美国数字化自然历史藏品在STEM本科教育中的应用①

杜 辉

一、美国自然历史藏品的数字化

自20世纪后半叶起，由于气候变化、生物多样性衰退、生物入侵、农业灾害、公共健康等问题日益凸显，自然历史标本的应用价值逐渐受到重视。阿图罗·H·阿里尼奥 (Arturo H.Ariño)基于全球生物多样性信息网络 (GBIF)数据计算，认为全世界约有25亿～30亿件自然历史标本，[1]类型包括颅骨、骨骼、干燥皮肤、液态保存有机体、冷冻组织样本、压制植物、插针昆虫、巢、卵、籽、消化道内含物、寄生虫、经透明法和染色法处理的有机组织，也包括与标本有关的田野记录、地理坐标参照系、视频/音频记录和照片。它们无论对于环境议题，抑或生物学、基因组学、环境地理学等学科的教育和研究均具有不可替代的价值。

早在19世纪，美国科学兴起的时代就已开始对自然历史标本进行系统收集、分类和展示。据笔者初步统计，如今美国至少有300余座博物馆和学术机构收藏自然历史标本，其中有50余座由大学设立的自然历史博物馆。随着国际对自然历史藏品应用价值的重视，美国政府、学术机构和高校也日益强调自然历史藏品的重要性。2005年，美国科学与技术政策局、行政管理和预算局曾共同呼吁联邦机构重视科学藏品的保存与使用，成立科学藏品跨机构工作组(Interagency Working Group on Scientific Collections)，与史密森尼学会、美国农业部共同检视美国科学藏品的现状。工作组在调查报告中指出，科学藏品及其相关信息应当面向研究者和公众，用于科学研究和教育。[2]尽管自然历史藏品的价值被予以强调，大学、博物馆和学术机构收藏的自然历史藏品规模和数量不断扩大，但是用于藏品收集、保存和研究的资金却不断缩减，导致诸多机构只能在现有藏品基础上维持现状，甚至因为缩减开支导致相关岗位被削减和藏品的流失。与此同时，现有自然历史藏品由于分布相对分散，缺乏共享性和可达性导致无法被充分利用。这一局限性随着数字化技术和互联网的应用得以改善，不仅能有效地实现自然历史藏品的流动和共享，也为创新型教育方法和自然科学人才培养带来契机。随着数字化自然历史藏品规模的扩大，学习者迎来了前所未有的学习体验。

自然历史藏品的数字化编目始于20世纪70年代。世界范围内的自然历史博物馆中约有5%～10%的藏品已实现数字化，目前有20%～40%的数字化藏品信息，约6千万条数据记录已接入互联网。[3]网络化数据库和云服务的发展进一步实现了自然历史藏品及其相关数据的可达性。例如，全球生物多样性信息网络成立的宗旨，即通过网络分享自由开放的生物多样性数据，同时鼓励各国家、地区丰富生物多样性资源。据全球生物多样性信息网络2014年度报告，目前该系统已经收录9亿多条生物多样性数据。[4]其中，美国佛罗里达大学、康奈尔大学、纽约州立博物馆、伊利诺伊州立博物馆、辛辛那提博物馆中心等近200座大学、学术机构和数据库参与自然历史藏品数据的发布和共享。

美国国家科学基金会 (National Science Foundation)是美国自然历史藏品数字化的主要倡导者和资助机构，致力于鼓励和推动藏品数据库建设和跨机构检索。据统计，目前美国自然历史标本约有10亿件，但是仅有10%的标本能够实现在线访问。[5]基于自然历史标本低利用率的现状，美国国家科学基金会在21世纪初提出 “推进生物多样性藏品数字化” (Advancing Digitization of Biodiversity Collections)的十年计划，旨在实现 “美国所有生物学藏品的数字化，根据一定标准和格式对藏品数据进行处理，形成新型网络界面、可视化和分析工具、数据采集、地理参照体系，并且提高藏品资源的利用，进行实时生物学数据更新，防止未来出现数据无法访问的情况”。[5]2011年，佛罗里达大学推出 “数字化整合生物学藏品系统” (iDigBio)，试图将非联邦的相关藏品信息囊括于信息数据库，如今已有49个州的130家机构参与其中，形成七种主题藏品网络 (Thematic Collections Networks)[6]。此外，加利福尼亚大学、科罗拉多大学、堪萨斯大学和杜兰大学合作执行VertNet计划，形成分别针对哺乳动物、爬行动物、鱼类和鸟类的MaNIS、HerpNET、FishNet和ORNIS四个数据库，共有70余座机构的4.4亿件标本信息收录其中。[7]

