高中生生物研究性课题：高中生物课程资源进行STEM项目的设计思路与案例

高中生生物研究性课题：高中生物课程资源进行STEM项目的设计思路与案例

汇景研学

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摘要：基于高中生物学课程资源，利用基于项目的学习思路，融合科学、技术、工程和数学（STEM）为学生提供实践科学探究的机会。依据分析学校环境与学生需要、分析高中生物学课程的适宜资源、组织课上与课下的衔接内容、学生成果的评价与分析的思路进行项目设计与实践，以“尿糖试纸的设计”和“植物插条生根的实验探究”为案例进行展示，体现本研究的成果与价值。

关键词：STEM；项目学习；科学探究；案例

一、研究背景与意义

随着课堂教学改革的不断深化，讲授已逐渐被多样化的教学策略替代。设计基于学生学习体验的课堂活动，成为帮助学生有效学习的核心。生物学科是一门基于实验的自然科学，高中生物学课程的性质一直定位于“进一步提高学生的生物学科素养。尤其是发展学生的科学探究能力，帮助学生理解生物科学、技术和社会的相互关系，发展交叉学科技能，培养学生的创新精神与实践能力。”[1]这也正是源于美国的STEM 教育的核心观点。STEM 是科学（science）、技术（technology）、工程（engineering）和数学（mathematics）4 门学科的简称，强调多学科的交叉融合[2]。在现有的科学课程中，科学方法通常作为一个介绍性主题进行讲授。例如初中生物学的“观察法”“实验法”；高中生物学的“构建模型”“假说-演绎法”等。但是，有很多研究表明，学生仅仅能表述科学研究过程，并不意味着他们能进行科学思考或具备了富有创造力的研究技能[3]。因此，没有经历过科学研究过程的学生，不可能真正理解科学的本质，尤其是科学探究的过程经常是非线性的。

本研究旨在以高中生物学课程内容为背景，设计符合中学生认知层次的STEM 项目，并在高中实践、收集数据、撰写报告，为教育研究者和一线教师提供丰富的案例资源和教学研究参考。另一方面，我国即将实行第9 次基础教育课程改革，重大变化之一是不再于高中划分文、理科，这是开放学生学习自由度，实现学科有效融合的重大尝试。STEM 交叉学科的特征将会在我国未来的教育中更加凸显，同时论证了本研究的意义。

二、研究内容与方法

2.1 研究路径设计

本研究课题以“STEM 项目的设计—实施—评价”为行动研究的主要实践内容，以高中生物学课程内容为切入点，通过内容分析、文献检索确定STEM 项目的主题，以成熟优秀的已有STEM 项目为蓝本进行项目方案设计，撰写项目指导手册。研究成员通过指向教学实践的行动研究，对项目方案进行实施，利用5E 教学模式理清教学思路。制定一一针对项目研究节点的过程性评价指标，对学生的项目研究进行实时跟踪，形成一套切实有效的评价方案。在一个STEM 项目结题后，通过对学生进行项目适用性的问卷调查，以及半结构化访谈形成对项目的评价，并指导进一步的项目修订与完善。最终，通过整理项目设计、实施过程中利用的材料、平台，构建资源体系（图1）。

图1 研究路径设计

2.2 研究方法

1）文献研究法：收集、查阅国内、外相关STEM项目设计和评价方案的文献，了解国内、外研究现状及进展，为理清研究思路和选择研究方法奠定基础。以STEM 成熟项目设计和实践相关研究成果为基础，分析已有STEM 资源的适用性，从高中学生知识水平和学校学习环境角度出发，寻找以高中生物学课程内容为背景的STEM 课题、评价方案和访谈提纲编制的依据。

2）指向教学实践的行动研究法：本研究拟在STEM 项目设计完成的基础上，利用5E 教学模式进行教学设计，诚然，学生完成STEM 项目在很大程度上需要依托于课余时间，因此这一问题也在项目教学策略的规划范围之内。教师指导学生完成STEM 项目，记录过程性评价，获得学生作品和报告以完成终结性评价，并通过项目适用性问卷和半结构化访谈提纲对学生进行调查，获得修订和完善课程设计的依据。

三、研究结果与分析

3.1 基于高中生物学课程的STEM 项目设计本项目

研究基于高中生物学课程内容，从课程的基本内容中分析并总结适合开展STEM 项目教学和研究的主题，体现新课程“提高生物学科学素养、面向全体学生以及倡导探究性学习”的理念。本研究在Skilbeck 及王斌华等国内、外学者所提出的课程设计步骤的基础上，结合STEM 项目的特点，进行校本课程设计的总体思路[4]，图2。

