STEAM课程在生物学科项目学习中的实操

沈甜甜 唐思贤

(广东省深圳高级中学〔集团〕 518000) (华东师范大学生命科学学院 上海 200241)

项目学习是一种以制作作品、并将作品的呈现作为目的，借助多种资源在真实世界中开展探究活动。在众创时代背景下随着项目学习的开展，STEAM课程以其创新、灵活和开放等特点也逐渐引起中学生物学教师的注意，它开始帮助师生参与到国内外各类生物学科技创新活动中去。STEAM(science，technology，engineering，art and mathematics)原形为STEM，是美国弗吉尼亚理工大学亚克门教授于1990年在美国科学基金会(NSF)上首次提出是一种用科学、技术、数学和工程进行跨学科方式认识世界和综合创新形式的教育。而STEAM则是由雷特亚克门教授及其团队提出，在原有STEM教育的基础上加入了艺术[1]。

1 STEAM课程与项目学习的内在联系

项目学习与STEAM课程的共性在于它们都是新型教学模式，它们都强调以学生为中心、学科交叉、协作探究学习、作品呈现、过程性评价和对学科概念进行多角度深度挖掘与理解。基于两者的相似性，中学生物学教师可开展以STEAM为基础的项目学习课程。下面以“环球自然日自然科学知识挑战赛”(Global Natural History Day)活动为例来进行阐述。

2 开展基于STEAM项目学习课程的五个要素

2.1 科学地生成生物学科研究主题 具体如下：

2.1.1 教师为学生选择与生物学科相关的大主题 教师要开展一个生物学项目学习，必须要先开展一个与生物学科相关的大主题，设计有针对性的教育活动。生物学教师可以按照生物的形态结构(动物、植物、微生物和人体)、生活环境(陆地、海洋和淡水)、进化等级(低等、高等和过渡类型)和宏观与微观(分子生物学、生态学)等来进行主题分类。也可参考目前与项目学习相关的生物学科技创新类比赛。

例如，“环球自然日自然科学知识挑战赛”每一年都会有一个与生物学科相关联的年度主题：2012年“生物多样性：自然因素、人为影响到全球重要性”、2013年“动物、植物和人类的伟大迁徙”、2014年“适者生存：应变、不变和可持续发展”、2015年“自然界大事件、2016年“自然界中的那些关系：谁是谁的谁？”和2017年“物质世界的真相：大小、尺寸和规模”。

广东省开展生物科技活动起源较早，历年参赛的课题中，研究论文所涉及的生物学科主要有动物学、植物学、微生物学、昆虫学、生态学、农业、林业、水产和医学与健康及生物化学等[2]。也举办过如多肉植物观察大赛、观鸟比赛和植物知识大赛等。这些比赛都为生物学教师科学地选择大主题提供了借鉴。

2.1.2 聚焦小课题，多角度思考，挖掘新方向 教师确定选题之后，学生要开始聚焦小课题。兴趣常作为选题首要条件，如果没有创新，那么课题研究的深度将会受到一定限制。

例如，一位学生对“冷血动物”非常感兴趣，教师可引导他打破观察研究壁虎的尾椎骨在关节面断裂的局限，开拓断尾是否在同一个位置、愈合方式和时间、愈合过程受到什么因素影响等新的研究方向。再如，有学生提出研究恐龙，但恐龙灭绝之谜的选题过于陈旧，如能将研究主题修改为“恐龙的肤色之谜”，探索肤色与食性、获取猎物的方式、躲避的天敌和生活环境等之间的关联更使课题显得新颖。

历年学生的创意选题，如“‘星光海滩’的精灵——荧光藻”“具伪装造型的叶海龙”“寄生在鱼嘴里的缩头鱼虱”和“进化史上的过渡类型题塔利克鱼”等都使人耳目一新，但弊端是中小学生针对此类选题的研究方法大都局限于文献研究的方式。

2.1.3 立足身边题材，解决切身生态与环境问题 基于社会实际，关注生态文明，解决环境问题也逐渐成为生物学科项目学习的重要因素。结合地方特色，选取身边的题材，研究方法多样易于深入研究。

例如，选择深圳公园小区四处可见的外来物种薇甘菊、水葫芦、深圳湾红树林自然保护区的红树、珊瑚种植基地的珊瑚、广东省连南自然保护区的国家级保护动物大鲵和仙湖植物园的兰花与蝴蝶作为研究对象，不仅可在实验室进行研究还可在野外进行实践调查。学生以此可以寻找到一些导致生物多样性减少、海洋污染等环境问题的解决方法。

2.2 工程与技术的创新应用 学生往往会认为制定研究计划是在选题之后开始的，但STEAM课程中生物学教师选择主题、学生聚焦选题和制定研究计划的环节并不是割裂的，而是相互制约的。对于实验中其他变量是否可控，测量工具是否可以获得，资料是否可以查找到等因素要进行可行性分析，否则就需要调整计划和选题，再试用T与E来执行计划。

