陶如梦

2017年，教育部《中小学综合实践活动课程指导纲要》（以下简称《纲要》）明确指出，综合实践活动是从学生的真实生活和发展需要出发，以生活情境中发现的问题为主题，通过探究、服务、制作、体验等方式，培养学生综合素质的跨学科实践性课程。这对学生的素质提出了更高的要求。STEM教育方式鼓励学生面对真实的问题情境，综合运用跨学科知识和方法解决实际问题，在做中学，提升科学精神和创新实践能力，突出对学生创新思维和实践能力的培养。本研究以小型无土栽培装置的设计制作为例，探索设计基于STEM理念的高中生物综合实践活动课程。

一、STEM视角下综合实践活动的设计

STEM教学必须以跨学科知识为载体，让学生在真实的情境中通过协同合作的方式最终解决实际问题。STEM教育根据具体目标分成验证型、探究型、制造型和创造型四种模式，综合实践活动常采用制造型应用模式，本研究尝试将制造型STEM教育理念整合到综合实践活动课程中。

1. 活动流程

本研究综合实践活动的教学流程包含五个环节，具体见下图。

2. 活动具体实施

情景引入，问题驱动。教师通过讲解、展示图片、播放视频等方式向学生介绍无土栽培原理等相关知识，展示学生生活中熟悉的阳台无土种植蔬菜的图片，请学生交流讨论自己的看法。随即引出實现无土栽培技术的营养液，介绍其组成成分及配制方法。最后设置疑问：“我们能不能设计出一个适合课室绿化的无土栽培装置呢？”引出活动主题“小型无土栽培装置的设计与制作”。

小组活动与探究学习。学生进行装置设计前要进行深入探究，教师展示家用小型无土栽培装置简易实物，介绍装置的构造及运作原理。学生在教师的指导下，以小组为单位动手拼装装置，认识水培装置的连接和组合方式。

艺术设计与工程制作。学生通过小组合作画出小型无土栽培装置设计图，标注所设计装置的结构、材质、尺寸，并阐述设计思路。设计前，教师从三方面重申约束条件，帮助学生把握装置整体布局。（1）工程方面的要求：①作品方案图空间布局疏密合理，整体美观；②具备贮液池、栽培槽、循环系统、控制系统等基本设施；③装置大小匹配教室、宿舍阳台的可利用空间；④对方案图的结构、材质和尺寸进行标注。（2）生物因素方面的要求：植物生命活动所需要的水分、阳光需得到满足。（3）成本核算方面的要求：总价不超过400元。设计过程中教师给予适当的指导，如所画装置如何满足营养液的循环，如何使得设计装置更具艺术性等。方案设计完成后进行分享交流，各小组互评，同时小组成员在教师和组间同学的启发下对方案设计图反复修改，形成一个完整的设计图。最后学生将成果付诸实践。

实践检验，测试改进。组织学生对所购买的材料和组件进行组装和调试，观察水培设施运行情况，检查是否存在漏液、堵塞、运行不正常等情况。学生小组根据兴趣选择培育的植物，并对培育的条件、种子的萌发、培育周期、注意事项等展开学习。培育苗转移至无土栽培装置后进行对比实验探究，分别探究缺氮、磷对植物生长速度、植物叶片生长状态及根冠比的影响，对植物生长情况进行观察记录，最后完成实验报告。

成果展示与多元评价。在经过测试及完善设计方案之后，小组成员进行成果汇报与分享，上台展示小组作品的设计思路、功能作用以及不足之处。教师及小组成员点评他人作品并评分，小组成员填写自我评价表自评，促进生生、师生间的积极交流，锻炼学生的语言表达及观察能力。

二、教学效果分析

课程前后，分别以问卷调查形式分析教学效果和学生的学习体验。问卷题目主要由STEM能力、STEM思维、STEM态度三个维度构成。

以前测与后测的均值进行比较，STEM能力、STEM思维平均得分均有所提升，差异显著性分析前后具有显著差异，说明该项实践活动能极显著地提高学生的STEM能力和STEM思维。在STEM态度方面，前、后测数据虽无显著差异，但后测平均得分提高较明显，说明该实践活动能在一定程度上转变学生对STEM的认识和态度。

1. 促进学生STEM思维的发展

项目任务的顺利完成，需要学生综合考虑多学科的知识与方法。其中，水培技术原理、植物种子育苗与培育涉及生物学知识；无土栽培管道体积及直径的测量、水培植物生长情况的测量与记录及营养液的配制，需要学生运用数学方法计算测量。在这个过程中，学生的跨学科学习方式和跨学科思维有所提升。对于有争议的问题，教师引导小组之间互相学习，发表观点和意见。学生个人智慧与集体智慧不断碰撞，在交流质疑、设计创作、测试运行再优化修改的循环过程中反思评价，培养和提高了学生的批判性思维和创造性思维。

2. 提升学生的STEM能力

设计无土栽培装置是一个富有挑战意义的项目，学生解决项目，不仅要解决一系列的问题，还要求方案设计具有一定的美感。学生在设计和检测后，针对发现的问题积极协作，讨论解决的办法，使得小组设计方案更加合理，提高了解决问题的能力。最后将探究缺乏无机盐对植物生长发育的影响这一生物学知识综合运用到装置模型上，提升了学生实践应用的能力。

三、教学反思与建议

1. 遵循循序渐进的原则

中学生的STEM素养普遍较弱，且STEM相关能力的发展是一个潜移默化的过程，需要教师持续进行教育。因此，教师需要避免急于求成的心态，在活动伊始或学生碰到难以解决的问题时，应多提供支架案例和直观资源，使学生逐步养成主动学习的习惯，随活动进行可减少材料与脚手架，给予学生更多自主学习时间，积极探索、动手实践，帮助学生顺利完成角色转变。

2. 精心设计教学活动

活动时间的分割对活动的开展造成了阻碍，需要教师精心设计教学活动。为了保证活动的连贯性和完整性，教师可将项目活动划分为多个子任务，通过组间竞争，调动学生学习的积极性，消除倦怠等消极情绪。此外还可适当增加奖励机制，如鼓励参加科技创新大赛、资助奖学金等，提高学生学习热情。

3. 提高教师进行STEM教育的能力

STEM教育的实施要求教师充分了解STEM及教学策略，熟悉STEM项目实施的各个环节，具备良好的实践能力和经验，但目前大部分中小学教师缺少STEM教育经验。学校应鼓励教师参加培训以提高自身的STEM能力，还可与相关企业、公司、高校开展合作，为STEM项目的实施赢得资金和资源上的支持。