在生物學(xué)拓展實(shí)踐中培育學(xué)生的STEMx素養(yǎng)*

周建中 張 鑫

（中國(guó)福利會(huì)少年宮 上海 200040）

1986年，美國(guó)國(guó)家科學(xué)委員會(huì)發(fā)布報(bào)告《本科的科學(xué)、數(shù)學(xué)和工程教育》，提出了“科學(xué)、數(shù)學(xué)、工程和技術(shù)教育集成”的綱領(lǐng)性理念，旨在打破學(xué)科之間的界限，培養(yǎng)學(xué)生的理工素養(yǎng)，這被視為STEM 教育的里程碑。之后，美國(guó)國(guó)家基金會(huì)將這4 門學(xué)科簡(jiǎn)稱為SMET 教育。2001年，正式更名為STEM，成為4 門學(xué)科的統(tǒng)稱，并將其稱為教育的一次全新嘗試，目的是提倡問(wèn)題解決驅(qū)動(dòng)的跨學(xué)科式理工科教育［1］。2006年，當(dāng)STEM 教育理念真正用到實(shí)際教學(xué)中時(shí)，美國(guó)學(xué)者格雷持·亞克門［2］在原有STEM教育的基礎(chǔ)上，將藝術(shù)（art）作為一個(gè)重要因素加入其中而提出STEAM 教育。隨著STEM 教育發(fā)展的過(guò)程中不斷地豐富學(xué)科范圍，最終擴(kuò)展到STEMx 教育，這其中的x，意味無(wú)限可能，代表了學(xué)生科學(xué)精神和綜合能力的延伸，強(qiáng)調(diào)社會(huì)價(jià)值、人文藝術(shù)、信息技術(shù)與STEM 的融合［3］；x 進(jìn)一步細(xì)化為跨學(xué)科素養(yǎng)、科學(xué)探究素養(yǎng)、工程設(shè)計(jì)素養(yǎng)、深度協(xié)作素養(yǎng)、表達(dá)交流素養(yǎng)。而生物學(xué)科以其與真實(shí)的自然、生活、問(wèn)題情境聯(lián)系最為密切，并具有實(shí)驗(yàn)性、開(kāi)放性、拓展性、體驗(yàn)性強(qiáng)的特點(diǎn)，非常適合在生物學(xué)拓展實(shí)踐中培養(yǎng)學(xué)生上述的STEMx 素養(yǎng)。

1 培育跨學(xué)科素養(yǎng)

與STEMx 培育跨學(xué)科素養(yǎng)對(duì)應(yīng)的是《普通高中生物學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版）》中要求的“要注意學(xué)科間的聯(lián)系”。自然界是一個(gè)統(tǒng)一的整體，自然科學(xué)中的生物學(xué)、物理學(xué)、化學(xué)等各門學(xué)科的思想方法、基本原理、研究?jī)?nèi)容有著密切的聯(lián)系。生物學(xué)與數(shù)學(xué)、技術(shù)、工程學(xué)、信息科學(xué)是相互滲透、共同發(fā)展的［4］，由此衍生的生物統(tǒng)計(jì)學(xué)、生物化學(xué)、生物地理學(xué)、生物工程學(xué)、生物信息學(xué)，都說(shuō)明了生物科學(xué)具有跨學(xué)科融合的特性。這也為培育學(xué)生在生物學(xué)實(shí)踐中形成跨學(xué)科素養(yǎng)創(chuàng)造了條件。但生物學(xué)與人文社會(huì)科學(xué)的跨界融合，目前關(guān)注與實(shí)踐的并不多。鑒于此，筆者認(rèn)為可在筆記自然和科學(xué)游記2 個(gè)方面進(jìn)行跨學(xué)科素養(yǎng)的培育。例如，在進(jìn)行北師大版《初中生物八年級(jí)上冊(cè)》“家蠶的生殖和發(fā)育” 學(xué)習(xí)時(shí)，教師可設(shè)計(jì)飼養(yǎng)家蠶的拓展活動(dòng)，指導(dǎo)學(xué)生用筆記自然的方法記錄家蠶“卵—幼蟲(chóng)—蛹—成蟲(chóng)”的生長(zhǎng)變化過(guò)程，從而更好地理解蠶是完全變態(tài)發(fā)育的概念。又如，進(jìn)行人教版《初中生物八年級(jí)上冊(cè)》“認(rèn)識(shí)生物的多樣性”學(xué)習(xí)時(shí)，教師可設(shè)計(jì)在植物園、動(dòng)物園或生態(tài)保護(hù)區(qū)進(jìn)行實(shí)地觀察，指導(dǎo)學(xué)生用科學(xué)游記的方法記錄所見(jiàn)、所聞、所思，并最終進(jìn)行表達(dá)交流。以上2 種方式，將生物學(xué)與美術(shù)、語(yǔ)文進(jìn)行跨學(xué)科融合，在生活環(huán)境中，給學(xué)生釋放更多的回歸自然空間，讓其帶著自然之美、探究之質(zhì)、記錄之思在筆記自然、科學(xué)游記的同時(shí)，感悟科學(xué)之美，培育跨學(xué)科素養(yǎng)。

