美国节肢动物教育课程的特点与启示——以《和节肢动物一起冒险》为例

康健秋 禹娜

(华东师范大学 教师教育学院，上海 200062)

《和节肢动物一起冒险(Adventures with Arthropods)》(下文简称AWA)[1]是美国德克萨斯大学埃尔帕索分校教育学院副教授罗恩·瓦格勒(Ron Wagler)于2017 年出版的节肢动物教育课程指南，旨在让全美初中生在课堂上轻松饲养、有序探究和切身感受节肢动物世界的奇妙魅力。本研究将首先简述节肢动物教育(Arthropod Education)的内涵和价值、起源和发展，然后以AWA 为对象分析美国节肢动物教育在课程设计和实施过程中的主要特点，最后针对我国初中节肢动物教育的现存问题提出完善建议。

一、节肢动物教育的内涵和价值

节肢动物教育是使用节肢动物活体或相关材料开展的教育活动。它可以是在学校环境进行的正式教育，也可以是在动物园和博物馆等场所进行的非正式教育。近年来，国际教育研究界已普遍认可其为一个独立的研究领域，主要内容包括:一、开发适配教室环境的节肢动物人工饲养技术；二、设计节肢动物基础教育课程和教师教育课程；三、量化节肢动物教育课程对师生认知、情感和行为等方面的影响。

作为中学生物学中不可或缺的学习内容，节肢动物对发展生物学核心素养具有重要作用。一方面，它是生物多样性最丰富的生物类群，占据了75%以上的动物种类，为全球生态系统提供植物授粉、物质降解、水体净化和调节其他生物种群数量等服务。学生对节肢动物相关概念的深入理解是构建生命观念的基本组件，学生对节肢动物栖息地破坏和生物多样性减少问题的持续关注与社会责任的形成息息相关。另一方面，节肢动物的体形普遍较小、繁殖时间较短且饲养成本低廉，因此非常适合在课堂上开展探究性学习活动，有利于学生科学思维养成和科学探究实践。

二、节肢动物教育的起源和发展

美国等西方国家是节肢动物教育的主要发源地，早在19 世纪70 年代就于小学自然历史课程中设置了节肢动物的采集活动。20 世纪50 年代末，由于前苏联人造卫星发射引发的美国科学教育转型、学生对待节肢动物的神经质以及国际改善动物福利的呼吁等原因，节肢动物教育的开展场所由户外转向室内，教授节肢动物生物学及相关的生态、环境、健康和医学概念，开展科学探究以及数学、技术、工程和艺术等领域的跨学科学习活动。

如今节肢动物教育已在全美中小学生物学教育中完全普及。2018 年对美国254 名高中生物学教师的调查结果[2]显示:仅节肢动物门的昆虫纲动物，就有88%的教师曾在课堂上使用过相关的文本、图片、音频和视频开展演讲、讨论、探究和讲授，涉及的物种数平均超过5 种。一些美国大学也为中小学生物学职前和在职教师提供工作坊、在线学习和专家进课堂等培训，[3]帮助提升其开展节肢动物教育的能力和意愿。

三、AWA 的作者和内容编排介绍

AWA 的作者瓦格勒教授是节肢动物教育领域最具影响力的研究者之一，曾创立了世界上第一个也是唯一一个节肢动物教育实验室，致力于研究马达加斯加豚鼻蠊Gromphadorhina portentosa、秘鲁巨人异蟾鞭蛛Heterophrynus batesii和粗糙鼠妇Porcellio scaber等活体动物的饲养技术、课程设计和教育效果。

他在书中倾注了近30 年研究经验，围绕自己最熟悉和了解的马达加斯加豚鼻蠊(下文简称MHC)、陆生等足目(下文简称TI)和捕鸟蛛三类节肢动物，从动物的获取和饲育方法、课程支持的学习标准、课前的准备工作、课中的活动环节和课后的测试评价等多个方面清晰而完整地呈现出了美国节肢动物教育课程设计的全貌。

全书共有8 个章节。第1 章概述了节肢动物教育的重要性、生物学教师在节肢动物教学中存在的些许困惑与不足以及保障节肢动物教育活动安全的基本流程与规范。第2、5、7 章分别提供了三类动物活体的获取途径和饲育方法。第3、4、6、8 章设计了26 节与美国 《新一代科学教育标准 (Next Generation Science Standards，NGSS)》和《共同核心州立标准(Common Core State Standards，CCSS)》相匹配的节肢动物教育课程。

