在生物学拓展实践中培育学生的STEMx素养*

周建中 张 鑫

（中国福利会少年宫 上海 200040）

1986年，美国国家科学委员会发布报告《本科的科学、数学和工程教育》，提出了“科学、数学、工程和技术教育集成”的纲领性理念，旨在打破学科之间的界限，培养学生的理工素养，这被视为STEM 教育的里程碑。之后，美国国家基金会将这4 门学科简称为SMET 教育。2001年，正式更名为STEM，成为4 门学科的统称，并将其称为教育的一次全新尝试，目的是提倡问题解决驱动的跨学科式理工科教育［1］。2006年，当STEM 教育理念真正用到实际教学中时，美国学者格雷持·亚克门［2］在原有STEM教育的基础上，将艺术（art）作为一个重要因素加入其中而提出STEAM 教育。随着STEM 教育发展的过程中不断地丰富学科范围，最终扩展到STEMx 教育，这其中的x，意味无限可能，代表了学生科学精神和综合能力的延伸，强调社会价值、人文艺术、信息技术与STEM 的融合［3］；x 进一步细化为跨学科素养、科学探究素养、工程设计素养、深度协作素养、表达交流素养。而生物学科以其与真实的自然、生活、问题情境联系最为密切，并具有实验性、开放性、拓展性、体验性强的特点，非常适合在生物学拓展实践中培养学生上述的STEMx 素养。

1 培育跨学科素养

与STEMx 培育跨学科素养对应的是《普通高中生物学课程标准（2017年版）》中要求的“要注意学科间的联系”。自然界是一个统一的整体，自然科学中的生物学、物理学、化学等各门学科的思想方法、基本原理、研究内容有着密切的联系。生物学与数学、技术、工程学、信息科学是相互渗透、共同发展的［4］，由此衍生的生物统计学、生物化学、生物地理学、生物工程学、生物信息学，都说明了生物科学具有跨学科融合的特性。这也为培育学生在生物学实践中形成跨学科素养创造了条件。但生物学与人文社会科学的跨界融合，目前关注与实践的并不多。鉴于此，笔者认为可在笔记自然和科学游记2 个方面进行跨学科素养的培育。例如，在进行北师大版《初中生物八年级上册》“家蚕的生殖和发育” 学习时，教师可设计饲养家蚕的拓展活动，指导学生用笔记自然的方法记录家蚕“卵—幼虫—蛹—成虫”的生长变化过程，从而更好地理解蚕是完全变态发育的概念。又如，进行人教版《初中生物八年级上册》“认识生物的多样性”学习时，教师可设计在植物园、动物园或生态保护区进行实地观察，指导学生用科学游记的方法记录所见、所闻、所思，并最终进行表达交流。以上2 种方式，将生物学与美术、语文进行跨学科融合，在生活环境中，给学生释放更多的回归自然空间，让其带着自然之美、探究之质、记录之思在笔记自然、科学游记的同时，感悟科学之美，培育跨学科素养。

2 培育科学探究素养

STEMx教育的核心是科学教育，而科学教育的关键是探究［3］。科学探究既是生物学学科核心素养，也是生物学课程内容的重要组成部分。生物学中的诸多现象和问题，与自然、环境、生活密切相关。培育科学探究素养，就是要引导学生在真实的生活环境中，发现现实世界中的生物学问题，并将问题引入教材的学习及拓展实践中。例如，在进行人教版《初中生物七年级上册》“生态系统”拓展实践时，可引入电影《狼图腾》中的片段：人们赶到大雪湖寻找狼贮备的食物，发现了一只活的小黄羊，比利格阿爸却要求将那只黄羊放生。这时，教师引发学生思考：当时食物匮乏，为什么还要将那只与绵羊争夺食物的黄羊放生？再引导学生理解：其实这里蕴含着生态学的道理。如果狼的食物都被人取走了，狼就会攻击更多的绵羊；如果黄羊种群同时存在，则绵羊被狼攻击的可能性就会减少。这就是生态平衡，即在草原上，草、食草动物（黄羊、旱獭、野兔、草原鼠）、人类饲养的动物（绵羊）、食肉动物（狼），以及它们所处的环境之间达到一个相对稳定的动态平衡状态。经过之前的铺垫，提出探究的主题 “生态瓶稳定性探究”，并运用5E［5］探究式教学模式进行探究素养培育（表1）。

