基于无土栽培社团的STEM课程开发的实践研究

王朝勇

无土栽培，是指以水、草炭或森林腐叶土、蛭石等介质作植株根系的基质固定植株，植物根系能直接接触营养液的栽培方法。无土栽培中营养液成分易于控制，且可随时调节。在光照、温度适宜而没有土壤的地方，如沙漠、海滩、荒岛，只要有一定量的淡水供应，便可进行。STEM课程重点是加强对学生四个方面的教育：一是科学素养，即运用科学知识（如物理、化学、生物科学和地球空间科学）理解自然界并参与影响自然界的过程;二是技术素养，也就是使用、管理、理解和评价技术的能力;三是工程素养，即对技术工程设计与开发过程的理解;四是数学素养，也就是学生发现、表达、解释和解决多种情境下的数学问题的能力。 基于无土栽培社团的STEM课程的开发是以小学科学课程为载体，以无土栽培社团的科技实践活动为依托，进行STEM课程开发。从STEM教育理念下小学科学课程标准的变化、研究者的自身价值取向、学生的学习情况与兴趣三方面进行课程开发的情境分析。对无土栽培与苏教版小学科学新教材相联系的内容进行了分析、选取与整合。借鉴前人研究成果，即STEM素养能力框架，以及我国现有的学科课程标准，制定无土栽培STEM课程目标。形成无土栽培STEM课程方案，并将课程付诸实践，总结经验，供同行在开发相关STEM课程时借鉴参考。

随着社会的发展，创新人才的培养成为了当下社会的迫切要求，以培养创新型人才的STEM教育越来越受到我国的关注。2017年，我国颁布新的《义务教育小学科学课程标准》，与原来的标准相比，有了许多重要的变化，其中最引人注意的是：新增“技术与工程”领域的内容，体现了“做中学”的教育思想，旨在将学生的学习与现实生活、社会发展相联系;另外，凸显了STEM教育的发展趋势，强调学科之间应相互渗透与联系，提升学生综合运用不同领域知识与方法、理解自然现象和解决问题的能力。

笔者所在学校多年前就建立了学生科学种植实践基地和温室阳光房，其中进行的无土栽培实验项目是学校科学教育的特色项目。笔者认为这是一个将课堂教学与STEM教育理念中的科学、技术、工程、数学相结合的良好契机，可以为学生的“做中学”“学中思”、接触技术与工程学习提供机会，同时还能够丰富原教材内容，拉近课堂学习与生活的距离，让学生既能够获得知识，还能够体会到科学技术、工程设计对我们生活的影响。因此，探索并实践本土化的无土栽培STEM课程开发研究的课题便孕育而生。

一、选择项目，保证课程开发的条件

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，无土栽培已经成为了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。

参与无土栽培实践活动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，甚至进行错误的操作，这同时也就是在为学习创造了机会。这种基于动手实践和研究探索的活动才能真正唤醒学生与生俱来的创造力。

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，营养液配制涉及数学知识，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学习。

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。

因此，无土栽培实践活动是个完全具备STEM教育特征的项目选题。

二、建立基地，保证课程开发实施

植物的栽培往往需历时几个月，我校结合“双减”政策的落实，即：为持续规范校外培训，有效减轻义务教育阶段学生过重作业负担和校外培训负担，为中高年级学生开设了社团活动和课后托管服务，所以我们有充足的时间去开展无土栽培活动，并且在活动中不断去开发完善無土栽培的STEM课程，边开展边开发。

我校有现成的温室阳光房和无土栽培的设备，我们的温室阳光房主要进行的就是无土栽培的研究活动，内容主要有基质栽培（包含箱式基质栽培、砖槽基质栽培）、水培（包含管道水培、箱式水培、立体式水培）、箱式气雾栽培。选择的栽培品种主要有圣女果、甜瓜、奶油小白菜等。我们育苗主要采用了穴盆育苗的技术。学生们在整个无土栽培活动中经历了育苗、移植、营养液配制、日常管理、采收等一系列的研究活动。另外我们在活动中结合发现的问题，进行了《金圣女的基质栽培与水培的对比实验》《气雾培移植作物成活率的提高研究实验》，通过研究实验和活动，学生们感受到了科技的神奇力量，在活动中培养了学生们善于发现问题、研究问题、解决问题的能力。

三、规范流程，保证课程开发的质量

无土栽培STEM课程的开发可以分为多个环节进行，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。

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？等等，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，学生可以采用科技宣传小报、PPT等形式，还可以采用小论文、调查报告、小视频等形式。

2. 认识无土栽培的相关设备

教师带领学生观察学校的基质栽培、水培、气雾培等无土栽培的设施，介绍各部分的名称，然后请学生完成以下任务，如：认识无土栽培設施各个部分的功能;明确水培设施中液体的流动路径;估算一个水培架或气雾盆的储液量;对于这些无土栽培的设施，你认为设计方面还有哪些不足需要改进之处？如何去改进？等等。

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。

3. 学习无土育苗

育苗是将植物从种子培育成便于移栽的幼的过程。育苗过程历时较长，约为1—2个月。对于没有经验的学生来说，育苗很容易失败，所以育苗环节的关注点在于实践和研究，而不需要强求育苗的成功率。教师可以自己先培育一些现成的幼苗来进行移栽，既节省时间又能保证后续学习环节正常进行。

教师先通过视频和演示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。

4. 学习营养液的配制

教师首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，以及营养液配置的原则。对于小学生，我们只要让学生学会按照一定比例进行配比即可，不需要了解太多营养液的成分知识。但是老师要提醒和帮助学生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。

5. 无土栽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定植杯或气雾定植篮进行培育的过程，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？

无土栽培的植物生长状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营养液的增加等问题。随着植物的生长，营养液会不断消耗，溶液的营养物质可能发生改变。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定的任务，让学生负责日常管理。

四、基于无土栽培社团的STEM课程开发的反思

本课程作为小学科学STEM课程开发的又一探索路径，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，教师应该循序斩进，给予适当地引导，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，研究过程记录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。

依托特色社团活动来开发STEM课程是从学校层面发展STEM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STEM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？学习过程中学生是不是真正成为了主人？问题的解决过程是否有助于深层次思维的训练？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？STEM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STEM教育，不是仿其形，而是要学其神。