STEAM理念在高中生物學實驗教學中的應用例析

張恒澤

(江蘇省鹽城市亭湖高級中學 鹽城 224005)

起源于美國的STEAM教育理念，其內涵在于集科學、技術、工程、藝術和數學的有機整合和綜合教育，提高學生解決實際問題和探究新問題的能力。近兩年來江蘇省為推進中小學教育改革與創新，實施了STEAM課程。本文以人教版高中生物學教材中的幾個實驗為例，闡述如何在常見學生實驗或演示實驗教學中，注重對學生STEAM思維及其能力的培養，提升創新素養；注重在實踐中創新設計，解決現實問題[1]。

1 創新實驗流程，提升科學素養

科學實驗是通過探索和觀察科研對象，通過人工控制和干預科研對象，從而能夠掌握有關機制和規律，最終實現預期的目的?？茖W實驗中使用的儀器多，會使人獲得更精確、更豐富的感性材料。人教版高中生物學教材中的許多實驗都能夠展現完整、豐富和真實的探究場景，學生可以獨立設計實驗、分析思路，還可以自主選擇課題。

例如，人教版選修1“酵母細胞固定化”的實驗可以采用“項目創新導學”，即以項目為主線、教學目標為指向，通過項目實施來組織課堂實驗教學。指導學生進行項目實踐： ①擬定項目課題(酵母細胞固定化的制備)，②對項目任務進行設計(海藻酸鈉的配置、活化酵母細胞、如何固定化、如何混合、發酵的條件、對實驗結果進行觀察)，③對項目實施的推進(課前對實驗的準備、對該項目進行導學案的編制、項目團隊的構成)，④項目評價的實施(組與組之間的互評、組內個人自評、最終的綜合評價)。讓學生在體驗中成長，在收獲中學習“酵母細胞固定化制備”的理論知識和操作要點，解答：“為什么采用包埋法固定酵母菌？常用的包埋的載體是什么？如何活化酵母菌？與直接使用酵母菌相比固定化酵母有何優勢？為什么對配置的海藻酸鈉溶液需要小火間斷加熱？形成的蝌蚪狀凝膠珠的原因以及如何避免？”等科學問題。在利用“項目創新”進行實驗導學時，學生可以根據凝膠珠的顏色和形態來進一步理解操作的要領，摒棄傳統的“重過程、輕結果”課堂實驗教學模式，啟發和引領學生自主實驗，提升學生的科學探究實驗的能力、協作和創新能力，培養學生的項目創新意識。

2 視頻展示指導，提升技術素養

科學探究的基礎是以規范的實驗操作為前提。如何規范學生的技術操作，在較短的時間內能夠讓實驗成功具有說服力呢？除了按照教材提供的實驗步驟進行操作外，還要對實驗過程中可能出現的問題進行預設。教師課堂進行演示實驗雖然直觀，但可控性不強，可見度和預想的差距明顯。

例如，在“比較H2O2在不同條件下的分解”的實驗中，學生在具體的操作中會碰到許多操作上的問題和實驗現象上的疑惑，筆者將以往學生、實驗員或任課教師的正確規范的操作過程分內容拍成微視頻給學生播放： 如滴加新鮮肝臟研磨液和FeCl3溶液同時進行有利于氣泡產生情況的比較分析；思考操作中新鮮肝臟研磨液和FeCl3溶液能否共用同一支滴管，如果共用結果會怎樣？如果選用的肝臟研磨液不新鮮會影響實驗效果嗎？實驗操作過程中試管的干凈程度、底物量的多少、反應的時間的長短等對實驗的結果有影響嗎？用兩支帶火星的衛生香分別同時插入兩支試管，可以看出兩支試管中產生氣體的助燃效果；兩支衛生香插入試管的深度不同會對實驗結果帶來意想不到的結果嗎？如果帶火星衛生香不小心接觸到了試管內壁，衛生香熄滅還會導致實驗順利進行嗎？依照對照實驗中單因子變量的原則實驗中用兩支帶火星的衛生香是否合適？怎樣設計一種對兩支試管中產生的氣體的濃度進行同步定性比較的裝置等？同時應給予學生充分思考的時間。由于微視頻具有直觀、形象和生動的特點，可將實驗的步驟和細節精準地呈現于課堂，打破了時空的局限，是課堂教學質量提升的有益補充。

用“微”視頻代替操作要求高、相對抽象的實驗，在進行課堂實驗教學時除了能夠提供真實的實驗氛圍，還能夠變抽象為直觀，變繁瑣為簡單，突破實驗教學的難點，提升學生的獲得感，利于在生物學課堂實驗教學中提升技術素養，規范技術操作。