3 培育工程设计素养

工程学是指设计解决方案的流程的科学，工程学的流程包括为制作生产产品所需要的图纸和模型［7］。在生物学教学中渗透STEMx 教育理念是未来的发展方向，也是课程标准的要求。如何将生物学和工程学进行整合，从而更好地培育学生的工程设计素养，是生物学教育中体现STEMx 教育理念的关键。工程的关键是设计，设计是建立在高阶思维上的想象和创造，因此，在生物学教学指导中，教师应创设学生进行设计的空间。例如，在进行人教版《初中生物七年级上册》“种子萌发的环境条件”实验时，教师可先引导学生按“我的设计”要素进行设计（表2）。

表2 “种子萌发的环境条件”实验“我的设计”要素

此外，在生物学实验教学中，很多实验需要借助模型以加深对概念的理解，这时可让学生尝试进行设计，例如：设计血细胞模型、噬菌体模型、测试反应速度快慢的实验装置等。美国学者莫里森［8］认为，设计是认知结构的过程，也是学习产生的条件。所以在实验中，引导学生对现实生活中的问题进行思考，根据已有技术和条件进行设计实验、建立模型，也是维持和激发学习动机、保持学习好奇心的重要途径。

4 培育深度协作素养

STEMx教育具有协作性，强调在群体协同中相互帮助、相互启发，进行群体性知识构建。生物学课题研究的问题往往是真实的，真实任务的解决离不开同伴、教师或专家的合作［9］。笔者曾经指导的“几种蔬果提取物对花叶芋试管苗生长的影响”课题研究［10］中，就是基于学生不同空余时段、选择的不同材料、研究不同阶段的情况，引导学生进行协作研究（表3）。

表3 “几种蔬果提取物对花叶芋试管苗生长的影响”课题协作分工情况

在整个课题研究中，通过分工协作，一则可让研究有序、有质、有效地进行，二则可培育学生的协作素养，触发学生懂得一个人的能力是有限的，只有不断发挥各自所长，分享各自智慧，才会有更大的成功与收获。

5 培育表达交流素养

建构主义指出，学习环境的四大要素包括情境、协作、会话和意义构建。其中的“会话”可理解为商讨、表达、交流。这与STEMx 的表达交流素养相呼应。基于生物学跨学科融合性极强的特点，也就赋予其更多的表达交流形式，这为在生物学拓展实践中培育学生的表达交流素养创造了有利条件。常见的包括在拓展实践中，学生收集和分析学习资料、表达和验证假设、评价成果过程中的交流；在课题完成后，通过班级、学校、区市级有关科技类活动的答辩展示交流；通过海报形式，宣传课题的研究意义成果；通过专业的学术期刊发表课题的研究报告，进行学术交流。此外，可通过与艺术融合的形式，例如，采用科学表演秀的方式，向观众展示生物科学的奥妙。笔者曾指导的科学表演秀《多色花》，科学原理源自学生对甘蓝汁液遇到酸碱能显色反应的学习收获，在课后制得甘蓝pH 试纸，并用其制得“多色花”进行实验表演。剧情设计源自学生感兴趣的科学知识和自身积累的童话故事的整合；剧情的呈现是以生活中的语言以对话这一简单形式进行；剧中所涉及的材料是生活中最常见和方便使用的。从课内到课外、从学生到演员、从教师指导到家长参与，一场科学表演秀巧妙地将科学原理、实验现象融入而使科学与艺术完美结合，学生在时空转化、角色表演的深刻表达交流的体验中，以最直接最深刻最有趣的表达方式感悟自然科学。

STEMx 教育的内涵注重培育学生跨学科、科学探究、工程设计、深度协作、表达交流素养，从小养成独立思考、追求新知、敢于创新、勇于实践、乐于合作的习惯，这与我国一直提倡的培养具有综合素养、全面发展的人的教育目标一脉相承，它对我国未来教育发展具有重要意义［3］。生物学作为一门探究性实践性极强的学科，又与多学科领域紧密联系，一定会在STEMx 教育本土化实践探索中发挥重要作用。