蔡英娟

摘要：通過(guò)展示植物染料“書峰青黛”的提取應(yīng)用拓展教學(xué)案例，呈現(xiàn)STEM教育理念在中學(xué)生物教學(xué)實(shí)踐中的融合，探討地方特色教學(xué)資源開發(fā)和利用的策略，并結(jié)合案例特點(diǎn)進(jìn)行藝術(shù)拓展，實(shí)現(xiàn)青黛扎染工藝品的輸出。

關(guān)鍵詞：STEM教育 中學(xué)生物 教學(xué)資源

中圖分類號(hào)：G633.91 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B

1前言

在全球理科課程改革全面鋪開的今天，《普通高中生物學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版）》緊跟時(shí)代發(fā)展步調(diào)，將科學(xué)、技術(shù)、工程學(xué)、數(shù)學(xué)融入生物學(xué)課程，并在學(xué)業(yè)質(zhì)量中強(qiáng)調(diào)了學(xué)生跨學(xué)科的認(rèn)識(shí)與實(shí)踐能力的培養(yǎng)。

然而，高中生物學(xué)課程中如何設(shè)置、教學(xué)如何開展STEM教育，如何將地方特色教學(xué)資源引入學(xué)生的生活經(jīng)驗(yàn)、問(wèn)題解決中，進(jìn)行科學(xué)探究、工程設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)STEM教育理念在中學(xué)生物教學(xué)實(shí)踐中的融合，是提升學(xué)生綜合素養(yǎng)與生物學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)的重要窗口。

STEM教育強(qiáng)調(diào)讓學(xué)生獲得將知識(shí)進(jìn)行情境化應(yīng)用的能力，同時(shí)能夠理解和辨識(shí)不同情境的知識(shí)表現(xiàn)。因而，學(xué)習(xí)任務(wù)的設(shè)計(jì)必須從現(xiàn)實(shí)世界中出發(fā)，若教師選擇結(jié)合地方特色動(dòng)植物資源，創(chuàng)設(shè)特定的問(wèn)題情境，則更能激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)動(dòng)機(jī)和增強(qiáng)學(xué)生的生活體驗(yàn)，使學(xué)生獲得成功愉悅的社會(huì)性成長(zhǎng)。

設(shè)計(jì)特定情境的學(xué)習(xí)任務(wù)時(shí)，項(xiàng)目問(wèn)題不僅要基于真實(shí)的生活情境，還要能嵌合中學(xué)的結(jié)構(gòu)化知識(shí)，讓學(xué)生將學(xué)習(xí)鑲嵌在運(yùn)用該知識(shí)的情境之中來(lái)解決問(wèn)題，同時(shí)還必須考慮學(xué)習(xí)者的特征。只有充分考慮這些細(xì)節(jié)，設(shè)計(jì)出的學(xué)習(xí)目標(biāo)才具有價(jià)值，有意義的學(xué)習(xí)才可能發(fā)生。

2案例：“書峰青黛”提取應(yīng)用拓展教學(xué)

書峰青黛主要是指從爵床科多年生植物馬藍(lán)草提取的植物染料，中醫(yī)上亦可入藥;因其生長(zhǎng)于海拔350～500 m的仙游書峰鄉(xiāng)，而聞名。青黛在民間的使用范圍較廣，其中用于織品的扎染較為特色，且因扎染呈現(xiàn)的藝術(shù)效果極佳，完成的作品具有極強(qiáng)的流傳效應(yīng)。故選擇“青黛的提取和應(yīng)用”在中學(xué)開展STEM項(xiàng)目課程可以激發(fā)學(xué)生濃厚的學(xué)習(xí)興趣。

