基于STEM理念的高中生物學實驗教學實踐與思考

劉閃閃 何榮江

摘要總結了基于STEM理念的高中生物學實驗教學思路，并結合案例分析了“基于STEM理念拓展教材實驗”“基于STEM理念進行項目研究”等將STEM融入實驗教學的途徑，引導學生在解決實際問題的實驗過程中提升生物學核心素養。

關鍵詞 STEM 高中生物實驗 教學思路 案例分析

中圖分類號G633. 91文獻標志碼B

《普通高中生物學課程標準（2017年版）》明確要求學生“能夠將STEM知識和能力綜合運用在實踐活動中，解決生活中的實際問題”。STEM教育目標是整合各領域知識、技能，強調以“實際生活”為基礎，以“解決問題”為導向，通過科學探究的實踐解決實際問題。因此，開展基于STEM理念的實驗教學與課程標準中的要求高度契合。

1教學思路

在教學設計中，教師以問題為出發點，引導學生分析STEM要素并設計方案解決實際問題。根據已有的研究經驗及自身多次教學實踐，筆者總結出如圖1所示的教學思路。

2案例呈現

2.1基于STEM理念拓展教材實驗——以“植物向光性的探究實驗”為例

2.1.1創設情境，提出問題

在“植物生長素”的教學過程中，教師引導學生評價科學家的實驗，學生提出拜爾的實驗中將切除的尖端放在胚芽鞘一側的操作難度較大，并對溫特實驗中切除尖端的胚芽鞘不能生長提出質疑。教師展示胚芽鞘切除尖端后再生長的圖片，以肯定學生的質疑。經資料查閱與討論后，學生提出以下探究問題：①如何簡化拜爾的實驗方案？②初始長度對胚芽鞘切除尖端后的再生長有無影響？

2.1.2STEM要素分析

學生以小組為單位，分別從科學、技術、工程和數學4個維度分析實驗過程中涉及的SETM要素（表1），以確定實驗步驟、實驗數據的檢測方法等，為設計實驗方案做好準備。

2.1.3合作探討，設計方案

結合STEM要素分析，學生逐步確定實驗材料、自變量、因變量、實驗分組、處理條件和檢測指標，設計了2個實驗方案（表2、表3）。

2.1.4實施方案，匯報交流

根據實驗方案1，學生選擇直徑約1 cm的玉米胚芽鞘，分別切除胚芽鞘尖端左、右側5 mm，并置于不透光紙箱中黑暗處理5 h。結果發現，切除右側尖端的胚芽鞘彎向右側生長，切除左側尖端的胚芽鞘彎向左側生長。因此，單側切除胚芽鞘尖端可以使尖端產生的影響在尖端以下部位分布不均勻，從而引起胚芽鞘向切除側彎曲生長。此方案操作簡單，實驗現象明顯，實驗周期短，可做為拜爾實驗的簡化方案。

根據實驗方案2，學生分別選擇1、1.5、2、2.5 cm的小麥胚芽鞘各4個，切除尖端5 mm后，置于不透光紙箱中暗處理12 h，用直尺測量切除尖端部位以上的生長長度，記錄數據并進行統計分析。結果發現，初始長度分別為1、1.5、2、2.5 cm的小麥胚芽鞘切除尖端暗處理12 h后，生長長度分別約為0.3、0.5、3.3、5.8 mm。1～1.5 cm的小麥胚芽鞘切除尖端后生長長度顯著低于2～2.5 cm的小麥胚芽鞘。因此，小麥胚芽鞘切除尖端后暗處理過程中的生長與胚芽鞘初始長度有關，在胚芽鞘初始長度1～2.5 cm范圍內，切除尖端后暗處理過程中的生長長度隨胚芽鞘初始長度的增長而增加。

此外，教師也可以通過對教材實驗的改編實現基于STEM理念對教材實驗的拓展。教師可以把教材中的驗證性實驗改編成探究性實驗，如把“光合色素的提取與分離實驗”改編成“探究溫度對光合色素含量的影響”，把“果汁中的果膠和果膠酶”改編成“探究溫度對果膠酶的影響”；也可以把教材中的定性實驗改編成定量實驗，如把“模擬尿糖的檢測”改編成“模擬檢測尿液中還原糖的含量”，把“檢測生物組織中的蛋白質”改編成“檢測不同生物組織中蛋白質的含量”，利用O2、CO2濃度傳感器檢測光合強度、呼吸速率，利用光電比色法定量檢測酶、果膠、總蛋白等物質的含量，等等。