二、美国STEM教育与高等教育革新

在数字化时代，美国自然历史藏品信息通过数据库和云服务的形式被纳入社会服务范畴，其目的在于共享和开放生物多样性信息以服务于科研和教育。同时，在STEM教育和高等教育变革理念的倡导下，数字化自然历史藏品与自然科学高等教育合流，激生出多元化教学项目和教学方法。早在20世纪80年代，美国政府机关、科学团体和高等教育机构就呼吁加强大学教育。美国国家科学委员会于1986年出版的报告 《本科科学、数学和工程学教育》，成为美国高等教育革新的重要依据。报告指出美国在数学、工程学和科学方面的高等教育培养面临严峻的挑战，推动科学、技术的高等教育是提升竞争力、应对全球经济转型的必要之举。[8]经过30余年的发展，美国STEM教育和革新的本科教育方法被广泛接受和实践。自2000年起，美国国家研究委员会、国家科学院、研究生院委员会、美国数学协会陆续出版与STEM高等教育有关的报告。纵观21世纪以来相关报告，可以发现大致围绕以下几个方面展开:一是基础科学与技术教育的现状与挑战；二是STEM教育的重要性与战略意义；三是基于跨学科与应用技术对课程体系进行改进；四是改变传统授课方式，倡导以学生为中心和探究式学习，培养科学素养；五是建立和完善学习效果评估体系；六是提高教师素质，促进职业发展；七是政策和资金扶持；八是推进高校与学术机构之间的合作。

在STEM教育和创新型本科教育理念的影响下，科学、技术、工程学和数学领域分别围绕本科教育愿景与改变展开讨论。为实现科学、技术、工程学和数学的教育改革，美国科学促进会(American Association for the Advancement of Science)曾于20世纪80年代发起 “2061计划”，并出版报告 《面向所有美国人的科学》，其中强调科学素养是STEM教育的关键，主张自然与数学、技术思想之间的内在关联。[9]从这一角度而言，STEM教育和高等教育革新不仅仅强调学生掌握具体的事实或真相，而且鼓励和引导学生具备从事科学研究，或以科学思维理解所处的世界。继1996年 《国家科学教育标准》(National Science Educational Standards)和2001年 《K－12科学教育框架》 (Framework for K－12 Science Education)之后，美国于2013年公布的《新一代科学教育标准》 (The Next Generation Science Standards)中强调 “学科核心概念”“科学和工程实践” “跨学科概念”三个维度的整合，而且 “科学和工程实践”与 “跨学科概念”应当在具体情境中完成。[10]

自2006年起，在美国国家科学基金会和美国科学促进会的推动下，美国基础科学教育学界逐渐形成 “愿景与变革”(Vision and Change)的理念，即:通过对交叉学科的研究提高学生的科学素养。新的沟通方式和信息体量剧增，本科生的社会、经济和族群构成日益多元化，促使教育者反思传统教学方式，探索最佳的教学实践模式。教育者对STEM课程模块、课程体系和教学方法进行研究，有助于提升学生批判性思考的能力、对基础科学和技术的兴趣、学生的参与度和主动学习的能力，同时针对学习状况和成果进行评估。基于此，美国国家科学基金会和美国科学促进会自2006年发起了一系列区域性对话，与基础科学教育工作者、本科生和研究生，以及相关领域的研究者共同探讨教育目标。[11]经过30余年的实践，美国 STEM本科教育形成多种以学生为中心的教学模式，如基于探究的学习、案例学习、基于模式的学习、基于成果的教育、基于问题的学习、团队学习、过程取向引导式探究学习、实证研究等。整体而言，STEM教育的核心在于实现主动式学习，通过质疑、思考、分析的学习过程使学生掌握知识并提高能力。在STEM教育理念和高等教育革新举措影响下，数字化自然历史藏品的引入不仅拓展了学习资源，也使构建最佳学习实践，实现资源共享和跨机构协作成为可能。

