基于水稻遗传分析的STEM课程开发初探

李常德

【摘要】本课题围绕真实的“水稻遗传分析”情景来开发STEM课程，探索在中学开展STEM课程开发和实施的路径。基于水稻遗传分析的STEM课程是由一系列形式多样的专题课程所组成，具有连续性和系统性，注重多学科整合的必要性，关注新知识学习和学习方法的指导，关注学生适应社会发展的能力提升，促进学生综合素养的形成。

【关键词】水稻遗传;STEM;课程开发

一、问题的提出

STEM教育是一种学生面向现实具体问题或项目，通过交流探究学习的的跨学科教育形态。它能有效推动学生在包含生物学等科学、技术、工程和数学素养综合发展。教育部特别把STEM教育列为2017年的新课程标准的重要内容之一，明确要求学生在实践活动中能综合运用STEM方面的知识和能力来解决特定或现实问题。中国教育科学研究院曹培杰博士指出，STEM课程开发中存在易被忽视的误区，如重技能而轻知识学习，流于形式而轻科学精神，重结果轻过程等。有些课程只是将常规的活动过程贴上STEM的标签，课程中设计的学科活动之间缺乏关联性或必要性，未能充分体现STEM教育的核心内涵。如何开发出优质的STEM课程成为教育工作者关注的重点。

水稻作为重要的粮食作物之一，与人们的生活息息相关。科研单位以籼稻品种Mds和R315构建重组自交系（RILs）群体进行谷穗形态、谷粒数、谷粒形态等多个产量有关性状的研究，我们学生对参与其中的某些环节表示出很大兴趣。本课题组尝试从这项水稻实验中的遗传学研究活动当中，延伸开发出符合高中学生学情和STEM教育理念的一系列课程。

二、基于水稻遗传分析的STEM课程的结构与特色

STEM课程设计的目标是将不同领域的知识体系与生产生活进行联系，让学生有机会综合运用多学科知识来解决真实情境下的问题，实现知识的理解和迁移，从而提升学生的学科素养、高阶思维和创新力等能力。本STEM课程的开发设计兼具以下特色：

1. 本STEM课程围绕“水稻遗传分析”情景制定项目目标，在内容上进行适当延伸，开发出多个不同形式的系统专题课程。课程安排的教学内容上具有连贯性和系统性，遵循循序渐进与促进发展相结合原则，既符合学生身心发展及知识的逻辑顺序，又能促进学生深度学习、实现思维能力发展。

2. 课程开发上注重多学科整合的必要性。本课程以水稻研究作为多学科整合的枢纽，联结生物、技术、工程和数学等多方面内容，包括生物中的遗传定律、作物生长代谢;信息技术中的python编程、Excel处理;工程中的文献、资料搜集;数学中数学建模、函数运算等等。这些学科之间内在联系，如数学相关系数的计算是分析水稻不同性状关系的原理，而数学的函数计算又可以通过计算机编程或Excel的函数处理可以简化处理等，紧扣项目目标的研究需要，具有设置的合理性和必要性。

3. 课程开发上关注新知识学习和学习方法的指导。大多STEM课程设计都强调学生技能和思维的培训和创新性解决方案的达成。不过，真实世界的问题往往是复杂的，需要学生不断扩充自身的认知结构数量，改变认知结构性质，实现的意义建构，才能真正意义上地解决问题。因此，知识学习依然是STEM教育的核心，这样才能让学生获得真正的成长。

本课程中，专题2涉及的市场调查的概念和方法、专题3的抽样调查的概念和误差分析、专题4的python编程语言等等，都需要学生通过不同途径进的探索和发现进行学习认知，在实践过程中不断积累和更新知识，提升自身能力水平，完成课程任务。

4. 课程开发上具有前瞻性，关注学生适应社会发展能力的提升。聚焦科学技术的应用与创新是当今课程改革的新方向之一。人工智能产品逐渐代替人类的工作，而图像识别技术是人工智能的一个重要领域。本课程的专题4《计算机测量谷粒的初步认识》项目目标是让学生通过网络搜索研习，对图像识别测量谷粒的数学方法和计算机技术进行初步调查研究;期待学生能利用如python语言和OpenCV模块编写处理程序。该专题面向新技术，面向创新发展，为新世纪人才提供成长所需的学习环境。

三、基于水稻遗传分析的STEM课程的设计和实施

（一）活动设计

本课程主要采用问题或项目式学习（PBL）法进行实践活动，体现了STEM教育的核心内涵。以专题5《水稻遗传数据的统计分析》为例，该专题的学习目标为让学生通过计算机进行数学建模，分析水稻控制粒数、粒重等产量性状在RIL群体中的表现，为有关基因进行定位提供重要依据。课程目标中包含生物学、数学、技术和工程等不同学科领域的内容。

（二）活动实施的环节

该课堂活动的三个环节层层递进，相互联系，引导学生完成学习任务。

环节一：了解学生的水平。

教师联系专题2的调查结果创设情景：“通过大家的市场调查结果可知，人们对米饭香味的品质有一定的要求，对其基因进行定位分析具有一定的研究价值。已知水稻香味和每穗总粒数两对相对性状各由一对等位基因控制，其中总粒数基因位于第9号染色体上。如何判断产香基因是否也在9号染色体上？请设计一个杂交实验来证明。”。通过Excel表格功能模拟RIL群体性状分布情况，让学生运用基本公式编辑功能、数学的概率运算和生物的遗传知识来解释。

教师在学生的活动中了解不同学生的知识和能力水平。若学生的知识水平和过程表现令人满意，再让学生讨论，用另一种数学方法求解，引導学生从相关系数运算的方向进行思考，培养学生的创新思维能力，为最后环节的学生思维活动进行铺垫。

环节二：性状数据的建模。

呈现第二个情景问题——“生物的数量性状的变异呈连续性，频率呈正态分布，由多对基因共同决定。另一类是质量性状，其变异呈间断性。请分析，我们所统计的水稻RIL群体中几种产量性状各是属于哪一类？”。学生分组讨论，通过Excel软件处理，利用水稻RIL群体统计表中的实测数据进行分析建模，在软件中生成模型图，得出的结果记录在实验报告中，然后进行分享和相互评价。

环节三：项目的核心研究。

“从上述结果看出，水稻一次枝梗数、二次枝梗数等的产量有关性状属于数量性状，RIL群体中无法出现课本中理想的性状分离比例。请依据实测的统计数据，分析控制这些性状的全部或部分基因，会否可能分布在9号染色体上呢？”

第三个情景真实而复杂。该难题学生需要通过讨论和摸索学习，发挥创新精神，找到解决问题的科学数学方法，通过计算机应用分析，才能完成项目学习任务。

结语

本课题以真实的水稻情景开发STEM课程，探索在中学开展STEM课程开发和实施的路径，期望能为教育工作者提供新的思路，促进STEM教育的发展。当然，STEM课程对学生学习上的积极引导和核心素养发展的影响，还需要在实践中不断细化和探究，才可构建出特色化的、高效的实践体系。

【本文系广州市越秀区教育科学规划2018年度立项课题“基于水稻实验的遗传学STEM课程研究”（越教类[2018]42号）阶段性研究成果】

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