但青黛的傳統(tǒng)提取方法較繁瑣，且流程中馬藍(lán)葉的采摘時(shí)期、葉的成熟度和提取時(shí)所需的化學(xué)藥品份量及濃度等全憑操作者的經(jīng)驗(yàn)。缺乏經(jīng)驗(yàn)的操作者則很難成功提取到上等的青黛?；诖?，高二學(xué)生依據(jù)自身的學(xué)習(xí)特點(diǎn)和實(shí)際操作能力，同時(shí)根據(jù)亞歷克斯·奧斯本檢核表法，開展橫向思維活動(dòng)，以直觀、直接的方式提出相關(guān)問(wèn)題：①探究馬藍(lán)的生長(zhǎng)環(huán)境（光照、溫度、二氧化碳濃度等）對(duì)青黛提取率的影響;②探究馬藍(lán)植物的種間關(guān)系（共生動(dòng)植物、競(jìng)爭(zhēng)性植物、天敵等）;③探究馬藍(lán)采摘季節(jié)對(duì)青黛提取率的影響;④探究馬藍(lán)葉的不同成熟度對(duì)青黛提取率的影響;⑤設(shè)計(jì)符合生態(tài)學(xué)原理的馬藍(lán)生態(tài)系統(tǒng)，探究人工種植的可行性;⑥計(jì)算青黛提取物與馬藍(lán)葉質(zhì)量的比例關(guān)系;⑦探究馬藍(lán)葉提取青黛與綠葉中提取色素的工藝流程異同點(diǎn);⑧探究傳統(tǒng)提取工藝中石灰石濃度對(duì)青黛提取率的影響;⑨探究科學(xué)提取青黛的工藝流程（改良或替換化學(xué)藥品）。

在充分分析學(xué)校學(xué)習(xí)環(huán)境條件及高二學(xué)生實(shí)際能力的前提下，教師可以依托學(xué)?？鐚W(xué)科的教學(xué)資源，嵌合中學(xué)生物基礎(chǔ)知識(shí)，選擇合適的問(wèn)題進(jìn)行學(xué)習(xí)任務(wù)的具體設(shè)計(jì)，讓學(xué)生將所學(xué)的跨學(xué)科知識(shí)鑲嵌在該特定情境之中來(lái)解決問(wèn)題。

STEM項(xiàng)目的學(xué)習(xí)任務(wù)確立為：探究傳統(tǒng)提取工藝中石灰石濃度對(duì)青黛提取率的影響。該學(xué)習(xí)任務(wù)涉及的STEM學(xué)分布如圖1所示。通過(guò)圖1，教師可以對(duì)課程的核心知識(shí)及其關(guān)系予以可視化展示與管理。這種結(jié)構(gòu)化的知識(shí)地圖可以讓學(xué)生清晰地認(rèn)識(shí)學(xué)科知識(shí)地圖與所學(xué)項(xiàng)目之間的關(guān)聯(lián)，可以清晰學(xué)習(xí)項(xiàng)目中涵蓋的每個(gè)學(xué)科知識(shí)，并明確其覆蓋的強(qiáng)度、頻度。

如果學(xué)生在項(xiàng)目學(xué)習(xí)中出現(xiàn)某知識(shí)點(diǎn)的結(jié)構(gòu)性缺失，教師就可以通過(guò)定向覆蓋的學(xué)習(xí)問(wèn)題或項(xiàng)目設(shè)計(jì)進(jìn)行平衡調(diào)節(jié)。教師根據(jù)學(xué)習(xí)任務(wù)，進(jìn)一步確立教學(xué)目標(biāo)：①科學(xué)方面：認(rèn)識(shí)植物細(xì)胞的結(jié)構(gòu)和細(xì)胞膜的功能，探究石灰石濃度對(duì)馬藍(lán)葉色素的提取與分離的影響;結(jié)合物理學(xué)知識(shí)，提出溶液滲透壓對(duì)實(shí)驗(yàn)的影響;結(jié)合化學(xué)知識(shí)，根據(jù)馬藍(lán)葉色素能溶解在有機(jī)溶劑中，提出科學(xué)的青黛提取方案，并注重溶液酸堿度對(duì)實(shí)驗(yàn)的影響。②技術(shù)方面：列出青黛提取時(shí)對(duì)石灰石濃度要求的思路;設(shè)計(jì)相關(guān)的實(shí)驗(yàn)，設(shè)計(jì)石灰石的使用說(shuō)明書;搜集資料，了解青黛應(yīng)用于扎染的研究進(jìn)展;使用計(jì)算機(jī)軟件分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果;③工程方面：根據(jù)研究問(wèn)題，設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)裝置制作方案及探究實(shí)驗(yàn)方案，實(shí)施方案，評(píng)估和改進(jìn)方案;預(yù)估工程方案所需的人力、物力、財(cái)力;評(píng)估工程實(shí)施的質(zhì)量、效果。④數(shù)學(xué)方面：計(jì)算青黛提取物與馬藍(lán)葉質(zhì)量的占比，了解不同程度的馬藍(lán)葉中青黛的提取率：分析不同濃度石灰石對(duì)青黛提取率的影響，設(shè)計(jì)表格記錄實(shí)驗(yàn)結(jié)果，用曲線圖等數(shù)學(xué)形式展示研究結(jié)果和結(jié)論。

