融合STEM教育的中学生物教学实践

蔡英娟

摘要：通过展示植物染料“书峰青黛”的提取应用拓展教学案例，呈现STEM教育理念在中学生物教学实践中的融合，探讨地方特色教学资源开发和利用的策略，并结合案例特点进行艺术拓展，实现青黛扎染工艺品的输出。

关键词：STEM教育 中学生物 教学资源

中图分类号：G633.91 文献标志码：B

1前言

在全球理科课程改革全面铺开的今天，《普通高中生物学课程标准（2017年版）》紧跟时代发展步调，将科学、技术、工程学、数学融入生物学课程，并在学业质量中强调了学生跨学科的认识与实践能力的培养。

然而，高中生物学课程中如何设置、教学如何开展STEM教育，如何将地方特色教学资源引入学生的生活经验、问题解决中，进行科学探究、工程设计，实现STEM教育理念在中学生物教学实践中的融合，是提升学生综合素养与生物学学科核心素养的重要窗口。

STEM教育强调让学生获得将知识进行情境化应用的能力，同时能够理解和辨识不同情境的知识表现。因而，學习任务的设计必须从现实世界中出发，若教师选择结合地方特色动植物资源，创设特定的问题情境，则更能激发学生的学习动机和增强学生的生活体验，使学生获得成功愉悦的社会性成长。

设计特定情境的学习任务时，项目问题不仅要基于真实的生活情境，还要能嵌合中学的结构化知识，让学生将学习镶嵌在运用该知识的情境之中来解决问题，同时还必须考虑学习者的特征。只有充分考虑这些细节，设计出的学习目标才具有价值，有意义的学习才可能发生。

2案例：“书峰青黛”提取应用拓展教学

书峰青黛主要是指从爵床科多年生植物马蓝草提取的植物染料，中医上亦可入药;因其生长于海拔350～500 m的仙游书峰乡，而闻名。青黛在民间的使用范围较广，其中用于织品的扎染较为特色，且因扎染呈现的艺术效果极佳，完成的作品具有极强的流传效应。故选择“青黛的提取和应用”在中学开展STEM项目课程可以激发学生浓厚的学习兴趣。

但青黛的传统提取方法较繁琐，且流程中马蓝叶的采摘时期、叶的成熟度和提取时所需的化学药品份量及浓度等全凭操作者的经验。缺乏经验的操作者则很难成功提取到上等的青黛。基于此，高二学生依据自身的学习特点和实际操作能力，同时根据亚历克斯·奥斯本检核表法，开展横向思维活动，以直观、直接的方式提出相关问题：①探究马蓝的生长环境（光照、温度、二氧化碳浓度等）对青黛提取率的影响;②探究马蓝植物的种间关系（共生动植物、竞争性植物、天敌等）;③探究马蓝采摘季节对青黛提取率的影响;④探究马蓝叶的不同成熟度对青黛提取率的影响;⑤设计符合生态学原理的马蓝生态系统，探究人工种植的可行性;⑥计算青黛提取物与马蓝叶质量的比例关系;⑦探究马蓝叶提取青黛与绿叶中提取色素的工艺流程异同点;⑧探究传统提取工艺中石灰石浓度对青黛提取率的影响;⑨探究科学提取青黛的工艺流程（改良或替换化学药品）。

在充分分析学校学习环境条件及高二学生实际能力的前提下，教师可以依托学校跨学科的教学资源，嵌合中学生物基础知识，选择合适的问题进行学习任务的具体设计，让学生将所学的跨学科知识镶嵌在该特定情境之中来解决问题。

STEM项目的学习任务确立为：探究传统提取工艺中石灰石浓度对青黛提取率的影响。该学习任务涉及的STEM学分布如图1所示。通过图1，教师可以对课程的核心知识及其关系予以可视化展示与管理。这种结构化的知识地图可以让学生清晰地认识学科知识地图与所学项目之间的关联，可以清晰学习项目中涵盖的每个学科知识，并明确其覆盖的强度、频度。

如果学生在项目学习中出现某知识点的结构性缺失，教师就可以通过定向覆盖的学习问题或项目设计进行平衡调节。教师根据学习任务，进一步确立教学目标：①科学方面：认识植物细胞的结构和细胞膜的功能，探究石灰石浓度对马蓝叶色素的提取与分离的影响;结合物理学知识，提出溶液渗透压对实验的影响;结合化学知识，根据马蓝叶色素能溶解在有机溶剂中，提出科学的青黛提取方案，并注重溶液酸碱度对实验的影响。②技术方面：列出青黛提取时对石灰石浓度要求的思路;设计相关的实验，设计石灰石的使用说明书;搜集资料，了解青黛应用于扎染的研究进展;使用计算机软件分析实验结果;③工程方面：根据研究问题，设计实验装置制作方案及探究实验方案，实施方案，评估和改进方案;预估工程方案所需的人力、物力、财力;评估工程实施的质量、效果。④数学方面：计算青黛提取物与马蓝叶质量的占比，了解不同程度的马蓝叶中青黛的提取率：分析不同浓度石灰石对青黛提取率的影响，设计表格记录实验结果，用曲线图等数学形式展示研究结果和结论。

