摘要：STEM教育是科学、技术、工程和数学教育的整合，通过基于项目的跨学科学习，培养21世纪所需的解决问题能力和创新能力。为应对社会的经济发展和提高国家竞争力，加拿大注重和倡导中小学STEM教育，其中项目是学生体验STEM教育的重要方式。以加拿大“番茄圈”项目为例，在成立的20多年里，通过让学生观察和对比太空和地球的种子发芽过程，开展和支持中小学STEM教育。借鉴之，我们需要重视和开发适合本土的STEM教育项目，进而激发学生的科学探究精神。
关键词：科学探究；加拿大；STEM教育；番茄圈
1“番茄圈”项目的启动与内容
在一个迅速变化的世界里，对于科学、技术、工程和数学（STEM）相关工作的人才需求只会继续增长，加拿大的儿童和青年需要保持好奇心，提出问题，并有能力面对生活的挑战，但现实大多数加拿大学生在高中毕业前就放弃了STEM课程。为了改变此现状，2001年启动番茄圈，在2014－2015年期间，全国性慈善组织“让我们谈科学”（Let’sTalkScience，简称LTS）承担了对“番茄圈”加拿大业务的管理监督。番茄圈是一个基于探究的课堂项目和动手操作的项目，利用学生对空间探索的兴奋为基础，培养学生科学探究和实验技能，同时也为当今重要的研究做出贡献。自“番茄圈”项目启动以来，已经吸引了300多万名学生，每年加拿大有超过15000所幼儿园和12年级的班级利用“番茄圈”来调查空间对食物的影响。在种子调查中，学生观察空间环境对番茄种子萌发的影响。当人类寻求深入太空旅行的方法时，我们必须找到扩展维持生命系统的方法。番茄是一个理想的选择，因为他们通过叶片的蒸腾作用提供健康的营养和水分。通过光合作用，番茄植株还能将宇航员呼出的光能和二氧化碳转化为生存所需的氧气。番茄圈种子调查的问题是暴露在太空环境或类似太空的条件下如何影响番茄种子发芽的数量？调查包括种植两组番茄种子，检查和记录种子发芽情况，并提交结果。
2“番茄圈”项目的实施
“番茄圈”项目有一个完整的实施过程，具有包括六个步骤。
2．1实施过程。春天来临，学生收到两包西红柿种子，一个包裹装着送往太空或在太空模拟条件下处理的种子，另一种是未经处理的“对照”种子。学生种植种子和实验，探索外层空间环境对番茄发芽的影响。通过番茄圈，学生将学习如何进行科学实验和比较两组种子发芽的数量。在完成项目的同时，学生将研究如何为太空探索任务提供维持生命所需的食物、水、氧气，并消耗宇航员呼出二氧化碳的方法，讨论太空探索涉及的许多问题。根据年级和课程的不同，教师可以将番茄圈种子的基本调查与植物、空间、营养、数学或环境的研究联系起来，从而扩大调查范围。番茄圈的实施包含五步骤即注册和排序种子、复习和准备课程材料、教师向学生介绍项目、播种、观察和记录种子发芽情况、在线提交结果。
2．2实施步骤。项目的实施分为六个步骤，分别是：注册和排序种子—复习资料—向学生介绍—播种—观察和记录发芽情况—在线提交结果，具体如下：（1）注册和排序种子。注册一个LTS账户，进行购买。（2）复习和准备课程材料。①熟悉番茄圈的资源。教师通读指南来探索资源，这些学习资源将学习内容引向种子调查以外的领域，就如何培养探究技能和跨课程概念提出建议。②计划做种子调查的时间。在星期三或星期四播种（除了寒暑假），第一批种子需要5－7天的时间发芽，学生应该在场看到第一次发芽迹象。③安排种植和观察。首先播种计划，40－60分钟，视学生年龄而定；其次观察、测量和记录，每天5－10分钟，最好是每天同一时间；最后发芽，在理想条件下5至7天，但可长达3至4周。④准备从番茄圈获取材料。学生应该收到两包种子（两个不同的字母标记）。一个包装含有“对照”种子（未经处理），另一个包装含有“试验性”种子（经过处理），这些种子暴露在太空或类似太空的条件下。（3）教师向学生介绍这个项目。在每个资源中，按年级分配的活动建议适合其年龄的建议和场景，他们可用于启动和参与学生的种子调查。（4）播种。在种植前，将泥炭球在温水中浸泡约40分钟，或直到完全膨胀；将每个泥炭球（或土壤）放入一个单独的种植容器中，或者可以用一个苗木托盘来保存种子和小球（或土壤）；用种子包装上的字母准确地给种植容器贴上标签；让每个学生将一颗种子压入每个泥炭球（或土壤），深度大约与种子的长度相同；确保标签是准确的。（5）观察和记录种子发芽情况。①种子护理和浇水。泥炭球（或土壤）在萌发期应保持湿润。每天检查泥炭球或土壤，确保接触到的是潮湿的，而不是浸湿的，根据需要相应加水。浇水时间表可能会根据房间的湿度而有所不同。周末出发前记得给泥炭球（或土壤）浇水，回来时要尽快浇水，重要的是保证泥炭球或土壤不会变干。②观察和记录结果．确定发芽：种子调查的主要目的是确定发芽种子的数量与两种类型种子（处理和未处理）中每种种子的播种数相比较。当可以看到两个明显分开的子叶（胚叶）时，可以认为种子已经发芽。③记录结果。记录每天发芽2－3周或直到最后一粒种子发芽5天的种子数量。当每颗种子都被记录下来时，用塑料搅拌棒来标记。观察的内容包括：播种数、播种日期、第一粒种子发芽日期、最后一粒种子发芽的日期（不算未发芽的种子）、发芽种子总数。（6）在线提交结果。注册时使用用户名和密码；种子的数量和种子发芽的数量。
