STEAM视域下指向生物核心素养的项目式学习活动——自制性状分离比模拟实验教具

王宝晨

（广东省中山市中山纪念中学 广东中山 528454）

1 STEAM教育与项目式学习

STEAM 是科学（Science）、技术（Technology）、工程（Engineering）、艺术（Art）及数学（Mathematics）5个学科的首字母缩写。STEAM教育旨在培养学生的综合素养和创新能力。基于项目的学习（project based learning，PBL）是STEAM教育最常用的形式之一，是一种允许学生围绕项目安排真实的学习任务，整合各学科知识，在合作学习环境下，设计和实施一系列探究活动，表达、交流探究结果的教学模式。

2 项目式学习活动案例

2.1 项目背景

人教版高中生物必修2中的“性状分离比的模拟实验”因为教具实用性不强，很少被用于实际教学。本项目希望能让学生体验教材中的实验装置，并根据自己的体验提出需要改进的地方，根据配子产生与结合规律科学设计、动手制作实验器材，运用计算机统计实验数据，体验跨学科解决问题的学习方式，从而使学生的建模能力、创造性思维获得发展等，科学思维生物学学科核心素养得到提升。

2.2 项目实施过程

（1）教师展示教材所示装置，介绍实验材料、方法步骤，提出问题：从实际教学的角度考虑，该装置可能有哪些不足？如何验证你的想法？引出应通过实践检验。

（2）学生自由分组，利用教师所示实验装置，进行实验，对此前提出的问题进行检验，并且可能提出新的、当时尚未发现的问题。

（3）小组汇报成果，教师汇总各组提出的问题，概括出教材实验装置存在的主要不足。

（4）教师展示评价量表（表1），引导学生针对上述3个主要问题设计研究计划。教师可在一些关键问题上对学生进行引导。例如对于如何保证随机性，教师可以提问：生活中有哪些地方是利用了随机性？学生可能会想到扔硬币、掷骰子、扭蛋机、双色球等生活中的经验，从而更容易把自己的想法具体化。再如，进入工程制作时，教师可以提问：选材应考虑哪些问题？学生可能会想到环保、成本、颜色、硬度等。教师追问：如何把材料拼接起来？学生可能会想到用胶水、双面胶、热熔胶等。这些对解决工程制作中遇到的实际问题有重要意义。

表1 过程性评价量表

（5）学生完成作品在根据评价量表对作品进行测试，对比数据，衡量是否解决了上述三个主要问题。如果提升不明显，学生应对原有设计进行讨论、修改并重新制作测试，直到满意。

（6）成果汇报展示。各组将自己的研究过程与作品分别以PPT和实物的形式进行汇报展示，交流本次学习过程中自己的心得体会。

3 项目学习成果与评价

3.1 项目学习成果

3.1.1 对教材中原实验装置体验结果

经体验，原实验装置存在以下缺陷：

①耗时长。靠一个人独立完成所有操作的时间过长，按100次计算，要20 min以上，对一节课来讲耗时过长，不适用于常规教学。

②操作繁琐。每完成一轮都要把小球重新放回桶中，下一次抽取之前要手动混匀。靠一个人既要做实验又要记录数据，非常繁琐，容易出错。

③难以保证随机性。每次放回小球后要手动混匀，下次再抽的时候要闭上眼睛。但是，实际操作的时候，经常忘记闭眼，而且由于容器较大，混匀时要整个小臂都参与进来，有时稍微不注意就混合得不够均匀，难以保证随机性。

3.1.2 应用数学和计算机知识，设计模型图纸

从博彩的掷骰子中获得灵感，利用掷骰子的随机性模拟配子产生的随机性。设置了10个格子，2个为一组，分别代表雌雄生殖器官，每个格子中放置1枚正方体骰子（边长15 mm），骰子的3面标注A，3面标注a，代表显隐性基因，每次掷骰子相当于课本中的5次雌雄配子随机结合（图1）。

图1 模型图纸

3.1.3 应用物理学和工程学知识，制作模型

选用环保易获取的硬纸壳作为原材料制作主体部分，按照尺寸裁剪好后，进行拼接。拼接时，为了保证连接的强度，选用了热熔胶作为黏接剂。热熔胶是一种可塑性的黏合剂，在一定温度范围内其物理状态随温度改变而改变，而化学特性不变，其无毒无味，属环保型化学产品。

用记号笔在空白骰子的6个面上分别标记A、a各3个。这样每次掷骰子得到A、a的概率均为1/2。

3.2 过程性评价

关于过程评价对促进学生学习的意义，各种相关研究已达成广泛共识。在实践中，过程评价是一个动态的互动过程。教师可以通过过程评价不断监控学生的学习情况，及时调整教学内容，满足学生的需求。但是过程性评价不能只凭教师的感受来评判学生。课后作业可以显示学生在每次活动中知识掌握的变化，但不能评价学生项目学习活动的变化。因此，过程性的项目式学习活动评价应是在学生活动过程中，依据严格划分的等级并对照学生表现进行打分。教师在实施过程性评测过程中，对照量表中的能力要求为学生各个步骤的表现评分。本项目借鉴了美国康涅狄格科学中心的评价量表（表1）。

3.3 终结性评价

终结性评价是当今学校中使用最广泛的评价方法之一，传统的学校考试是终结性评价。终结性评价不仅可以了解教师教学活动的最终结果，还可以检验学生是否通过教学活动得到了提高。教师使用3个量表（表2、表3和表4）从知识、能力和态度3个维度评价学生的学习效果。通过多维度的评价，教师可以看到项目化学习活动的实施效果和学生通过项目化学习活动的成长，为新的项目化学习活动的开展奠定基础，促进良性循环。

表2 终结性评价量表（知识维度）

表3 终结性评价量表（态度维度）

表4 终结性评价量表（能力维度）

4 项目成效与反思

STEAM教育已成为各国提升自身竞争力的重要手段，而培养具有创造力的创新型人才已成为全球共识，我国于2016年9月正式提出中国学生发展核心素养框架，具体到生物学科核心素养包括生命观念、科学思维、科学探究和社会责任。本项目通过对实验材料、方案、装置的改进，提高课堂的趣味性让学生主动融入到教学中，变“我学习”为“我研究”，学生的学习积极性和团队合作能力得到提高，提升了学生的模型与建模能力，培养了学生的创造性思维，有助于培养学生核心素养。

本项目充分体现了STEAM教育的思想，学生在整个创新实验设计中融合了生物、物理、数学和计算机知识。在项目式学习活动背景下，完成一项任务可能需要调动多方面的能力，虽然团队中并非每个人都是全能的，但每个人都能把自己最擅长的一面在活动中体现出来，从而获得成就感，同时也能看到他人比自己强的地方，激发了学生的学习积极性，培养了学生跨学科解决问题的能力。

在项目实施过程中，教师要注意发现学生存在的问题。例如，学生虽然很喜欢这种自由、轻松的学习形式，但是当教师要求他们自己独立去完成一些思考、设计、制作活动时，一开始他们明显表现出不适应，流露出畏难、胆怯情绪。这种现象的出现可以说有客观原因，如学生长期以来形成的被动接受式的学习习惯，也有主观原因，再比如教师担心失去对课堂的掌控而不愿意放手让学生去做。因此，教师应循序渐进、选好课题、定好计划、写好方案，既不能盲目地将教材所有内容当成项目式学习去实施，也不能因为有困难、伤脑筋、耗时间就否认，甚至不用这种教育方式。