三、基于数字化自然历史藏品的STEM教学模式

数字化自然历史藏品在STEM高等教育中的应用遵循了 “学科核心概念” “科学和工程实践”“跨学科概念”三个维度。在具体教学实践中以掌握学科概念为基础，以数字化自然历史藏品为媒介，通过探究提升学生开展科学实践的各项能力。2012年美国出版的 《本科生物学教育的愿景与改变:行动号召》指出生物学的五个核心概念，分别是:演进；结构与功能；信息流动、交换和储存；能量与物质的路径和转换；系统。同时，强调将核心概念贯穿课程体系，注重培养学生具备 “应用科学过程”“运用定量论证” “运用建模和仿真技术” “挖掘科学的跨学科本质”“与其他学科沟通与合作”以及 “理解科学与社会的关系”这六种核心能力，并且倡导充分利用网络资源开展教学和科研实践。[11]基于数字化自然历史藏品的STEM教学模式主要包括基于实验的学习体验、基于实践的探究式学习和基于真实情境的学习三种形式。

(一)基于实验的学习体验

动手实践和实验室活动是科学、技术、工程学等学科教育的核心构成，随着对科学思考和探究能力要求的提高，动手能力和实验操作在本科教学中日益受到重视。1989年，哈佛－史密森尼天体物理学中心 (Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics)曾以短片形式向公众介绍科学概念，同时阐明动手研究能够提高课堂学习的效果。[12]《本科生物学教育的愿景与改变:行动号召》报告中曾对3400名本科毕业生进行调查，其中有70%的人认为在参与研究的过程中增加了对科学的兴趣，明确了研究生阶段需要具备的能力，并且对研究流程和技巧也更具信心。[12]总体而言，美国STEM本科教育机构已普遍将动手实践和实验参与纳入课程体系，以将动手实践引入课堂教学和学徒制项目参与为主要形式。不少学校还设置专门人员为学生参与研究搭建平台和提供渠道，或是针对学生设立不同层次的研究项目。

基于实验的学习体验能够激发学生对学术研究的兴趣，培养科学思维，通过研究设计、解释、应对实验的失败、寻求解决方案和检验新技术等途径，掌握开展科学实践的相关技能。在基于实验的学习过程中，数字化自然历史藏品具有极大的潜力。麻省理工学院的 “本科生研究机会项目”(Undergraduate Research Opportunities Program)，加州大学伯克利分校设立的 “本科生研究学徒项目”(Undergraduate Research Apprentice Program)，纽约州立大学加入的 “本科生研究和创造性活动项目”(URECA)，北卡罗来纳州立大学发起的SCALE－UP项目等都不同程度地利用网络和数字化资源营造学习环境和扩充学习资源，通过实验、模仿等形式引导学生完成学习体验。[13]

其中，以华盛顿大学基因组学教育合作伙伴计划 (GEP)为例，[14]该计划不仅利用数字化自然历史藏品进行教学和研究，同时实验成果也被用于充实数据库。自2006年起，GEP招募了47位教师利用果蝇标本进行研究和教学，并且吸纳本科生参与基因组学项目以学习基因注释，将原始序列数据转化为完成序列以及现象分析。GEP采取核心概念—实验—评估的路径开展教学活动。

本科生的学习首先从真核生物基因的结构开始，通过 “GEP数字实验室笔记本”(GEP Digital Lab Notebook)使他们逐步了解转录起始位点和基因注释流程。在教学过程中，教师引导学生阅读实验胚胎学、染色质结构、人类基因、生物信息学和功能基因组学等理论性文献，进而指导阅读测序技术、检测果蝇的基因序列和寻找转录起始位点等相关技术性文献。通过明确核心概念和基本实验原理和技术流程，教师进而通过绘图和剖析每一个实验，引导学生思考和实验以了解如何检验假设和分析数据。在实验环节，学生借助UCSC基因组镜像浏览器(GEP UCSC Browser Mirror)选择实验样本，完成对若干果蝇的4组染色体序列进行整理和注释，同时将测序数据上传至中央服务器，供后续教学使用和其他会员进行科研。2010年3月，参与基因组学教育合作伙伴计划的学生高质量地完成了2Mbp的DNA序列注释。[12]