3 在疑惑中探究，提升工程素養

工程素養是一種能力，是工程實踐的專業技術人員在活動時所具備的適應性和潛能。它是具備工程實踐操作能力、工程知識素養并以正確思維為導向的能力。

例如，在“酵母細胞固定化”的實驗中，實驗步驟包括： 在100 mL的燒杯中加入稱量好的0.7 g的海藻酸鈉，再加入10 mL的水，小火間斷加熱，注意攪拌，將海藻酸鈉調成黏稠狀，待完全融化用蒸餾水定容至10 mL等。這些操作看起來相對容易，實際上學生對“融化的程度、怎么加熱、怎么攪拌、實驗操作的順序、注射器推動時間間隔、凝膠珠在CaCl2溶液中的時間”等會出現各種各樣的狀況： 有的小組也在攪拌，但速度偏慢，海藻酸鈉焦湖粘在燒杯的內壁上，給定容帶來困難；部分小組的學生海藻酸鈉濃度太大，易成團不能分散，也難以估算，結果出現了蝌蚪狀的凝膠珠；也有小組學生的凝膠珠的顏色過淺呈現白色，原因是海藻酸鈉濃度太低，雖然注射方便，但包埋的酵母菌數量太少；有些小組學生在酵母細胞和海藻酸鈉還沒有充分混勻的時候，就馬上轉移到注射器中了；有的小組的學生加入活化的酵母細胞之前海藻酸鈉溶液還沒有冷卻至室溫，有小組的學生注射器推得太慢，有的推得太快……出現錯誤反映了課堂實踐操作的真實狀況，教師可以引導學生直面錯誤，思考如何改進，這時可以把主動權交給學生，在學生交流總結反思的基礎上，教師再播放一些關鍵的微視頻，鼓勵學生“識錯、探錯、改錯”在走向柳暗花明的過程中破解難點，汲取教訓，收獲喜悅，在重復實驗時挖掘潛能。

實驗課堂容許學生犯錯，教師巧妙地利用好學生犯錯的資源，在柳暗花明的過程中培養學生的批判性思維，在錯誤中收獲精彩，提升學生的工程素養，也讓學生的意志品質得到培養。

4 借助模型展示，提升藝術素養

高中生物學課堂實驗教學中所呈現藝術形式的主體是學生，應關注學生對自然界的感悟力、對人與自然的思考。學生可以通過實物模型來展示他們思考和探索的過程，模型呈現的過程需邏輯連貫、條理清晰，生物學模型制作的材料要合適、環保，追求藝術上的美感也是高中生物學實驗模型的目標。

例如，在必修2講完DNA的結構和特性后，讓學生設計“DNA雙螺旋結構”模型時，傳統的方法是： 選擇7種不同顏色的彩色硬紙板，2種顏色代表五碳糖(制作成五邊形)，4種顏色代表含氮堿基(按照堿基互補配對原則制成相應的帶缺口的長方形)，剩下的1種顏色代表磷酸(制成圓形)，用鐵絲代表化學鍵。可以直觀理解DNA分子的兩條鏈反向平行，按照堿基互補配對原則形成規則的雙螺旋結構，DNA為什么能夠作為遺傳物質，它的穩定性是怎么體現的，多樣性、特異性怎么理解，遺傳信息的實質指的是什么，進一步思考“親子鑒定”中為什么可以借助DNA來協助作出判斷。學生自己動手制作出的模型一目了然，培養動手能力和運用知識解決新問題的能力，也能獲得藝術感的喜悅。信息化時代提出了更高的要求，為了建立“DNA雙螺旋結構”模型可以借助更多的工具，在工程的方面可使用打印筆、3D打印機、傳感器和激光切割機等?？稍谀Ｐ椭屑尤腴_源電子原型平臺Arduino、自動化裝置和簡易編程工具Scratch,讓學生的創意可視化。呈現作品的同時，要求學生配合講解“DNA雙螺旋結構”的特點，也是學生之間合作與分工的人文藝術的體現。

如何合理、按照比例設計模型，教師要鼓勵學生大膽嘗試，發揮想象，使模型更直觀，充分體現結構決定功能的特性。STEAM教育理念強調分析和解決問題的能力，在教學中多讓學生思考實際生活中的問題。思考問題的角度不局限在科學與技術的范圍，力求找到最佳解決問題的方案。

5 探究改進實驗，提升數學素養

數學思維能力是一種解決問題的能力，是用數學的觀點去思考和解決問題的能力。數學學科知識具有高度的抽象性和邏輯性。對實驗數據運算、統計利于培養學生的數學思維能力和數學感知。

例如，在必修1“洋蔥質壁分離與復原的實驗”中，教材直接給出的濃度是0.3 g/mL的蔗糖溶液,可以考慮把驗證性實驗改成探究性實驗，探究哪種蔗糖溶液更適合做質壁分離的濃度，讓學生思考自己去解決問題，有學生提出應該圍繞0.3 g/mL的蔗糖濃度而展開，可以選擇0.2 g/mL、 0.3 g/mL、 0.4 g/mL、 0.5 g/mL的蔗糖溶液對4張裝片的樣品進行引流操作，同時拍攝錄像，持續15 min，結果如表1；再對上述4張裝片用蒸餾水進行引流操作，同時拍攝錄像，持續10 min，結果如表2。通過兩個表格可以看出： 0.4 g/mL的蔗糖溶液才是該實驗的最佳濃度。表面上看是解決了實驗中的實際問題，實際上是對實驗的拓展、規范和改進，學生通過親自操作和體驗，使原本一節課解決不了的問題，利用數學思維方式和富有創造力的改進與探究得以解決。

表1 不同濃度蔗糖溶液處理15 min中細胞質壁分離情況

表2 質壁分離15 min后細胞質壁分離復原的情況

教師在課堂實驗教學中，要讓學生融入實驗的改進與設計中，培養學生帶著問題去實驗操作、收集、整理、記錄、分析、處理實驗數據，可以通過曲線圖、表格、文字表述等定量完成實驗結果。在實驗教學中通過學生之間、教師和學生之間對實驗數據的探究與對話，用數學思維去理解生物學的核心概念，去構建高中生物學實驗知識的網絡。