2.2.1 技术与工程工具替代法 如果在研究计划执行中，学生发现获得的资料信息提供的技术不能捕捉研究对象，就需要创造新的技术来获得研究对象。

例如，某研究小组选定研究螨虫生活条件为课题，研究小组学习《医学蜱螨学》一书使用“黑色小板诱法”“漂浮法”来收集螨虫，但都没获得成功。原因在于螨虫在黑色小板和液滴漂浮中易于移动，难以收集。于是，就改用除螨仪对床单进行除螨，再用宽带透明胶粘贴在除螨仪里搜集的絮状物上，并将透明胶制成标本放在数码显微镜下，成功地拍摄到了螨虫。再如，验证酵母菌繁殖的技术对高年级学生使用革兰氏染色、细胞记数板精确测量外，对于低年级学生则可通过观察气球形态，来判断呼吸强度的替代方案更为简易。

2.2.2 研究对象替代法 在资料搜索时如发现没有相关资料，可选择更换研究对象调整研究方案。

例如，某组学生初期选题“兰科植物嫁接”，但兰科植物嫁接较难成活，学生就选用另一种多肉植物蟹爪兰与仙人球嫁接并获得成功。学生还前往深圳兰科植物研究所，向专家学习了兰科植物的杂交、组培的方法，继续完成兰科植物的研究。

2.3 用统计数据分析研究结果 数学统计应用于生物学项目学习后期的实验数据的处理。对于高年级学生常使用SPSS软件来分析数据。还可用样方法来估算种群的密度，即在被调查种群的分布范围内，随机选取若干个样方，通过计数每个样方内的个体数，求得每个样方的种群密度，以所有样方种群密度的平均值作为该种群的种群密度估计值。对于低年级学生来说，统计数据可使用office柱状图、饼状图和坐标轴更清晰地显示调查结果。

2.4 用艺术手法呈现研究结果 亚克门教授在开展STEAM教育商标的形象化设计中将A设计为“@”，并用“=”联接，以显示其中的关系，这简明地表达了STEAM教育主题。“STE@M=Science & Technology interpreted through Engineering & the Arts，all based in Mathematical elements”的意思为:以数学为基础，通过工程与艺术解释科学与技术[1]。这也就意味着艺术与工程也存在着一定的联系。对于生物学项目学习的艺术呈现形式还侧重于是学生对自然界的理解力，对人与自然的思考与感悟。

2.4.1 艺术模型展览的制作 学生如果通过一个嵌入模型的展览来表述研究过程，那展览呈现板块的内容除了要对整个项目学习过程陈述得条理清晰，逻辑连贯，还要选择合适环保的材料来制作生物学模型，追求展览在艺术上的美感。生物学模型制作并不是简单的还原，教师要鼓励学生在熟悉结构的基础上按照比例合理设计模型，直观地体现其结构与功能的统一性。

例如，学生设计“呼吸系统”模型时，除了处理好气压差，胸腔与肺的结构比例也要考虑在内。为了适应信息化时代的要求，有更多的工具可帮助建立生物学模型，在工程的方面可使用3D打印机、打印笔、激光切割机和传感器等。在模型中可加入自动化装置、开源电子原型平台Arduino和简易编程工具Scratch使学生的创意可视化。作品呈现时，学生配合讲解研究项目，还能体现学生之间分工与合作的人文艺术。

2.4.2 艺术科普剧的呈现 如果研究结果是以一个科普剧的艺术方式来呈现，从音乐、表演、剧情和背景幕布上挖掘作品的表现力，可将研究的生物对象转换为卡通人物，再设计出丰富的情景与引人入胜的故事情节。

例如，在2013年“环球自然日”展评中获得金牌的作品“龟在难途”，学生按照棱皮龟迁徙路线，设计食物充足的大西洋东部觅食到返回非洲加蓬产卵的场景转换，使用会声会影软件制作背景影音配合情节变化，以棱皮龟背部的七道棱为特色设计服装。学生扮演误食塑料袋的棱皮龟的同时，深切感受到海洋污染对海洋动物的伤害。可见艺术的展现，在整个项目学习中实现知识能力与情感的提升，提高学生生物学科的综合素养。

3 在生物学科中开展STEAM课程的前景

STEAM课程在生物学科项目学习中的实操还需要进一步的完善和提升，除了在中学生物学选修课或拓展课中开展之外，我国《义务教育生物学课程标准 2011》和《普通高中生物学课程标准(实验)》中分别设立了“生物技术”一级主题和“生物技术实践”选修模块，并同时强调要“落实科学、技术和社会相互关系的教育”，在《普通高中生物课程标准(实验)》中也指明“要重视学科间的联系”。虽然没有明确提出对生物学科与工程学实践结合的要求，但从STS的角度对“认识生物科学与技术的性质”给予了重视[3]，也为STEAM教育理念在我国中学生物学课堂中的渗透提供了可能性。