以GEP项目为代表的基于实验的学习，在“学科核心概念”与 “科学和工程实践”双维度下，运用数字化自然历史藏品开展教学活动颇具启发意义。围绕真核生物基因结构与功能要素的核心概念，通过实验使学生掌握和运用研究设计、具体操作流程、实验数据检验和分析，以及应对实验失败和调整实验设计等科学实践能力。参与GEP项目的学生表示 “有时感觉我在黑暗中步履蹒跚以寻求答案，但是这也促使我积极面对和解决问题”。[14]基于实验的学习体验极大程度地激发了学生对于科学和技术的兴趣，运用批判性思维像科学家一样开展学术研究。

(二)基于实践的探究式学习

早在19世纪，彼得·克鲁泡特金 (Peter Kropotkin)就曾倡导以独立探究和基于发现问题的教学方法来取代机械学习。教育心理学家列夫·维果茨基 (Lev Vygotsky)在1978年正式提出基于探究的学习理念。该学习模式强调探究是学术研究的根基，基于提出问题形成假设，设计实验检验假设，对数据进行分析、评估、演绎、归纳，从而得出和交流结论。探究式学习不仅要求教师具备科学教学的能力，也需要实现教师、研究者和学生之间分享思想和实践，形成课程设计、教学模式、探究活动、评估机制的一致性。基于探索的学习模式涉及内容和学习两个面向，二者相辅相成。从低年级到高年级的本科培养过程中，从广泛的跨学科内容到更为精深的专门知识，学习则从依赖式学习到自主学习和高层次的批判性思维。[15]

STEM教育不仅注重科学与工程实践，也将探究视为科学教育的核心。有学者指出通过实践获得直接经验的过程即 “探究式学习”的过程，课堂探究的问题、证据、解释、评价与发表，分别对应 “科学与工程实践”中的若干方面。[16]不仅如此， 《新一代科学教育标准》 强调了科学实践的重要性，并且明确以科学探究为取向的教学实践需要兼顾科学思维和实际操作能力的培养。自然历史藏品数字化在一定程度上丰富了基于实践的探究式学习的资料来源、途径和方式。科学与工程实践能力的培养通常贯穿教学环节中，借助自然历史藏品数字化平台，从三个方面展开教学活动:一是被结构化的探究活动设计，包括探究性问题与疑问的设置和具体实施流程；二是被引导的探究，即教师在具体教学过程中仅提供大致方向和原则；三是开放的探究活动，即在教师的引导下学生寻求和建构问题和疑问的解决方法。[17]

基于实践的探究式学习通常以提升元认知能力、研究能力和沟通协作能力为基本目标，具有基于问题、基于项目和基于案例的多种教学模式。罗格斯大学、新泽西州立大学、加利福尼亚大学等高等教育机构利用数字化自然历史藏品资源，用探究式教学方法进行生物学相关课程的授课。[18]以加利福尼亚大学洛杉矶分校为例，该校将数字化藏品信息纳入基因学等课程设计当中，通过探究式学习的方式帮助学生掌握基因组识别、结构基元，对细胞链或选择性有机体进行全基因组分拆等多种形式的高通量分析。

功能基因组学课程的具体教学由讲授、计算机操作和实验室三个部分构成，在探究导向的实验过程中完成。其中讲授部分向学生系统介绍基因学的核心概念、研究伦理和职业选择。在此基础上，每位学生根据要求设计实验计划，并在学期末提交一份研究报告进行数据分析和阐述结论。在计算机操作环节，学生利用 “虚拟苍蝇实验室”演示了解实验室操作的内容。课程引入标本数据库帮助学生了解现代基因学信息，将数据库提供的信息与实验数据相结合，对控制成年果蝇眼部基因的同型接合子突变基因组进行测定。经过一个季度的基础知识学习和实验操作，学生将每个突变与转位酶重新结合，对染色体定位，克隆形成突变体的细胞，同时利用光扫描电子显微技术记录成年果蝇的眼表型。[19]课程结束后学生将实验数据上传到在线标本数据库，以丰富数据库信息用于后续研究。