表1 AWA 的课程内容

四、AWA 课程设计和实施特点

(一)课程内容覆盖生物学学科核心概念

AWA 的课程内容支持NGSS 的所有生物学学科核心概念，涵盖“LS1 从分子到生物体:结构和过程”“LS2 生态系统:相互作用、能量和动力”“LS3遗传:性状的遗传和变异”和“LS4 生物进化:统一性和多样性”。这些概念在各课程中的数量分布虽不太均匀，但共同构建起了初中生物学整体知识结构框架。

支持LS1 的课程数最多，节肢动物丰富的物种数量有利于学生理解生物体的特定结构有助于其生存。例如，课程6.1 涉及“LS1.A 结构与功能”，通过比较爬行速度缓慢但可蜷曲身体为球形来防御掠食者的卷甲虫科鼠妇和无法蜷曲身体但可快速爬行躲避掠食的潮虫科鼠妇，发现结构决定功能；课程3.8 和3.9 涉及“LS1.B 生物体的生长和发育”，通过观察成年雄性MHC 使用前胸背板隆起的瘤突攻击雄性同类的现象，发现争胜行为利于获得繁殖后代的机会；课程4.2 涉及“LS1.C 生物体的物质组成和能量流动”，通过记录MHC 在不同饮食下的体长和体重变化，发现糖、脂肪和蛋白质等营养成分的摄入量与生长速率的关系。

支持LS2 的课程数其次，节肢动物在生态系统中扮演的关键角色有利于学生理解竞争、捕食和被捕食、互利共生等相互关系以及生命体和非生命体之间的物质循环和能量流动。例如，课程8.2 涉及“LS2.A 生态系统中的相互依存关系”，通过在线调查捕鸟蛛原始栖息地生活的生产者、分解者、植食者和肉食者，创作包括太阳、人类、捕鸟蛛和其他相关生物的完整食物网海报，认识蛛形纲动物扮演的生态角色；课程6.7 涉及“LS2.B 生态系统的物质循环和能量流动”，通过定期跟踪饲养箱落叶、树皮和苔藓的降解速度，发现鼠妇在有机物循环中的作用。

LS3 和LS4 在AWA 中分别在课程6.6 和课程8.1中得到支持。前者涉及“LS3.A 性状的遗传”和“LS3.B 性状的变异”，借助粗糙鼠妇遗传多样性和强大繁殖力的特点，在同一饲养容器中放置相同数目的橙色外骨骼和灰色外骨骼纯合基因型的个体，定期拍摄记录种群中灰色和橙色外骨骼表型个体的数目和比例变化，解释有性生殖产生的后代具有不同的遗传信息。后者涉及“LS4.A 共同祖先和多样性的证据”，让学生使用水果、糖果和牙签等材料亲手制作捕鸟蛛模型，比较其与蜱、螨、蝎等其他蛛形纲动物在解剖学上的相似性，推断不同生物体之间的进化关系。

(二)教学活动重视科学探究和工程实践

在教学活动中，AWA 要求学生不仅能够像科学家一样地探究，形成科学思维方式，养成科学探究能力，还要能够像工程师一样地设计，开发和测试现实世界的产品和方案。节肢动物的体型、繁殖力和生活史使其非常适合在教室环境下激发学生动手实践的兴趣，从而根据自己的生活和学习经验提出与自然世界有关的科学探究问题或能够通过开发对象、工具和系统解决的工程设计问题，并对多个变量之间的定量或定性关系进行假设性的解释和预测，设计和实施探究时间，采集实证数据并加以分析和总结，最终获得新的科学知识或解决方案。

与科学探究有关的课程，如课程6.9 利用陶瓷碗、玻璃杯、棉球、胶带、剪刀和黑色垃圾袋等常见材料设计实验装置，营造出8 个具有不同湿度和光照条件的微环境，再放入50 只成年鼠妇，45 分钟后观察和统计各环境中的鼠妇数量，重复实验三次，取实验数据的平均值绘制频率柱状图，根据变化趋势和规律得出其湿度和光照偏好。通过类似的研究和设计思路，学生还可以主动提出其他的科学问题并进行探求，例如不同种类或不同生长阶段的鼠妇对微环境偏好是否存在差异，进一步提升科学探究能力。

