教育理念的《无土栽培》选修课实践

李士杏

摘 要 以《无土栽培》选修课为例，阐述了如何基于STEAM教育理念进行项目性学习设计，如何在教学实施过程中推行STEAM学习模式，如何运用恰当的教学策略促进学生多方面能力提升。最后，对课程开发和实施中如何更好地渗入STEAM理念进行了反思和探讨。

关键词 STEAM教育 无土栽培 生物教学

中图分类号 G633.91 文献标志码 B

起源于美国的STEAM（Science，Technology，Engineering，Art and Mathematics）教育理念，正逐渐成为培养学生创造力和创新精神的新兴的教育实践和研究范式。在STEAM课堂中，学生需要解决的问题必须是生活中真实存在的，学习的形式为项目式学习，学生需要运用各种学科以及跨学科的知识，通过动手实践和科学探究，最终完成某一产品的制作或解决某一问题。在这类课堂中，学生需要“做中学”，即从经验中积累知识，从实际操作中培养思维能力、解决问题的综合能力和创造力。学生真正成为课堂的中心，是参与者和创造者；教师则是帮助学生完成学习的设计者、组织者和引导者。当然，STEAM课堂最大的魅力在于能够激发学生好奇的天性和主动探索能力，有助于学生全身心的参与学习。如何设计适合我国学生的本土化STEAM课程是目前许多教育工作者积极探索的方向。下面以我校自主开发的选修课《无土栽培》为例，阐述了STEAM教育理念和教育方法在课程中的具体实践运用。

1 基于STEAM理念的项目选择

无土栽培是一种用营养液培育植物的现代化农业生产技术，具有提高土地和水肥利用率、减少病虫害、节省人力以及减少环境污染等优点。这一技术不仅对于沙漠荒原等难于耕种地区的农业生产具有重要意义，也可以用于城市居民楼顶绿化。随着航天事业的发展和人类进驻太空的需要，无土栽培成为目前在太空中进行食物生产最有效的方法。因此，无土栽培是来源于真实世界的现实问题，这一情境将强化学生的学习动机，激发他们的探索欲望。

参与无土栽培实践是一种典型的项目式学习方式，学生的一切活动都有明确的任务指向，学生必须亲自完成各个种植环节。在栽培过程中，学生可能会产生疑惑、发现问题，甚至进行错误操作，这就为学习创造了机会。这种基于动手实践和研究探索的活动才能真正唤醒孩子与生俱来的创造力。

如何实现无土栽培是一个需要综合多学科知识才能解决的问题。植物的生长规律和影响因素涉及生物学知识，营养液配制涉及化学知识，保证营养液持续供应涉及工程学知识，培育期间的监测和管理涉及传感器等技术手段的运用。在整个实践过程中，学生需要想办法通过多种学习途径获得所需的相关知识，并且在知识交互运用中，在相互的碰撞中，实现深层次的学习、理解性学习和综合性學习。

另外，种植植物本身就是一件令人愉悦的事情，蔬菜和花卉的优美的外形和色彩能带来美的享受，植物的成长能激起人们内心对生命和自然的热爱，收获的喜悦让人们更能体会劳动带来的成就感和乐趣。这一过程能帮助学生提升审美情趣、增强人文素养。

综上，无土栽培实践活动是一个具备STEAM教育特征的项目选题。

2 课程实施的准备

植物的栽培往往需历时几个月，我校为初高中年级都预留了选修课时间，所以该项目主要利用每周1节选修课的时间开展。考虑到植物生长的延续性，学生还需利用平时的一些休息时间进行观察和管理。

项目开设所需要的场地和设备等条件必不可少。为了充分利用空间，同时兼顾美化环境，教师将两幢教学楼之间第三层的通道作为栽培场所，并在通道中加装了电源插座和自来水管。在校方的大力支持下，购买了一些多层槽式水培架，并配备了相应的储液箱、水泵、上水管道、出水管道。还需准备的其他设备，如定植杯、育苗盘、电导率仪、pH计、电源定时器、电子天平等。另外，配制营养液的化学试剂、育苗用的基质和合适的植物种子也是必不可少的。