2 培育科學(xué)探究素養(yǎng)

STEMx教育的核心是科學(xué)教育，而科學(xué)教育的關(guān)鍵是探究［3］?？茖W(xué)探究既是生物學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)，也是生物學(xué)課程內(nèi)容的重要組成部分。生物學(xué)中的諸多現(xiàn)象和問(wèn)題，與自然、環(huán)境、生活密切相關(guān)。培育科學(xué)探究素養(yǎng)，就是要引導(dǎo)學(xué)生在真實(shí)的生活環(huán)境中，發(fā)現(xiàn)現(xiàn)實(shí)世界中的生物學(xué)問(wèn)題，并將問(wèn)題引入教材的學(xué)習(xí)及拓展實(shí)踐中。例如，在進(jìn)行人教版《初中生物七年級(jí)上冊(cè)》“生態(tài)系統(tǒng)”拓展實(shí)踐時(shí)，可引入電影《狼圖騰》中的片段：人們趕到大雪湖尋找狼貯備的食物，發(fā)現(xiàn)了一只活的小黃羊，比利格阿爸卻要求將那只黃羊放生。這時(shí)，教師引發(fā)學(xué)生思考：當(dāng)時(shí)食物匱乏，為什么還要將那只與綿羊爭(zhēng)奪食物的黃羊放生？再引導(dǎo)學(xué)生理解：其實(shí)這里蘊(yùn)含著生態(tài)學(xué)的道理。如果狼的食物都被人取走了，狼就會(huì)攻擊更多的綿羊；如果黃羊種群同時(shí)存在，則綿羊被狼攻擊的可能性就會(huì)減少。這就是生態(tài)平衡，即在草原上，草、食草動(dòng)物（黃羊、旱獺、野兔、草原鼠）、人類飼養(yǎng)的動(dòng)物（綿羊）、食肉動(dòng)物（狼），以及它們所處的環(huán)境之間達(dá)到一個(gè)相對(duì)穩(wěn)定的動(dòng)態(tài)平衡狀態(tài)。經(jīng)過(guò)之前的鋪墊，提出探究的主題 “生態(tài)瓶穩(wěn)定性探究”，并運(yùn)用5E［5］探究式教學(xué)模式進(jìn)行探究素養(yǎng)培育（表1）。

3 培育工程設(shè)計(jì)素養(yǎng)

工程學(xué)是指設(shè)計(jì)解決方案的流程的科學(xué)，工程學(xué)的流程包括為制作生產(chǎn)產(chǎn)品所需要的圖紙和模型［7］。在生物學(xué)教學(xué)中滲透STEMx 教育理念是未來(lái)的發(fā)展方向，也是課程標(biāo)準(zhǔn)的要求。如何將生物學(xué)和工程學(xué)進(jìn)行整合，從而更好地培育學(xué)生的工程設(shè)計(jì)素養(yǎng)，是生物學(xué)教育中體現(xiàn)STEMx 教育理念的關(guān)鍵。工程的關(guān)鍵是設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)是建立在高階思維上的想象和創(chuàng)造，因此，在生物學(xué)教學(xué)指導(dǎo)中，教師應(yīng)創(chuàng)設(shè)學(xué)生進(jìn)行設(shè)計(jì)的空間。例如，在進(jìn)行人教版《初中生物七年級(jí)上冊(cè)》“種子萌發(fā)的環(huán)境條件”實(shí)驗(yàn)時(shí)，教師可先引導(dǎo)學(xué)生按“我的設(shè)計(jì)”要素進(jìn)行設(shè)計(jì)（表2）。

表2 “種子萌發(fā)的環(huán)境條件”實(shí)驗(yàn)“我的設(shè)計(jì)”要素

此外，在生物學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，很多實(shí)驗(yàn)需要借助模型以加深對(duì)概念的理解，這時(shí)可讓學(xué)生嘗試進(jìn)行設(shè)計(jì)，例如：設(shè)計(jì)血細(xì)胞模型、噬菌體模型、測(cè)試反應(yīng)速度快慢的實(shí)驗(yàn)裝置等。美國(guó)學(xué)者莫里森［8］認(rèn)為，設(shè)計(jì)是認(rèn)知結(jié)構(gòu)的過(guò)程，也是學(xué)習(xí)產(chǎn)生的條件。所以在實(shí)驗(yàn)中，引導(dǎo)學(xué)生對(duì)現(xiàn)實(shí)生活中的問(wèn)題進(jìn)行思考，根據(jù)已有技術(shù)和條件進(jìn)行設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)、建立模型，也是維持和激發(fā)學(xué)習(xí)動(dòng)機(jī)、保持學(xué)習(xí)好奇心的重要途徑。