加利福尼亚大学洛杉矶分校开展的基于实践的探究式学习，依据以下步骤进行:学生在不预设答案的前提下思考科学问题—通过实验和研究解决问题—对数据进行提炼—通过论证得出结论，从而完成教学活动。在具体实施过程中存在三个维度，即:发现，学生在已有知识基础上发现新的知识；过程，即有教师引导和支持学生进行探究的过程；质询，即学生在探究过程中回归核心理论和议题予以思考。该教学路径与课堂探究的问题、证据、解释与评价相对应，同时实现了在STEM教育 “科学与工程实践”维度下提出科学问题、设计和实施调查、分析和解释数据、构建科学解释、参与基于证据的讨论，以及获取、评价和交流信息六个要素。

(三)基于真实情境的学习

对生物学、环境学、生态学、地质学等学科而言，情境和地方感的确立至关重要，甚至被视为环境学习动机的核心。[20]基于真实情境的学习一方面指将自然历史标本置于真实具体的物理空间，即自然情境；另一方面强调运用感官和经验探究人地关系，即社会情境。由于自20世纪起全球性气候变化和生物多样性衰退的现状，基于真实情境的学习能够引导学习者基于经验理解科学，应用科学解决现实问题，也能够有效激发学习者的环保意识和地方情感，从而强化学习者的地方认同和亲环境行为，关注环境与人类、地方与社区的内在关联。

20世纪90年代初，情境学习理论 (Situated learning)被提出并逐渐在各学科领域产生影响。约翰·布朗，艾伦·柯林斯等学者早在1989年便提出:知识是活动、情境和文化之部分，并且在其中得以发展和使用。[21]随着情境学习理论的发展，知识与学习均被赋予情境性的特点，学习者不再被视为孤立的个体，其认知与行为也深受自然和社会情境的影响，在情境中通过实践和互动完成知识和自我建构，并且能够影响其他社会群体。与此同时，若干学者在20世纪90年代亦将情境和地方感的理念引入生物学、环境学和生态学的教学实践中，鼓励教师和学生通过社会行动改善地方社会和生态生活，强化个体与地方、生态及文化之间的纽带。[22]这一主张与STEM高等教育所倡导发展的 “理解科学与社会关系”这一能力相呼应。数字化自然历史藏品的应用，不仅使地区生态系统相关信息在时间纵深和空间广度均得以延展，丰富了教学资源；同时将其置于自然和社会情境中，供探究学科核心概念和发展科学实践技能之用。此过程将进一步推进STEM高等教育形式与内涵的发展。

以 “情境学习理论”提出者之一让·莱夫(Jean Lave)所在的加州大学伯克利分校为例:早在1914年，该校脊椎动物学博物馆 (Museum of Vertebrate Zoology)在首任馆长约瑟夫·格林内尔 (Joseph Grinnell)的主持下开始采集和收藏内华达山脉地区的动物标本，积累了上万件动物标本和大量的田野笔记、照片和描述资料。脊椎动物学博物馆对这批丰富的动物标本进行了数字化处理，将标本图片、信息和描述向公众开放，并且围绕数字化藏品进行课程设计，形成GRP(Grinnell Resurvey Project)课程模块。GRP模块由三个相对独立但彼此关联的结构式板块构成，既可以独立学习，也可以在探究实践驱动下相关联，在具体操作过程中与STEM体系中的 “学科核心概念” “科学和工程实践”“跨学科概念”三个维度紧密相扣。

