马晨晨 解凯彬

(南京师范大学教师教育学院 210024)

1 STEM教育及其发展现状

STEM是科学、技术、工程和数学四门学科的简称，国际技术和工程教育协会(ITEEA)将STEM定义为整合了科学、技术、工程和数学四大要素的新兴跨学科课程，强调多学科的交叉融合。

STEM教育启源于美国，近二十年来，科技人才日益短缺的问题,促使美国政府先后颁布了“国家竞争力法”“美国振兴及投资法案”“STEM教育法(2015)”等一系列教育政策，将STEM教育切实提升到国家战略的高度，并与国际竞争力直接联系。日本期望借助STEM教育，来解决国内宽松的教育导致学生学业下滑的现状，侧重激发学生对STEM相关学科的兴趣和热情，高中阶段则实施STEM的精英教育[1]。韩国教育部在2016年新颁布的初中等教育课程也提出以“核心素养”作为课程设计思路，培养创造型、复合型人才。澳大利亚昆士兰州等地率先实施STEM教育后，其政府和相关教育部门开始提高对STEM教育的重视，在国家层面颁布“国家利益中的STEM战略”“STEM学校国家战略2016～2026”等发展策略，以期改进本国科学、数学、工程和技术等学科的教育现状。

我国教育部在颁布“关于‘十三五’期间全面深入推进教育信息化工作的指导意见(征求意见稿)”中明确提出“有效利用信息技术推进‘众创空间’建设”，探索STEAM教育、创客教育等新教育模式。国务院办公厅在2016年印发“全民科学素质行动计划纲要实施方案(2016—2020年)”，对“十三五”期间我国公民科学素质实现跨越式提升，作出总体的部署。该“方案”中强调要完善中小学科学课程体系，并增强中学数学、物理、化学和生物学等学科的横向配合，鼓励在高中阶段，开展科学创新技术实践的跨学科探究活动。

本文以国内外的STEM课程、STEM理念下的教材为例，简要分析STEM生物学教学的案例，以探索如何在我国生物学教学中落实STEM教育的理念。

2 国外STEM教学的实例与分析

STEM教育是以更开拓的视野审视理科教育的内涵，在此教育理念下，学生在进行数学、科学的探究后，利用工程设计，实施实验，形成自己的经验，掌握不同的设计思路，并最终建构模型，同时建构新的科学和数学知识[2]。

2.1 保护拯救濒危动物 在“动物们的SOS”主题学习中，韩国梨花女子大学附属中学的学生，先由教师组织观看生态系统遭到破坏的相关视频，教师再结合图片讲解濒危动物。通过整合生态系统原理及食物链、生态系统平衡等科学概念，要求学生制作食物链风铃及拼贴食物网。教师还组织学生参观动物园，指导学生从各个不同角度去观察动物的行为，并灵活地运用观察到的结果，来制作有关宣传濒危生物的生态系统立体模型。

该主题学习整合了科学、数学和技术等学科，从各科不同的角度，围绕着保护濒危动物这一主题开展教学活动。如能量传递效率的数学计算结合食物链的生物学知识，提示学生认识到濒危动物所处的生态环境。通过实地参观获得感性体验，从而进行创意设计，运用工程设计原理，制作立体模型，在唤起学生对濒危动物的保护意识的同时，激发学生为改善生态环境、为濒危动物提供科学保护的探究愿望。

2.2 公园社区生活调查 芬兰大学和美国北伊利诺伊大学合作开展的Finnish-US项目，是在K-16阶段开展基于游戏的STEM教育。其中，微视频调查项目是基于手机微视频的问题调查和网络社区。学生利用手机、摄像机等拍摄与STEM主题相关的生活场景。如公园中的食物链、植物叶片的变色和落叶等，上传微视频和相关问题至网络社区平台。网络社区中的教师开展“脚手架式教学”，发挥社交媒介的作用，共同解答问题，实现视频资源和课程主题、课堂活动的紧密联系，从而使学生学会如何发现现实生活中的科学现象，并提出有价值的问题。

该项目以美国斯坦福大学社科院的国家科学基金会的项目和赫尔辛基大学的CICERO学习网络项目为研究基础，通过可视化科学研究协会(SAVI)和各大高校合作，研究在微视频捕捉的真实场景下，怎样开展STEM教学。在网络社区平台中，师生可随时观看微视频，在线上共同探讨解决生物科学的问题、解释科学现象，将科学概念和生活实际相结合，促使学生和教师关注现实世界中的科学素养的提升，重点培养学生运用科学知识的能力。