3驱动项目的工具资源设计

为了促进STEM项目的顺利进行，教师应充分发挥引导性作用，为学生提供相对丰富的学习资源。资源内容可以包括该项目学习问题的详细信息和必要的预备知识，以及预设学生在解决学习问题过程中可能需要查阅的信息。

例如，在“探究传统提取工艺中石灰石浓度对青黛提取率的影响”的STEM项目学习任务中，教师需要引导学生采集与之相关的必备知识和感官体验，从而进行设计科学合理的项目思路和执行方案，具体表现在通过信息化工具获取“传统工艺中提取植物染料的技术流程”“国内植物染料的人工提取技术演变”“工业染料的现代化制造流程”“苏杭织物的传统扎染技术”等;通过调查体验获取“书峰青黛的传统提取工艺流程”“扎染和织物特性的关系”“扎染与艺术审美”的感官体验。同时，师生要根据学校现有的学习环境和创设性改良的未来学习环境，对项目推进中需要用到的设备、器材和各种信息化工具进行预估，对于项目工程所需的人力、物力、财力进行预算，预估工程实施的质量、效果，预设方案实施中可能出现的难题及解决方案。

4支架式项目报告单的开发

STEM项目的完成过程需要学习者自主学习、意义建构，然而在缺乏指导的学习中，学生可能会因受失挫而失去深入探究的兴趣，也可能因错误线索的引导而偏离预期的方向。因此，针对学生问题解决过程中可能遇到的困难，教师提供起支撑、承载、联结等作用的支架，是确保学生在最临近发展区内进行学习并解决问题的关键。

教师应根据不同学生在不同问题的解决过程中所采用的学习路径和遇到的具体困难，为学生搭建精准的“项目支架”，减少学生在项目推进中出现的学习行为和学习目标的偏离，为学生创建“有援”的学习环境，成为学生意义建构的帮助者、促进者。

在STEM项目教学中，支架式项目报告单（表1）可以让学生通过模仿、内化一些有经验的学习者所经历的思维过程，通过复杂的真实情境体验，明确完成项目的大概程序，进而通过融合小組合作的集体智慧，创新性地提出契合项目目标的方案，获得可以独立完成任务的初步技能。

需要注意的是，在项目推进过程中如果学生遇到问题，教师应该予以有效的支持。这种支持不是直接给出答案，而是帮助学生梳理项目方案设计中遇到的难题，提供相互匹配的多方资源，启发学生认识到自我的潜在发展空间，使学生不但可以借此解决情境问题，还可以将教师引导的迁移到自己的学习中，培养独立学习的能力。

5延伸STEM项目的艺术拓展

马蓝叶中提取的青黛成品，因提取时的石灰石浓度不同而呈现出深浅不一的色泽，丰富的靛蓝色调在民间多用于织品的扎染。因中国古法染布绞缬（扎染）的手法多样多变，配合扎染和织物特性的关系，通过对织物进行扎、缝、缚、缀、夹等多种形式组合，呈现多种中国风的纹样图案。扎染作品呈现的艺术效果极佳，且可结合织品进行裁剪缝制设计出精美的服饰用品，并可结合学生的特长进行扎染作品的产品包装设计，实现青黛扎染工艺品的输出，完成的作品具有极强的流传效应。

该项目推进过程中，因青黛的应用可结合“扎染与艺术审美”，传播中国传统文化，为学生带来了极具冲击力的感官体验。学生在项目进行中始终饱含高涨的学习兴趣和学习热情，充分激发了内在的学习动机，在解决情境问题的同时，体验了独立学习的快乐感，并获得了富有的成就感。

6结语

STEM项目研究中，教师应注重从S、T、E、M四个维度进行研究方案的设计指向，项目研究中的方案实施、科学论证和反思等过程，数据的收集、分析和基于证据的预测、解释等都指向了“科学探究”。另外，基于核心素养发展的教学尤其应注重项目研究中的“工程设计”维度，它强调学生在新情境中能够利用对原理、规律的认知来尝试自主设计方案和科学建模等，在解决生物学问题的同时促进学生高阶思维的发展。

STEM项目内容的整合因涉及各学科内部和学科之间的整合，使得STEM项目本身存在跨学科知识糅合的复杂性、学科跨界的不确定性。该项目对学校课程设置和教师课程开发、设计能力等引发的挑战都是巨大的，但是融合STEM理念的项目创新在助力学生思维的成长、提升学生问题解决意识、能力方面和促进教师对学生的多维、多元评价方面的贡献是不容忽视的。