2．3实施成效。在LTS带领下下，番茄圈项目已发展支持7000多名注册教育工作者，比前一年增加了5％。加拿大安大略省教师范达纳“当我开始教太空单元的时候，我认为这是我在教室里创造太空的机会，用我的热情来激励年轻人。多亏了LTS和番茄圈项目，我才能实现这个梦想。与宇航员杰里米·汉森的会面使学生对加拿大的太空探索和太空生命的可能性有了更好的了解。这些年轻的加拿大人获得了在STEM领域追求事业的动力。教育家的反馈也为新的番茄圈教学资源的开发提供了信息，这些资源支持以探究为基础的学习和科学过程。不列颠哥伦比亚省教育家索菲娅很欣赏这个项目，感谢它为学生建立好奇心和探究所做的一切，她喜欢应用到各种不同的年级和教室”。外层空间对番茄种子萌发有什么影响？来自加拿大各地的415700名学生，他们在2016－2017年使用了番茄圈项目来回答这个问题。该项目在2016－2017年期间引入了一个新的网站和更多的教育资源，教授学生科学探究的技能和过程。参与该项目的马尼托巴州石墙市石墙百周年学校八年级学生亚当·斯塔姆勒说，“番茄圈太神奇了。”它比我们在书中读到的任何东西都更吸引人。2016年至2017年，来自加拿大各地的41．57万名学生使用番茄信息素项目回答了这个问题。该项目在2016－2017年期间引入了一个新的网站和更多的教育资源，教授学生科学探究的技能和过程。参与该项目的马尼托巴州石墙市石墙百周年学校八年级学生亚当·斯塔姆勒说，“番茄圈太神奇了，它比我们在书中读到的任何东西都更吸引人。”同学卡特·艾夫斯非常兴奋，他在自己家里的花园里种了一些幼苗，并记录了它们的生长情况，他说“我从这个项目中学到了很多东西，它激发了我的想象力，我开始思考在太空种植食物的所有机会，我绝对希望有一天能从事农业工作。”2017年至2018年，石墙百年学校（EcoleStone－wallCentennial）的一个八年级班决定将“番茄圈”提升到一个新的水平。尼克尔说，“学生喜欢太空植物的概念，也喜欢他们的研究对长时间飞行甚至火星旅行中食物生长的研究有益。一些学生甚至称番茄圈计划是他们有史以来最好的学校体验。当学生能够兴奋起来，并为科学探究打下基础时，一切都是无限的。”
3思考及启示
番茄圈培养了学生的探究技能，教会其批判性思考，它为学生提供一个极好的机会，让学生像科学家一样思考和行动，练习他们的探究技能，发展对科学本质和公平测试概念的理解。随着学生参与种子调查的步骤，这些技能可以在各种资源的支持下进行介绍和实践，并提出适合不同年龄和不同理解水平的学习经验。探究是一种学习方法，它在一系列的过程中来探索自然、物质和／或社会世界。探究让学生参与提问和回答有意义的问题。其中一些问题将由教师提出，而另一些问题则将由学生提出。学生会有许多机会参加实际活动，这些活动会产生问题的答案和解决问题的办法，并可能导致进一步的调查。科学探究过程并不总是一个线性的进程，但往往更多的是一个来回或周期性的一系列事件，通常从开始和计划阶段开始，之后进入执行和记录阶段，再进行公平的测试或协议，从而产生数据和证据。在分析和解释阶段将收集到的数据和证据进行检查，这可能导致进一步的问题，并随着新调查的启动和计划重新开始这一循环。沟通和团队合作对调查周期各个阶段的成功和效率非常重要。这个过程遵循5E教学模式。5Es教学模式包括参与（engage）、探究（explore）、解释（explain）、扩展（extend）和评估（evaluate）的循环步骤，可以叠加在基本的探究周期之上。参与阶段对应于开始和计划。探究和解释包含了探究的执行和记录阶段，扩展和评估包含了探究的分析和解释阶段。科学探究具有其自身的独特性，因为它有以下特点：科学探究是由好奇、兴趣、需求或热情驱动时，它是在科学的背景下回答一个问题的；这个过程从一个要回答的问题开始；生成一个预测／假设；根据书籍、视频、其他人的专门知识和见解等资源中的背景知识，规划并实施了一项调查。这些特点是科学探究所独有的，在科学探究过程中培养学生的探究技能、探究经验和好奇心，但是在科学探究过程中也有其需要注意的问题：观察数据的收集，记录使用各种代表性表格；可能会出现更多的问题，从而导致更多的勘探和调查；要使经验有意义，需要反思、交谈、与他人比较发现、解释数据和观察，以及将新概念应用于其他情境，所有这些都有助于学习者构建一个更完善的精神世界框架。综上所述，好的课程播下了好奇心的种子，而好奇心是探求的先导，探究是STEM开始的源泉，因此加拿大“番茄圈”项目就是在科学探究中播种好奇心的种子，为我国提供了一些借鉴价值，当然由于国情不一样，我国在学习的同时也要注意本土化。
作者:刘春岳 单位:喀什大学教育科学学院