3驅(qū)動(dòng)項(xiàng)目的工具資源設(shè)計(jì)

為了促進(jìn)STEM項(xiàng)目的順利進(jìn)行，教師應(yīng)充分發(fā)揮引導(dǎo)性作用，為學(xué)生提供相對(duì)豐富的學(xué)習(xí)資源。資源內(nèi)容可以包括該項(xiàng)目學(xué)習(xí)問(wèn)題的詳細(xì)信息和必要的預(yù)備知識(shí)，以及預(yù)設(shè)學(xué)生在解決學(xué)習(xí)問(wèn)題過(guò)程中可能需要查閱的信息。

例如，在“探究傳統(tǒng)提取工藝中石灰石濃度對(duì)青黛提取率的影響”的STEM項(xiàng)目學(xué)習(xí)任務(wù)中，教師需要引導(dǎo)學(xué)生采集與之相關(guān)的必備知識(shí)和感官體驗(yàn)，從而進(jìn)行設(shè)計(jì)科學(xué)合理的項(xiàng)目思路和執(zhí)行方案，具體表現(xiàn)在通過(guò)信息化工具獲取“傳統(tǒng)工藝中提取植物染料的技術(shù)流程”“國(guó)內(nèi)植物染料的人工提取技術(shù)演變”“工業(yè)染料的現(xiàn)代化制造流程”“蘇杭織物的傳統(tǒng)扎染技術(shù)”等;通過(guò)調(diào)查體驗(yàn)獲取“書峰青黛的傳統(tǒng)提取工藝流程”“扎染和織物特性的關(guān)系”“扎染與藝術(shù)審美”的感官體驗(yàn)。同時(shí)，師生要根據(jù)學(xué)?，F(xiàn)有的學(xué)習(xí)環(huán)境和創(chuàng)設(shè)性改良的未來(lái)學(xué)習(xí)環(huán)境，對(duì)項(xiàng)目推進(jìn)中需要用到的設(shè)備、器材和各種信息化工具進(jìn)行預(yù)估，對(duì)于項(xiàng)目工程所需的人力、物力、財(cái)力進(jìn)行預(yù)算，預(yù)估工程實(shí)施的質(zhì)量、效果，預(yù)設(shè)方案實(shí)施中可能出現(xiàn)的難題及解決方案。

4支架式項(xiàng)目報(bào)告單的開發(fā)

STEM項(xiàng)目的完成過(guò)程需要學(xué)習(xí)者自主學(xué)習(xí)、意義建構(gòu)，然而在缺乏指導(dǎo)的學(xué)習(xí)中，學(xué)生可能會(huì)因受失挫而失去深入探究的興趣，也可能因錯(cuò)誤線索的引導(dǎo)而偏離預(yù)期的方向。因此，針對(duì)學(xué)生問(wèn)題解決過(guò)程中可能遇到的困難，教師提供起支撐、承載、聯(lián)結(jié)等作用的支架，是確保學(xué)生在最臨近發(fā)展區(qū)內(nèi)進(jìn)行學(xué)習(xí)并解決問(wèn)題的關(guān)鍵。

教師應(yīng)根據(jù)不同學(xué)生在不同問(wèn)題的解決過(guò)程中所采用的學(xué)習(xí)路徑和遇到的具體困難，為學(xué)生搭建精準(zhǔn)的“項(xiàng)目支架”，減少學(xué)生在項(xiàng)目推進(jìn)中出現(xiàn)的學(xué)習(xí)行為和學(xué)習(xí)目標(biāo)的偏離，為學(xué)生創(chuàng)建“有援”的學(xué)習(xí)環(huán)境，成為學(xué)生意義建構(gòu)的幫助者、促進(jìn)者。

在STEM項(xiàng)目教學(xué)中，支架式項(xiàng)目報(bào)告單（表1）可以讓學(xué)生通過(guò)模仿、內(nèi)化一些有經(jīng)驗(yàn)的學(xué)習(xí)者所經(jīng)歷的思維過(guò)程，通過(guò)復(fù)雜的真實(shí)情境體驗(yàn)，明確完成項(xiàng)目的大概程序，進(jìn)而通過(guò)融合小組合作的集體智慧，創(chuàng)新性地提出契合項(xiàng)目目標(biāo)的方案，獲得可以獨(dú)立完成任務(wù)的初步技能。