该课程以加州约塞米蒂地区 (Yosemite)的花栗鼠为研究对象，由GRP模块分为三个环节，配合数字化自然历史藏品资源开展教学活动。课程以由约塞米蒂地区花栗鼠带来的气候变迁为起点，每个模块向学生介绍有机体生物学和进化生物学的核心概念。在科学和工程实践部分，GRP模块通过层层递进的三个环节训练学生开展科学研究的技能。环节一为 “探索幅度变化”，即描绘出某一物种分布界限的变化，是论证环境变化的首要数据。在此环节中，学生利用近百年来的标本数据，分析在过去的一个世纪里约塞米蒂地区海拔幅度变化如何影响生物生存。教师基于这一问题，向学生介绍生态学特化、生态位宽度、栖息条件的海拔变化等核心概念。学生则利用藏品数据库中的数据检验假设，对历史标本和现代标本栖息的海拔进行比较，进而理解海拔幅度变化的概念和对生态的影响。环节二为 “检验适应性”，通过探索遗传变异的在地变化，检验生物能够更好地适应新环境，还是降低在地适应，迁徙到更适于生存的环境。在此环节中，教师引入适应、自然选择、表型改变等概念。学生根据标本进行动物颅骨形态测量和分析，思考环境与颅骨结构变化的关联。环节三与 “消失”的物种相关，即探究气候变化可能带来的地方物种灭绝。此环节集中体现出探究自然系统稳定与变化的STEM跨学科概念。学生通过比较，分析花栗鼠的历史数据和现代数据，建立生态位模型，进而预测某物种未来可能会出现在哪些区域，[23]成为探究生态系统稳定条件、变化决定因素的关键点。

加州大学伯克利分校的GRP课程模块在实现STEM三个维度的教学应用基础上，格外强调将数字化自然历史藏品和学习体验还原到自然和社会情境中。在具体教学过程中，教师依托区域性的自然历史标本进行授课，将教学、科研与地方生态建立关联。一方面，在真实的自然情境中引导学生运用概念进行测量和标本采集:例如在环节一要求学生运用生态专业化、生态位宽度和高程变化等概念，对区域的生境条件进行测量、观察和描述；另一方面，在训练学生数据检验、比较和分析能力之外，GRP课程亦强调将教学和科研成果转化为社会行动。课程所得观察结果和分析数据为改善区域生态环境提供数据支持，使学生强化地方感和保护区域生态环境的使命感，实现STEM教育所倡导的建立科学与社会之间的关系。

四、余论

自20世纪80年代呼吁加强本科教育至今，美国在STEM教学模式和教学方面积累了丰富的实践经验。美国科学促进会曾提出 “最佳的实践是像科学那样教授科学”。[24]美国诸多教育工作者开始思考科学的教学研究，将研究、视角注入实际教学当中，同时探讨如何采取积极的学习和教学策略提高学习效果，使学生具备科学素养。随着数字化技术和云服务的发展，数字化藏品及其信息对教育、科研而言蕴藏着巨大潜力，也为自然历史标本的活化带来生机。美国博耶研究型大学本科教育委员会在1998年出版的 《重建本科教育:美国研究型大学蓝图》中，针对研究型大学本科教育改革提出了十条建议，除了强调建构探究式学习和开展跨学科合作之外，也建议创造性地将信息技术应用于教学。[25]2013年颁布的 《新一代科学教育标准》亦提出适应时代发展的战略性教育举措。其中不仅秉承了STEM跨学科探究式的实践思想，而且强调必须将实体与虚拟两大学习世界相结合，形成学校、家庭、社区、课堂和网络一体化的教育理念。

在高等教育革新理念下，美国不少知名大学积极将数字化自然历史藏品引入生态学、生物学、环境学、遗传学和基因组学的教学实践中。例如2013年哈佛大学在国家科学基金会支持下举办AIM－UP!工作坊，着重讨论如何利用藏品和数字资源进行生物学基本概念和方法论的教学。[25]自然历史藏品的使用能够有效地将抽象概念与实例相联系，有助于将传统的讲授式教学方法转变为主动的探究式学习。而数字化自然历史藏品则极大地弥补了实物教学在时间和空间双重维度下的局限性。数字化平台的有效利用使STEM教育所倡导的 “学科核心概念”“科学和工程实践” “跨学科概念”的整合得以深化。不可忽略的是:数字化自然历史藏品的应用始终依托于探究的实践理念和地方情境，其效果的充分发挥也有赖于相对健全的跨学科和跨机构合作机制，即大学、博物馆、学术机构、学生、教师、研究者和决策者之间形成实践共同体，[26]资金和政策保障措施，以及有效的学习效果评估机制。