图2 基于高中生物学课程的STEM 项目设计思路

①分析学校环境条件与学生需求： 基于文献研究，在充分分析学校学习环境条件及学生需求的前提下，借鉴已有STEM 项目资源中选择适当的主题和内容，明确设计宗旨。分析学校的环境条件与学生需求可以概括为环境分析： 学校内部环境即学校硬件设施（生物学高端实验室的现有配备）、课程课时安排（高中教学内容的计划）等内容； 学校外部条件即学生在学校之外所在的学习与生活环境，这种环境集中体现了学生所面临的实际问题，也是学生在学校之外学以致用的重要机会。环境条件与学生需求分析是STEM 项目有效性与适用性的基础，只有满足学生实际生活需求的STEM 项目内容，才有可能会成为学生接受的优质项目；只有学校硬件条件有所保障，课程才能得以开设。因此，充分的学校环境分析与学生需求分析是STEM 设计与实施过程的奠基石。

②全面分析高中生物学课程内容，寻找生长点：本项目研究的宗旨是从高中生物学课程出发，以高中生物学课程内容为核心资源设计STEM 项目。因此，全面反思高中生物学课程内容，打破固有的教学策略和方法，才能够解放思想，寻找STEM项目的生长点。研究团队采用头脑风暴的方式，并在过去教学工作中一些研究课的启示下，锁定了几个高中生物学课程中可作为STEM 设计的内容：组成细胞的化学物质的鉴定，探究酶作用的适合条件，遗传规律的应用与扩展，生态系统的结构与功能等。同时，考虑到研究团队中包含生物学竞赛教练，因此也从高中生物学竞赛的内容中，分析适合普通高中学生力所能及的内容，作为STEM项目设计的依据，例如：微生物的分离与分子遗传学分析，人体生理学的医学应用等。

③组织课程内容，制定指导策略： 在确定STEM 项目的主题之后，需要基于高中课程内容，进一步设计适合学生的探究活动。学生的活动需要从课上开始，延伸到课外。因此，为学生做好引领性规划是实现STEM 项目有效性的必要保障。根据达西·哈兰德博士所著《STEM 项目学生研究手册》的研究成果，STEM 研究过程大致分为：生成研究主题→制定研究计划→了解研究主题→撰写研究方案→准备并开展实验→统计分析→解释数据→报告结果8 个阶段。研究团队在设计主题之后，依据上述8 个阶段，为学生提出可操作性建议。实施过程中，在参考高中生物学课程的课时计划基础之上，从学生的课上实验出发，引导学生发现问题，并生成研究问题。之后的6 个阶段由教师在课下完成辅导，学生以个人或研究团队的形式参与项目研究之中。最后一个阶段——报告结果落实在课堂上，引导学生反思总结。教师在项目研究中所承担的角色包括： 主任导师帮助学生确定研究主题，并帮助学生搜集可利用的人员、材料、耗材等资源； 学科导师从学科角度帮助学生解决研究中遇到的科学问题（图3）。

图3 以“尿糖试纸的设计”为例的组织项目（课程）框架

④课程评价与学习效果评价： 首先需要设计STEM 项目实施过程中活动评价和形成性评价的方式，配合传统的纸笔测验，同时重视过程性评价与结果性评价，确定多主体多方式的评价策略。学生的学习效果是课程最终所需达成的目标，是课程目标和教学目标的呼应，也是评判课程有效性和适用性的基准之一。针对学生学习效果评价的诸多研究表明，学业评价不应诉诸于单一的结果性纸笔测验，这种测验方式虽然能达到一定测量学生知识学习的作用，但无法对学生学习能力等方面的提高作出有效评判。这种评价的短板尤其体现在本研究所涉及的科学探究课程上。这就需要丰富多样的过程性评价予以辅助。过程性评价要求教师在教学实践过程中时刻关注学生给予的反馈，包括每个教学环节中学生的互动，这既体现了学生在课堂上的角色性，又为教师赋予了新的任务，摒弃了“一言堂”情况的产生；此外，评价的另外一个层面就是对课程本身的评价，课程的有效性和适用性是需要学生反馈的，教师需要在学生反馈中逐渐调整授课节奏、难度、活动安排，以保证学生对课程可接受的程度。由此，可以说课程评价既是整套校本课程设计的结束，又是新一轮STEM 项目修订的开端。