4 培育深度協(xié)作素養(yǎng)

STEMx教育具有協(xié)作性，強(qiáng)調(diào)在群體協(xié)同中相互幫助、相互啟發(fā)，進(jìn)行群體性知識(shí)構(gòu)建。生物學(xué)課題研究的問(wèn)題往往是真實(shí)的，真實(shí)任務(wù)的解決離不開(kāi)同伴、教師或?qū)＜业暮献鳎?］。筆者曾經(jīng)指導(dǎo)的“幾種蔬果提取物對(duì)花葉芋試管苗生長(zhǎng)的影響”課題研究［10］中，就是基于學(xué)生不同空余時(shí)段、選擇的不同材料、研究不同階段的情況，引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行協(xié)作研究（表3）。

表3 “幾種蔬果提取物對(duì)花葉芋試管苗生長(zhǎng)的影響”課題協(xié)作分工情況

在整個(gè)課題研究中，通過(guò)分工協(xié)作，一則可讓研究有序、有質(zhì)、有效地進(jìn)行，二則可培育學(xué)生的協(xié)作素養(yǎng)，觸發(fā)學(xué)生懂得一個(gè)人的能力是有限的，只有不斷發(fā)揮各自所長(zhǎng)，分享各自智慧，才會(huì)有更大的成功與收獲。

5 培育表達(dá)交流素養(yǎng)

建構(gòu)主義指出，學(xué)習(xí)環(huán)境的四大要素包括情境、協(xié)作、會(huì)話和意義構(gòu)建。其中的“會(huì)話”可理解為商討、表達(dá)、交流。這與STEMx 的表達(dá)交流素養(yǎng)相呼應(yīng)?；谏飳W(xué)跨學(xué)科融合性極強(qiáng)的特點(diǎn)，也就賦予其更多的表達(dá)交流形式，這為在生物學(xué)拓展實(shí)踐中培育學(xué)生的表達(dá)交流素養(yǎng)創(chuàng)造了有利條件。常見(jiàn)的包括在拓展實(shí)踐中，學(xué)生收集和分析學(xué)習(xí)資料、表達(dá)和驗(yàn)證假設(shè)、評(píng)價(jià)成果過(guò)程中的交流；在課題完成后，通過(guò)班級(jí)、學(xué)校、區(qū)市級(jí)有關(guān)科技類活動(dòng)的答辯展示交流；通過(guò)海報(bào)形式，宣傳課題的研究意義成果；通過(guò)專業(yè)的學(xué)術(shù)期刊發(fā)表課題的研究報(bào)告，進(jìn)行學(xué)術(shù)交流。此外，可通過(guò)與藝術(shù)融合的形式，例如，采用科學(xué)表演秀的方式，向觀眾展示生物科學(xué)的奧妙。筆者曾指導(dǎo)的科學(xué)表演秀《多色花》，科學(xué)原理源自學(xué)生對(duì)甘藍(lán)汁液遇到酸堿能顯色反應(yīng)的學(xué)習(xí)收獲，在課后制得甘藍(lán)pH 試紙，并用其制得“多色花”進(jìn)行實(shí)驗(yàn)表演。劇情設(shè)計(jì)源自學(xué)生感興趣的科學(xué)知識(shí)和自身積累的童話故事的整合；劇情的呈現(xiàn)是以生活中的語(yǔ)言以對(duì)話這一簡(jiǎn)單形式進(jìn)行；劇中所涉及的材料是生活中最常見(jiàn)和方便使用的。從課內(nèi)到課外、從學(xué)生到演員、從教師指導(dǎo)到家長(zhǎng)參與，一場(chǎng)科學(xué)表演秀巧妙地將科學(xué)原理、實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象融入而使科學(xué)與藝術(shù)完美結(jié)合，學(xué)生在時(shí)空轉(zhuǎn)化、角色表演的深刻表達(dá)交流的體驗(yàn)中，以最直接最深刻最有趣的表達(dá)方式感悟自然科學(xué)。

STEMx 教育的內(nèi)涵注重培育學(xué)生跨學(xué)科、科學(xué)探究、工程設(shè)計(jì)、深度協(xié)作、表達(dá)交流素養(yǎng)，從小養(yǎng)成獨(dú)立思考、追求新知、敢于創(chuàng)新、勇于實(shí)踐、樂(lè)于合作的習(xí)慣，這與我國(guó)一直提倡的培養(yǎng)具有綜合素養(yǎng)、全面發(fā)展的人的教育目標(biāo)一脈相承，它對(duì)我國(guó)未來(lái)教育發(fā)展具有重要意義［3］。生物學(xué)作為一門探究性實(shí)踐性極強(qiáng)的學(xué)科，又與多學(xué)科領(lǐng)域緊密聯(lián)系，一定會(huì)在STEMx 教育本土化實(shí)踐探索中發(fā)揮重要作用。