3 课程实施流程与教学策略

本课程的项目可以拆分为多个环节，每个环节所需要达到的教学目标也有所不同，学科综合的情况也存在差异，需运用的多元智能侧重点也有所不同。因此，教师依据各环节的任务特点可以采用不同的学习方式，学习时间也依具体情况而定，可以是1个课时，也可以用多个课时。

课程开设的对象可以是初中生，也可以是高中生。教师不必担心各年级的学生存在认知水平和学习能力的差异，对于同一个环节，只需要调整任务的难度水平就可以适应不同层次的学生。

3.1 了解无土栽培技术

首先教师通过资料讲解、播放视频等，向学生简要介绍无土栽培的含义、类别、基本原理和发展历程。然后提出一些问题让学生思考并讨论：无土栽培技术有什么优点和缺点？如何看待无土栽培技术的发展前景？在本地区（你的家乡），无土栽培技术可能带来什么帮助？……或者请学生提出一些自己感兴趣的问题，进行讨论。

学生可以在课后通过网络查阅资料，请教相关专业人员等方式收集信息，最后经综合整理形成观点。对于研究结果的呈现和展示，初中生可以采用宣传小报、PPT等形式，而高中生建议采用小论文、调查报告、小视频等形式。

3.2 认识无土栽培的相关设备

教师带领学生观察学校的水培设施，介绍各部分的名称，然后请学生完成以下任务：

① 认识水培设施各个部分的功能；

② 明确水培设施中液体的流动路径；

③ 估算一个水培架的储液量；

④ 该设施怎样通过设计来满足其产品功能、质量和效益方面的要求？

⑤ 对于该设施，你认为设计方面有哪些不足之处？应该怎样进行改进？

教师可以将学生分成小组，以合作的形式完成任务。学生可以通过观察、测量、试验、讨论、请教老师、查阅书籍资料等方法完成任务。前两个任务的结果可采用绘制水培设施的示意图的方式呈现，在图上标注各部分的名称，用注释说明各部分的功能，用箭头表示液体的流动路径。第三个任务可以采用多种方法完成，教师应要求学生在研究过程中详细的记录测量方法和相关数据，过程记录是一个重要的学习评价依据。第四和第五个任务可以让学生用口头汇报或者书面汇报的方式呈现，通过交流能够激发学生更多的思考，产生出更多的创意。endprint

3.3 无土育苗

育苗是将植物从种子培育成便于移栽的幼苗的过程。育苗过程历时较长，约为1～2月。对于没有经验的中学生来说，育苗很容易失败，所以育苗环节的关注点在于实践和研究，而不需要强求产品的产出。教师可以购买一些现成的幼苗直接进行移栽，既节省时间又能保证后续学习环节正常进行。

教师先通过视频和讲解让学生了解育苗的基本步骤和操作注意事项，然后请各小组学生选择自己喜欢的植物种子进行育苗，并要求学生认真记录在育苗过程中观察到的现象、遇到的问题以及寻求解决方法的途径。育苗过程中的影响因素非常多，基质成分、种子类型、种子的处理方式、育苗过程中的光、温、水、气等条件都会影响种子萌发和植物生长。因此这一环节也是进行探究式学习的好机会。学生可以选择自己感兴趣的因素设立小课题进行实验研究。对于初中生，可以研究“种子的萌发是否需要光照” “温度是否会影响种子萌发的速度”等。对于高中生，可以研究“提前浸种是否会加快种子的萌发” “不同的基质的配比对种子的萌发有何影响” “昼夜温差对于幼苗生长的影响”等。在这一过程中，学生需要自行设计实验步骤、进行实验观察、记录和处理数据，将实验结果用文字或图表进行呈现，最终得出结论。

3.4 营养液的配制

教师先要通过讲解的方式让学生了解营养液中所需的元素类型和浓度范围，以及营养液配制的原则。因为初中生和高中生在化学知识储备方面的差异较大，所以教师要分别设置不同层次的学习任务。对于初中生，重点学习化学溶液的配制方法，任務如下：