3.2 案例成果展示与分析

3.2.1 尿糖试纸的设计 “细胞中有机物的鉴定”是高中生物学必修1《分子与细胞》模块学生接触到的第1 个重要实验。通过实验，学生能掌握对还原糖、脂肪、蛋白质、核酸等生物化学物质的简单鉴定方法。在以往的教学活动中，学生由于缺乏有机化学、生物化学的前导知识，很难清楚认识物质鉴定实验所涉及的化学原理。因此，实验的方法、显色实验现象成为死记硬背的内容。为了能实现“生物学←→化学”2 个领域知识的迁移，并引导学生基于教材实验，将定性实验发展成为定量实验，研究团队的教师带领学生进行有机物鉴定实验的扩展和延伸，其中以“尿糖试纸的设计”为例进行展示。

表1 尿糖试纸的设计案例

本项目是基于“细胞中有机物的检测和鉴定”内容进行的课外拓展，学生在设计试纸时对试纸材料、大小等指向产品的研究十分充分，也是学生首次体验在实验活动中考虑制作产品的成本控制、使用人性化等因素。虽然项目持续的时间不长，却成为不少学生首次踏上指向产品产出的STEM 项目设计之路。

3.2.2 植物生长的实验探究 “生长素的生理作用”是人教版高中生物学教材《稳态与环境》模块第3 章“植物的激素调节”第2 节的教学内容。生长素是人类首次发现的植物激素，在日常实践中发挥着巨大的作用。在日常生活中，学生能接触顶端优势、植物向性运动等有关植物生长素的生物学现象，通过本项目的实验体会，可让学生纠正错误概念，构建知识网络，指导日后的生活学习。在本项目的教学组织中，如何设计科学性与可行性并存的实验方案是第1 个教学难点；其次，学生对生长素生理作用的两重性认知较为抽象，教师应结合实例进行讲解；此外，教学中还需贯彻“学以致用”的教学思想，引发学生对生长素指导农业生产实践应用的相关思考。

表2 植物根生长的实验探究案例

本项目的主要目的在于学生活动从课堂上到课堂下的延伸，经过实验认识到生长素两重性的生理作用特性。在最后一节的汇报课上，学生利用了P—O—E 的教学策略模式，遵循从假说到观察到解释的科学过程，对自己的探究结果进行汇报和展示。这一过程中，学生毫无保留地将实验之前蕴含前科学概念的假说向全班学生进行汇报，再陈述自己通过实验实现概念转变的过程。

在教师的指导下，学生将在40℃水浴中浸泡1 h 的小麦种子铺在含不同浓度2，4-D 溶液的纱布上。之后将种子置于适宜相同的条件下进行培养，交于实验教师，学生未知各实验组别种子的生长情况，在项目进行中学生对不同浓度下的种子生根情况进行预估，并尝试说明原因，暴露了前科学概念。

表3 学生预测实验结果的小组讨论记录

表4 小麦生根实验结果的记录

图4 小麦根生长实验的结果

表4 和图4 都是班级学生通过大数据统计（n>27）、通过对算数平均

进行计算，并通过公式计算了样本标准差，从而估计班级实验数据的差异性。这种数据统计方法是学生之前没有接触过的，本项目的研究为学生进行数学统计和相关知识的应用提供了机会。

四、反思与展望

基于高中生物学课程的STEM 项目设计，实现了从课堂向课外的延伸，能解决传统高中生物学课堂无法实现的学生能力培养目标。由于研究时间和学生受众上的限制，高中生物学内容中能实现STEM 项目设计的还没有全部得以实施。此外，本研究设计的过程性评价和终结性评价工具还需更多案例的使用及相关问题的收集以便进一步修订。这些都是未来可继续进行的研究。

STEM 项目不仅仅是科学、技术、工程学、数学的简单相加，而是在实验和设计过程中综合运用相关学科解决问题。虽然每一个项目不一定将所有学科的作用都发挥得淋漓尽致，甚至于只是对个别1～2 个学科集中进行了利用。但是反思起来看，STEM 项目的设计和实施无需拘泥于挖空心思设计出一个项目，将数、理、化、生、工程、技术统统一览无余，而是按照本研究在3.1 章节所提出的，通过对学生的兴趣依据已有资源的基础之上确定主题，这才能真正解决学生的实际问题。

本研究由于实施时间和人员条件有限，没有从数据上落实学生、教师对STEM 项目的有效性和适用性分析，但是已有成果仍然能够对STEM项目的设计、实施、结果有所支持。STEM 从课上到课下的设计与实施将不会停滞，生物学科仍然会成为未来STEM 项目设计的重要支持，相信目前所遇到的问题将在未来的研究中进一步完善。

参考文献：

本文来源：《生物学通报》 2018年第3期 P34-38页