2.3 搭建植物结构模型 美国科学教师在科学课程的实施过程中，要求学生在新学期开学初就播种南瓜种子，研究植物的生长过程，引导学生详细观察外形到内部结构，每天及时记录变化。教师不断地解释学生提出的建设性问题，并且促进学生对植物体内的运输作用形成科学知识。再运用解剖等技术手段，指导学生进一步研究植物的内部结构，在此基础上选择合适的材料设计、动手搭建植物内部结构教学模型。

在美国“K-12阶段科学教育框架”指导下的本节科学课程，紧紧围绕“结构与功能相适应”的核心概念，学生通过提出问题、建立模型、调查研究、构建概念和交流学习的实践环节，对植物的结构、功能有深入理解，围绕系统模型的建构开展探究活动。利用工程学思想和意识，选取日常生活中的常见材料实践动手，搭建植物内部结构的教学模型。

2.4 计算细胞的表面积 澳大利亚在《自然生物学》(Nature of biology)一书中，强调学以致用和举一反三的理念，为生活中的科学问题找到合理的解决方案。在学习物质进出细胞的内容时，结合图形让学生计算不同直径球体的体表面积比。再进一步计算在一定体积下，不同数目细胞的总表面积，得出体表面积比。通过客观的数据，使学生理解细胞的大小是由体表面积比决定的，球形是最有利于细胞物质运输的形状这一科学概念。

《自然生物学》(Nature of biology)一书是由四个单元构成：“一致性和多样性”“生物与周围环境”“生命的特征”和“遗传和变异”。其中第一单元“一致性和多样性”，旨在让学生认识到细胞是整个有机体的结构和功能单位。教学中将“结构与功能相适应”的核心概念贯穿其中，学生在课堂学习中应用已学过的数学公式，对体积、表面积等数据进行计算和推导，并加以分析比较，得出影响细胞大小的因素，深入理解细胞的科学概念。

3 国内STEM教学的实例与分析

我国在《普通高中生物课程标准》中指明“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”给予重视，为STEM教育理念在我国中学生物学课堂的渗透提供可能性[3]。

3.1 生物医学AR技术 台湾师范大学在台北私立高中的十年级学生中，开展与生物医学有关的AR课程。该AR课程选取心导管插入术和腹腔手术这两个微创手术作为学习背景，其中心导管插入术的医学模拟器是由计算机系统和虚拟人体影像组成，也包含导管插入技术，帮助学生理解手术操作的准则。模拟器中配有3D网状的人体血管系统解剖图，学生可以在任意方向旋转解剖图，从而能在不同角度观察血管和手术进展情况，计时器会记录学生的表现以供课程评价。在课程实施中，学生角色扮演外科医生，根据平板电脑提供的病症、X射线图和心电图等为病患诊断，选择合适的治疗方法。接着，使用扫描功能激活模拟器，电脑上同时呈现3D的心脏影像和导管，学生在模拟器上操纵导管移动以完成心血管成形手术，最终还需要回答一系列与心血管相关的问题[4]。

该课程内容设计渗透技术教育，在利用AR技术时，注重锻炼学生在AR情景下对微创手术的操作和使用。医学模拟器中会提供声音指导和文本提示作为支架，促进学生在操作中逐步深入地认识心血管的结构，完成知识的建构。教师可以在编辑模式下设计心血管的不同病症，使学生能够运用科学知识解决现实问题。平板电脑提供的具体病症，也使得学生锻炼了具体问题具体分析的能力，增强在现实生活中运用新技术的意识。

3.2 辐射对植物的影响 上海STEM云中心的一节科学课程，是以“无线路由器辐射会影响植物的生长”为研究问题。学生小组据此设计具体的研究方案，并分别选择3种不同种类的无线路由器，测定其电磁辐射的大小。学生在培养箱里培养黄豆和绿豆，并持续观察记录种子的萌发率、茎长和叶长等生长情况，结合数学知识将数据转化成图表，根据图表分析出无线路由器辐射对不同植物种子发芽及生长的影响。