2.2基于STEM理念開展項目研究——以“低糖高甜果茶的研制”為例

2.2.1創設情境，提出問題

在學習“血糖平衡與調節”時，教師介紹糖尿病的類型及病因：糖尿病患者需嚴格控制糖類攝入量，因此少了很多品味“甜”的幸福感。有沒有什么食品既能滿足糖尿病人對甜度的需求，又不增加血糖濃度？學生提出STEM研究項目：研制一款適合糖尿病人的低糖高甜果茶。

2.2.2STEM要素分析

以小組為單位，分別從科學、技術、工程和數學四個維度分析實驗過程中涉及的SETM要素（表4），以確定原材料、實驗方法、實驗步驟等，為設計研究方案做好準備。

2.2.3合作探討，設計方案

學生經查閱資料及小組討論后，確定以西柚、綠茶和甜葉菊為原材料，其中甜葉菊含有低熱量、高甜度的甜菊糖苷，是一種合適的代糖，可以滿足糖尿病人對甜度的需求且不會增加血糖濃度。將西柚榨汁，分別用熱水浸提綠茶和甜葉菊獲得茶湯；將三者按一定比例混合后，初步進行感官評定（湯色、香氣與滋味各10分，共30分）；根據分值初步篩選合適配比。在單因素基礎上，確定正交試驗的三因素與三水平，開展正交試驗，篩選出最佳配比，測定茶多酚、可溶性固形物及pH等指標，經滅菌后裝瓶，并通過取果茶培養后統計總菌落數確定產品貨架期。最后，設計產品包裝，獲得成品。

2.2.4實施方案，匯報交流

根據研究方案，學生首先確定了茶湯浸提工藝，然后初步對7組不同配比的果茶進行感官評定（表5），根據分值初步篩選合適配比，然后通過正交實驗確定最佳配比，以下為部分實驗結果。

根據表5，確定以西柚汁、甜葉菊茶湯、綠茶茶湯配比0.4∶3.5∶1設置正交試驗的三因素三水平（表6），由正交試驗結果（表7）可知，各因素對復合果茶感官品質的影響次序為甜葉菊茶湯>西柚汁>綠茶茶湯，以A1B2C3組合為最佳配比（即西柚汁0.3 g、甜葉菊茶湯3.5 g、綠茶茶湯1.2 g）。

根據最佳配比配制果茶后，首先進行感官評定，分值為29.1，因此獲得了較理想的果茶配比。然后，滅菌與裝瓶，檢測產品安全性及營養成分，設計產品包裝，獲得低糖西柚果茶成品（圖5）。請多位糖尿病人飲用該果茶后，發現患者的血糖濃度無明顯升高。

由以上實驗結果可知，采用甜葉菊作為代糖，與綠茶、西柚汁按3.5∶1.2∶0.3的配比獲得的果茶，可以滿足糖尿病人對甜度需求的同時又不增加血糖濃度，適合糖尿病人飲用。

此外，教師也可以引導學生思考與環境、健康、作物產量等相關的生活中的實際問題，鼓勵學生開展STEM項目研究。例如，在學習“泡菜的腌制和亞硝酸鹽的測定”時，學生曾提出：哪種泡菜更健康？不同泡菜亞硝酸鹽含量隨時間變化趨勢一樣嗎？教師沒有直接給出這些問題的答案，而是引導學生開展項目探究，從實驗中尋找答案。學生開展探究活動后，發現，白菜制作的泡菜亞硝酸鹽含量較低，白蘿卜制作的泡菜亞硝酸鹽峰值早于胡蘿卜，三種泡菜在腌制8 d以后亞硝酸鹽含量均較低（圖6）。

3總結與反思

將STEM理念融入高中生物學實驗的途徑有很多。教師可以由學生的問題與質疑鼓勵學生開展探究，可以通過對教材實驗的改編拓展教材實驗，也可以引導學生根據所學知識及原理，從現實生活中發現問題，開展STEM項目研究。當然，不同的實驗可能側重于STEM中的某一個或某幾個要素，且不同類型的實驗對學生能力的要求不同，教師應根據學生的層次做好分組，引導學生查閱資料解決一些超出其知識范圍的技術方法等難題，積極關注實驗過程中出現的新問題并給予正確引導，提醒學生設置平行重復實驗，指導學生對數據進行處理與分析、得出科學的結論，并將多元化的評價貫穿始終?；赟TEM理念開展高中生物實驗教學可以引發生生之間與師生之間思維的碰撞，學生在解決問題的探究過程中思維得以啟迪，能力得到鍛煉，生物學學科核心素養得以提升。

參考文獻：

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