需要注意的是，在項(xiàng)目推進(jìn)過(guò)程中如果學(xué)生遇到問(wèn)題，教師應(yīng)該予以有效的支持。這種支持不是直接給出答案，而是幫助學(xué)生梳理項(xiàng)目方案設(shè)計(jì)中遇到的難題，提供相互匹配的多方資源，啟發(fā)學(xué)生認(rèn)識(shí)到自我的潛在發(fā)展空間，使學(xué)生不但可以借此解決情境問(wèn)題，還可以將教師引導(dǎo)的遷移到自己的學(xué)習(xí)中，培養(yǎng)獨(dú)立學(xué)習(xí)的能力。

5延伸STEM項(xiàng)目的藝術(shù)拓展

馬藍(lán)葉中提取的青黛成品，因提取時(shí)的石灰石濃度不同而呈現(xiàn)出深淺不一的色澤，豐富的靛藍(lán)色調(diào)在民間多用于織品的扎染。因中國(guó)古法染布絞纈（扎染）的手法多樣多變，配合扎染和織物特性的關(guān)系，通過(guò)對(duì)織物進(jìn)行扎、縫、縛、綴、夾等多種形式組合，呈現(xiàn)多種中國(guó)風(fēng)的紋樣圖案。扎染作品呈現(xiàn)的藝術(shù)效果極佳，且可結(jié)合織品進(jìn)行裁剪縫制設(shè)計(jì)出精美的服飾用品，并可結(jié)合學(xué)生的特長(zhǎng)進(jìn)行扎染作品的產(chǎn)品包裝設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)青黛扎染工藝品的輸出，完成的作品具有極強(qiáng)的流傳效應(yīng)。

該項(xiàng)目推進(jìn)過(guò)程中，因青黛的應(yīng)用可結(jié)合“扎染與藝術(shù)審美”，傳播中國(guó)傳統(tǒng)文化，為學(xué)生帶來(lái)了極具沖擊力的感官體驗(yàn)。學(xué)生在項(xiàng)目進(jìn)行中始終飽含高漲的學(xué)習(xí)興趣和學(xué)習(xí)熱情，充分激發(fā)了內(nèi)在的學(xué)習(xí)動(dòng)機(jī)，在解決情境問(wèn)題的同時(shí)，體驗(yàn)了獨(dú)立學(xué)習(xí)的快樂(lè)感，并獲得了富有的成就感。

6結(jié)語(yǔ)

STEM項(xiàng)目研究中，教師應(yīng)注重從S、T、E、M四個(gè)維度進(jìn)行研究方案的設(shè)計(jì)指向，項(xiàng)目研究中的方案實(shí)施、科學(xué)論證和反思等過(guò)程，數(shù)據(jù)的收集、分析和基于證據(jù)的預(yù)測(cè)、解釋等都指向了“科學(xué)探究”。另外，基于核心素養(yǎng)發(fā)展的教學(xué)尤其應(yīng)注重項(xiàng)目研究中的“工程設(shè)計(jì)”維度，它強(qiáng)調(diào)學(xué)生在新情境中能夠利用對(duì)原理、規(guī)律的認(rèn)知來(lái)嘗試自主設(shè)計(jì)方案和科學(xué)建模等，在解決生物學(xué)問(wèn)題的同時(shí)促進(jìn)學(xué)生高階思維的發(fā)展。

STEM項(xiàng)目?jī)?nèi)容的整合因涉及各學(xué)科內(nèi)部和學(xué)科之間的整合，使得STEM項(xiàng)目本身存在跨學(xué)科知識(shí)糅合的復(fù)雜性、學(xué)科跨界的不確定性。該項(xiàng)目對(duì)學(xué)校課程設(shè)置和教師課程開發(fā)、設(shè)計(jì)能力等引發(fā)的挑戰(zhàn)都是巨大的，但是融合STEM理念的項(xiàng)目創(chuàng)新在助力學(xué)生思維的成長(zhǎng)、提升學(xué)生問(wèn)題解決意識(shí)、能力方面和促進(jìn)教師對(duì)學(xué)生的多維、多元評(píng)價(jià)方面的貢獻(xiàn)是不容忽視的。