教学中，首先针对探究性的问题，以小组的形式开展自主性探究。教师在此过程中注意引导学生控制变量，通过各种技术和手段测量、收集数据信息。学生学习测定电磁辐射的基本方法，运用科学的测量方法，得到种子发芽和生长的指标数据。然后，学生寻找合适的数学模型将数据分析结果客观地呈现，并对数据进行有效、合理地分析，从而有效地提升学生科学素养和数学能力，促进理性思维的养成。

3.3 制作小型的净水箱 江苏省编制了STEM系列教材，其中一个案例是以生活中净化水质的实际问题作为切入点。首先，从认识水循环开始，提供一系列的阅读材料和背景知识，帮助学生了解科学探究的步骤和基本实验技术。接着，开展去除水体中可见的杂质、观察水体中微小动植物和计算水中细菌的数量等探究活动，让学生层层深入地掌握关于水体的科学概念。教材中提供设计图的绘制方法、自来水厂的净水流程图等支架式的学习材料，引导学生探究如何利用物理和化学的方法去除杂质，并设计小型净水箱，进行优化制作。

教材的整体设计是遵循提出工程任务、建构完善背景知识和解决问题的思路。以“设计池塘水净化器”为任务指引，使学生在学习过程中亲历定义问题、设计模型、建立初步模型、模型应用、数据反馈及模型修正和模型再次应用，直到最终的表达和交流的研究过程，使学生初步具备一定的工程意识。通过应用漂白粉、二氧化氯、紫外线、超声波和高压蒸汽灭菌等灭菌方法强化了生物学实验技术。从显微观察微生物、实验设计时要遵循对照、单一变量和重复性等生物学实验原则，进一步提升了学生的科学素养。

3.4 茶水对药性的影响 北京中学和美国北伊利诺伊大学(NIU)合作开发了STEM课程，在辅导教师的引导下，学生以“服药后不能喝茶”为切入点，自主设计对照实验，对常见的三种感冒药及三种日常生活常喝的茶叶进行对比研究。通过文献查阅，学生掌握了白鼠的身体结构和基本的生命体征观察方法。在此基础上，进一步学习白鼠用药量的计算公式、药物浓度及溶解度的计算方法等科学知识，并且结合数学计算和精准测量的结果，确定白鼠最适宜的使用药量。经过血药浓度的检验和实验数据的分析，学生得到不同浓度茶水对不同药物的影响结果。

该项目以学生的兴趣为出发点，结合生活实际，充分调动学生对STEM的热情。学生通过自主查阅文献学习科学概念，并在项目实施过程中实践运用，完成知识的建构。在不断练习基本的抽血化验操作步骤的过程中，注重技术实践与科学理论相结合。学生将数学课中学习的公式，应用在人类用药量与白鼠用药量的转换等计算中，使学生的数学能力得到锻炼和提升。研究报告中添加表格后，能清晰地记录实验自变量、因变量，以科学的语言呈现实验结果，使研究报告充分合理。

4 对我国实施STEM教育的建议

4.1 合理化运用教育资源 STEM核心是跨学科的整合，涉及到各学科的方方面面。因此，依靠中学的师资力量和课程资源是远远不够的。应当鼓励更多的高校教育研究力量，开展深入研究，梳理本学科中的STEM教育素材。还应当加强学校与企业、科技馆等社会力量的合作，采取设置试点学校等形式，推进STEM教育的深度创新。

4.2 建立完善的评价体系 STEM的教育架构需要教师拓宽视野，不再局限于本学科内部的知识和能力培养，应当以更高层次的视野审视学科之间的内在联系。在此基础上，修改、完善此前单一学科下的评价体系，从多维度、多层次和多领域的角度评价学生。

4.3 融入艺术学科领域 国外已有学者提出在STEM中加入艺术(Art)的概念，我国课程标准中强调的艺术人文素养也是核心素养中必不可少的部分。生物学教师需要在教学中不断融入艺术、人文的内容，培养学生欣赏自然、欣赏美和珍爱生命的情怀，形成STEAM教育理念下的全方面人才培养氛围。

4.4 编制STEM教育教材 现行的人教版、苏教版等各版本的生物学教材中，学生的实验仍以验证性实验较多，而对学生探究能力的培养有所欠缺。在开发和编制关于STEM新课程的教材时，应当注意到不同年龄段学生的认知特点，课程设计要符合学生的学段要求。