与工程实践有关的课程，如课程4.1 利用日常生活常见的塑料盒、塑料瓶、鸡蛋盒、卷纸芯和旧T 恤等材料以及胶带、皮筋和剪刀等工具，设计模块组件并拼装成有趣好玩且富有创意的MHC 饲养装置。装置中的大塑料盒为“居室”、塑料瓶身为“过道”、塑料瓶盖为“食盆”、小塑料盒和T 恤布条为“饮水器”，鸡蛋盒和卷纸芯为“沙发”。它们既能满足MHC 的生活所需，又能观察MHC 的社群行为。在这类工程实践中，学生可以尽情地参与设计和建造，能够限制他们的只有其想象力的边界以及教室有限的空间。

(三)互动体验强调环境友好和安全规范

AWA 所用的活体节肢动物都是人工饲育的个体。它们有充足的市场供应，普通消费者可以在花鸟市场或电商平台以较低的价格购买到雌雄种虫，也有成熟的饲育方法，只需简单的饲育容器、适宜温度和湿度以及充足的食物与水分即可满足其各生长阶段的环境和营养需求。以MHC 为例，成虫单价不足2 美元，在获得10 到20 只个体后，以底部铺设椰土的不透明储物箱为饲育容器，放置躲避、食盆和水盆，控制温度在22℃到32℃，安排学生轮流定期更换水源、蔬果和宠物粮，就能在短时间内迅速繁殖出大量个体，供应探究实验或观察活动。此举虽然减少了可以在课堂上使用的节肢动物物种数量，但在很大程度上避免了野外采集带来的种群灭绝加速和生态系统失衡。

采用人工饲育个体还可以避免虫体携带存有威胁健康的细菌、病毒和寄生虫等病原体或引发过敏的鳞毛等附属物和毒液等分泌物。再配套上相应的安全注意事项以及符合美国《安全与学校科学指导(Safety and School Science Instruction)》和《科学教育者对实验室安全的责任(Liability of Science Educators for Laboratory Safety)》等标准的操作流程，师生的人身安全得到了充分保障。一般来说，教师在课前应充分评估课程的安全性，采购符合国家安全标准的防护设备，清洁和消毒实验设备，并咨询校医院和学生家长以确保课程使用的个体、食物和垫材等材料不会引发学生过敏；在课中应亲自演示加热垫、打孔钉等仪器的正确使用方法，并说明接触活体和拆装装置等过程的安全注意事项，例如穿戴防护服和手套等防护设备、在活动前后清洁双手、禁止食用任何实验材料。对于有毒性或攻击性的物种，如捕鸟蛛有一定攻击性，螯肢末端有毒腺，且能摩擦腹部释放蜇毛，则建议由教师亲自负责照料，对饲养箱上锁后再供学生观察。

(四)课程评价兼备多元形式和多重维度

由于节肢动物教育课程通常以小组为形式进行探究，且时间跨度较长，个别课程需持续1 个学期或学年，AWA 采用了形成性评价和总结性评价相结合的方式，综合评价每名小组成员的学习表现。形成性评价在数据收集环节进行，根据学生数据记录表的完整性和科学性、在小组中承担的工作量以及与成员的合作程度、对科学本质和核心概念的理解程度，划分五个水平。总结性评价在学期末开展，根据学生的研究成果在科学知识、组织结构、语言表达、完成度和创新性，划分三个水平。

AWA 的常规任务流程包括:一、小组成员各自搜集资料、整理数据和分析总结，撰写实验报告；二、各组基于报告内容进行班级演讲，汇报和展示其研究发现；三、各组使用卡纸、画笔、剪刀和胶水制作宣传海报，在学校宣传栏或科技节中分享。此外，AWA 还设计了其他应用和传播新知的学习任务。例如，创作与节肢动物有关的卡通漫画、短篇小说和饲养繁殖手册，甚至是开发符合初中生探究能力和概念结构的生物学课程。又如，制作教室节肢动物网站，定期嵌入照片、视频、报告和录像等内容，或是在饲养容器内部安装相机实时直播，链接网站到社交媒体，让社会公众了解节肢动物相关的科学内容。

