美国高中的STEM教育生物学案例研究

摘 要：随着美国为了培养技术性人才而将STEM教育计划列为国家发展的核心任务之一，为了解决综合性人才稀缺的难题，世界各国也逐渐开始推广STEM教学理念。这些年来，STEM教育对美国各大洲的教育都产生了深远的影响，使得教育体制得到了很大的改善，起到了良好的促进作用。

关键词：技术性人才 STEM教学 生物学

一、STEM 课程的特点

STEM教育的核心是寻求科学、技术、工程和数学四大领域之间的逻辑关系，然后将其呈现在教育中，通过实际的动手操作来将理科教育的本质向学生展示，鼓励大家通过动手来将技术理论和实际真知相结合，来挖掘数学和科学在我们实际生活中的更深层次应用价值。STEM课程教学理念遵循的是扩散性教学和探究型学习，希望借助有实际操作性的课程项目专题为载体来完成对于课程核心思想和内容的传递。[1]

一般来说，STEM课程的目的是让学生动手解决一个具有挑战性的课题，将科学和数学所需要学习的相关内容融入教学过程让他们可以自己通过实践获得真知并将二者良好的融合在在一起。所以，STEM课程的特点非常鲜明，它具有良好的综合性、动态性、回归性和实践性。在对美国STEM教学推行进行研究的过程中，我们发现美国课程中在实际推进 STEM 课程教学过程中，发现美国虽然在教学过程中的学科资源相对丰富，但在对于技术课程推动时市场会遇到一些例如设备场所的不完善的限制条件。[2]

二、STEM 教育中生物学案例研究

本文以美国高中生物学课堂中的一项动手实践类STEM教学案例作为参考进行深入研究，此案例为“色觉辅助眼镜”的设计与研发。

1.课程形式分析

该案例是STEM教育生物学中典型的动手实践类案例，它分为四个阶段：第一个阶段时长为一个课时，目的是向同学们介绍基础的生物知识（如人眼球结构、视网膜组成、视觉形成过程）作为科学的理论基础；第二个阶段也是一个课时，目的是通过技术引导来鼓励学生的创新型思维，例如教他们如何使用在线色觉测试软件，如何通过色彩的饱和度、对比度来判断当下色彩的敏感度得分，為他们接下来的色觉辅助眼镜设计搭建理论与基本技术平台；第三阶段需要两个课时，这个阶段需要培养学生的协作能力和工程搭建能力。换而言之，同学们需要与队友进行沟通、交流、探讨，从而决定产品设计的机械结构、外观、交互界面的设计理念，最后将理念付诸实践；最后一个阶段也是两个课时，需要培养学生的数学分析能力，在这个过程中，学生需要佩戴上他们自己设计的色觉辅助眼镜参与到在线色觉测试中，通过对样本数据的采集进行统计图表的制作，然后再通过数学分析来对产品进行有效的验证和分析；

2.学生能力分析

对于学生而言，想要完成这个挑战需要做到以下几点：①设计眼镜：学生需要自行对相关资料进行搜索，然后完成构想，将空间想象力、色彩感知力、造型创造力通通应用上；②制作眼镜：这个阶段需要学生的观察能力和动手能力，学生需要自行选取合适的原材料并对普通眼镜进行构造分析，再结合分析结果对自己的在作品进行搭建；③原理思考：这部分需要学生在制作中对应用到的色彩敏感度和视网膜组成相关知识进行思考，然后合理想象该如何将理论付诸于实践中，例如：思考如何通过对外因（如镜片属性）的改变实现视锥细胞工作效率的提高。

3.课程目标分析

本课程的目标是为了提高学生科学、技术、工程和数学四大领域的基础认知并且通过实践动手操作培养学生的创造力和将知识运用到实际生活的实操能力。对于课程任务是否达标我们有六个参考项：科学性、可靠性、有效性、美观性、创意性和合作性。科学性指的是是否合理运用了相关的生物课程知识；可靠性指的是采样数量是否充足；有效性指的是是否有效的将敏感度测试分提高了；美观性指的是设计是否符合大众审美；创意性指的是是否可以达到让人眼前一亮的程度；合作性指的是团队分工明细程度和配合默契度。由次可见，这六个评分点都是根据STEM课程的目标来进行设置的，相对来说比较合理。

4.学科要素分析

一般来说，STEM教学是融合了科学性、工程性、技术性、数学性这四种学科特性而得出的一门综合性强、实践性强、创新度强的三强课程。在色觉辅助眼镜的教学案例中科学体现在生物知识的普及阶段，帮助同学们打下扎实的科学理论基础；技术性体现在色觉测试软件的教学过程，帮助同学们掌握最新测试技术并应用于实践；工程性体现在色觉辅助眼镜整个的搭建过程；数学性体现在数据的采集以及分析。[3]

三、STEM教学对生物学教学的启示

在对STEM教学过程的分析中，我们发现这种生物学案例不但没有增加学生的课余负担，还极大的赋予了学生对于学习的掌控权，大幅度提高了学生对于学习的热情和积极性。所以通过对STEM教学生物学案例的研究，我们对于学生的培养应该注重学习自主性培养、科学创新性培养和实践创新性培养才可以更好的达到高等教育的全面化教育目标。

结语

作为一门实验性学科，生物学不仅与医学类学科密切相关，也与生物工程和生物技术等相关领域紧紧关联，这样的兼容性学科对于未来STEM教育在中国的发展和落实的进程中一定会发挥着重要的作用。

参考文献

[1]赵中建.致力于 STEM 教育的“项目引路”机构[J].上海教育，2014，02.

[2]钟柏.美国 STEM 教育变革中“变革方程”的作用及其启示[J].中国电化教育，2015，05.

[3]程亮，郑晓蕙.美国中学生物学课程中的STEM教育理念及其启示[J].生物学教学，2017，02.

作者简介

庞超，女，汉族，籍贯：江苏省淮安市，研究方向：高中生物。