① 按照提供的清单取出所需要的化学试剂；

② 按照提供的试剂用量进行准确的称量；

③ 按照提供的配制方法进行溶液的配制；

④ 记录在配制溶液中遇到的问题及解决方法。

对于高中生，需重点学习营养液配方的选择以及各种化学试剂的需要量计算。任务如下：

① 查找资料，了解营养液配方的类型及特点，根据所种植的植物选择一种适合的营养液配方；

② 根据配方中的元素浓度和需要配制的几种母液量计算出各种化学试剂的需要量；

③ 拟定营养液配制的步骤，注意避免配制时试剂混合发生化学反应；

④ 完成溶液的配制；

⑤ 记录在配制溶液中遇到的问题及解决方法。在整个无土栽培的过程中，可能需要多次配制营养液，所以学生可以通过多次完成任务更加熟悉这一环节，甚至还能提出一些改进的措施。

3.5 水培植物的移栽和日常管理

移栽是将幼苗从育苗盘中移入水培架进行培育的过程，对于幼苗的成活有着重要的影响。教师需要先讲解幼苗移栽时的操作方式和注意事项，然后让学生亲手移栽幼苗。在这个过程中，学生要思考以下问题：幼苗根部的基质是否清洗得越干净越好？如何保证幼苗的根部能接触到营养液？如何根据幼苗的类型选择合适的定植杯？……

水培植物生长情况的好坏与日常管理是分不开的，日常管理的内容主要涉及水培营养液的浓度、成分、pH、溶解氧等方面。随着植物的生长，水培液会不断消耗，溶液的pH可能发生改变。植物根系的生命活动需要足够的氧气，对于不耐涝的地植物进行水培时，营养液中含氧量充足与否是成败的关键因素之一。教师可以给每个小组分配一个水培架，让学生负责日常管理。学生需要完成的任务如下：

① 学会使用电导率仪测定水培液的电导率，学会使用pH计测定水培液的pH；

② 学会调节电源定时器对水泵的抽水频率进行控制；

③ 经过一段时间的观察摸索出营养液的添加规律和合适的抽水频率；

④ 经常观察水培设施运行情况，检查是否存在漏液、堵塞、运行不正常等情况；

⑤ 观察并记录植物的生长情况，可以用文字、照片或者绘画等形式。

4 基于STEAM理念的教学反思

本课程作为生物类STEAM课程的初步探索，笔者积累了一些经验，同时也发现了一些问题。例如，大多数学生都十分喜爱这种轻松有趣的学习模式，非常愿意动手参与实践过程，但是在完成一些开放性较强的任务时，他们就显得有些无所适从，力不从心。这种现象与学生长期以来所形成的封闭式被动式的学习习惯有关。因此，教师应该循序渐进，给予适当的引导，强化同伴间的互助互学，帮助学生尽快适应开放式学习。另外，学生往往会认真记录教师讲授的内容，却很少记录自己在探索过程中的收获、想法和问题。其实，研究过程日志是十分重要的学习资料，研究者利用它可以有助于理清思路、发现问题、总结经验、获得灵感等。同时，日志也可以作为过程性评价的重要依据，有助于教师调整教学策略。最后，教师应该特别重视每个环节结束后小组间的汇报交流。结果展示是项目性学习中最精彩的部分，是一种十分重要的评价机制。同伴间的评价对于激发学生的学习热情和改进学习方法具有巨大的推动作用。教师应引导学生充分准备，认真对待。

依托特色校本课程来研发STEAM校本课程是从学校层面发展STEAM教育的重要途径。教师在进行课程开发时，不应该仅仅看重课程的形式是否具有综合性、跨学科、趣味性等特点，更应该从STEAM课程理念的角度去进行评判。例如，学习的情境是否能真正激发学生好奇的天性和主动探索的能力？学习过程中主动权是否真正交给学生？问题的解决过程是否有助于深层次思维的锻炼？动手过程是否有助于开发创造性潜力？同伴合作是否实现了有效的交流和智慧的碰撞？STEAM教育不仅仅是一种教育形式、教育方法，而是一种文化、一种态度。学习STEAM教育，不是仿其形，而是要学其神。endprint