五、对我国初中节肢动物教育的启示

(一)增设节肢动物主题校本课程和研学旅行

我国初中生物学课程设置有非常丰富的节肢动物内容。以2012 年人教版的四册教科书为例，有8 单元、19 章、26 节在正文和15 个栏目的92 处出现了标本员、昆虫学家、林业工人、养蝎专业户等节肢动物有关职业，以及4 纲、16 目、39 科、40 属、40 种节肢动物，包括软甲纲的鼠妇，唇形纲的少棘蜈蚣，蛛形纲的斜纹猫蛛、蝎、蜱、螨，昆虫纲的枯叶蛱蝶、菜粉蝶、蝙蝠蛾、家蚕、火蚁、赤眼蜂等。但是直接指向“探究实践”核心素养的实践活动数量却相当有限，仅有“调查校园、公园或农田的生物种类”“探究光照条件对鼠妇和黄粉虫分布的影响”以及“探究蚂蚁的行为”三项探究和调查活动。因此，有必要在综合课程、校本课程和研学旅行中增设节肢动物分类学、行为学、生态学和多样性保护等主题的实践活动，利用校内外场馆资源，融合各学科知识方法，让学生在探索生命奥秘的过程中，产生对节肢动物的好奇，加深相关生物学概念理解，锻炼科学思维与实践能力，认识人类与节肢动物关系。

(二)采用螺旋型探究模式和多样化评价方式

我国现有的节肢动物教育课程在探究模式上按照“提出问题”“作出假设”“制定计划”“实施计划”“得出结论”以及“表达和交流”六个环节开展。在实际教学活动中，通常先由教师提出科学问题，再由学生完成“食谱式”的探究步骤。这种方法可以帮助学生了解探究的一般过程，以及对照、重复和单一变量等实验原则，但同时也限制了学生的创造力和主体性。事实上，“表达和交流”环节并不是探究结束的标志，而是探究新问题的起点。因此，教师应将探究模式由直线型转为螺旋型，让学生思考更多的探究问题。以“探究光照条件对鼠妇分布的影响”为例，可以拓展出“感染彩虹病毒的蓝色鼠妇对光照的偏好是否相同?”“鼠妇成虫和若虫对光照的偏好是否相同?”“粗糙鼠妇和普通卷甲虫对光照的偏好是否相同?”“除了光照，鼠妇还偏好什么样的温度、湿度和食物?”等问题。另外，教师还应在研究报告的基础上设置班级汇报、海报展示和网站制作等学习任务，并制定相应的形式性评价和总结性评价量表，让学生实时了解和改进自己的学习表现。

(三)规范课堂活体动物获取来源和操作标准

我国初中课堂使用的节肢动物的活体材料大多取自于户外采集，这种获取方式存在相当大的弊端:一是对生态系统的破坏性，过度采集会影响到本土节肢动物的种群数量和栖息环境，尤其是“三有”和国家重点保护野生动物；二是对师生安全的威胁性，采集过程中可能会被蜱螨、蜈蚣、蝎子、猎蝽和蜂类等节肢动物叮咬或蜇刺，或接触斑蛾、芫菁、拟天牛和毒隐翅虫的体液或毒蛾、刺蛾和枯叶蛾的毛刺引发红肿、发痒和水泡等临床表现的过敏性皮炎；三是对所获个体的随机性，既难以在短时间内获得特定生长阶段的大量目标物种，也难以在种级、属级，甚至科级和目级的分类单元进行鉴定，从而影响课堂活动的可行性和科学性。因此，需要规范课堂活体节肢动物的获取来源和操作标准，选择经过我国司法及有关部门许可具备人工繁育资质的实体店或互联网商家提供的活体动物，并制定配套的饲育管理和安全防护操作标准。

(四)参与本土或国际节肢动物公民科学项目

我国初中生物学教师普遍欠缺节肢动物教育的学科教学知识。其一，许多教师对节肢动物专业知识的认知水平停留于表层，以昆虫的变态发育为例，多数人只将昆虫原变态、不完全变态和完全变态的各个阶段归因于遗传现象，而非从昆虫与其他生物和环境相适应的角度进行思考和解释。[4]其二，许多教师对在课堂环境获取、饲育、观察和探究节肢动物活体的教学方法存在困惑和偏见，既缺乏节肢动物教育课程的设计和教学能力，也缺乏开展节肢动物教育的效能感和责任感。根据我国现有国情，很难在中学生物学教师教育中进行单个动物类群的培训工作，也鲜有教育研究者和实践者开发适应我国课堂环境且符合我国课程标准的本土节肢动物教育课程。为此，学校可向“上海昆虫家谱调查”和“菜粉蝶项目(Pieris Project)”等国内外节肢动物公民科学项目的组织者进行联系和合作，借助其专家指导、调查指南和数据平台等资源，让每一位学生都有机会参与调查，帮助科学家监测其物种、数量、位置、生境和时间等分布数据，成长为研究和保护本土节肢动物的公民科学家。