STEAM理念下初中生物學探究實驗評價情境的創設

張琪 李志興 宋娟

摘要 在初中生物實驗教學中融合 STEAM 理念，創設探究實驗評價情境，引導學生在實驗室條件下探究電子煙的成分及其危害，從而提高學生跨學科知識整合的思維能力，培養關愛生命的意識，最終發展生物學學科核心素養。

關鍵詞 電子煙? STEAM 評價情境 創新實驗 核心素養

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評價情境是運用學科內容、執行學科任務、展現學科核心素養發展水平的載體，評價情境的創設承擔著引導學生核心素養外顯的重任。STEAM 教育是集科學、技術、工程、人文和數學于一體的多學科交叉的綜合性教育理念，對培養學生的綜合素質、創新精神以及實踐能力有著重要的作用。在初中生物學實驗教學中，教師以情境作為評價背景和載體，將STEAM 教育理念融入到探究實驗評價情境中，可改變傳統的實驗教學模式，激發學生的創新思維，促進學生對知識的掌握與應用，同時有助于提升學生的生物學學科核心素養。

1 背景

山東科學技術出版社七年級下冊“選擇健康的生活方式”一節直觀呈現了傳統香煙煙霧中含有的化學物質及危害，并通過實驗探究“煙草浸出液對水蚤心率的影響”，突出了吸煙對心血管的不利影響。通過學習，學生能夠了解并認同傳統香煙的危害。電子煙又稱電子尼古丁傳送系統（ENDS），是近年來發展最為迅速的一種新型煙草制品。因其具有隱蔽性強、外觀時尚、口味多樣等特點，不少中小學生開始吸食電子煙。電子煙已然成為青少年健康的新威脅。但是，學生對于電子煙的成分及其危害并不了解。因此，本實驗融合STEAM 理念，通過創設探究實驗評價情境，探究電子煙的成分，并通過模擬實驗直觀呈現其危害，旨在提升學生的生物學學科核心素養，發揮生物學在健康教育領域所具有的天然優勢。

2 教學目標

①通過觀察實驗的直觀現象，充分了解電子煙的危害，從而樹立珍惜生命、崇尚健康文明的生活方式。

②基于 STEAM 教育理念，通過運用生物、物理、化學等知識和原理，自行設計探究實驗方案，增強跨學科思維及創造性思維。

③運用已有知識，創新實驗材料與實驗裝置，動手完成探究實驗，同時培養團隊合作的能力。

④樹立珍愛生命、遠離電子煙的意識，并積極向社會宣傳電子煙的危害，成為健康中國的促進者和實踐者。

3 設計流程

以發展學生的生物學學科核心素養為最終目標，結合課程標準，創設探究實驗評價情境，構建了如圖1所示的STEAM 實驗教學設計流程。

4 材料與儀器

電子煙，電子煙煙油，小魚，蒸餾水，高錳酸鉀溶液，斐林試劑，標準鉛溶液（1μg/mL），醋酸鹽緩沖液（pH 為3.5），硫代乙酰胺試液，試管，錐形瓶，移液器，量筒，燒杯，電子控溫加熱器，兩口燒瓶，氣球，溫度計，水浴加熱裝置，孟氏洗氣瓶，橡膠管，注射器，過濾器，微孔濾膜（直徑13 mm，孔徑3μm）等。

5 任務實施

STEAM 教育倡導學生進行探究性學習。如何激發學生的探究欲望？教師課前創設實驗教學評價情境：你身邊有人吸食電子煙嗎？你能設計探究實驗探究電子煙的成分嗎？你能否通過模擬實驗，直觀呈現這些成分的危害？學生以學習小組為單位，自主查閱電子煙的相關資料，明確實驗原理，掌握相關的實驗操作技術。課上，各小組根據所搜集的資料，討論、設計實驗步驟。各組展示小組的設計，相互提出建議。之后，學生列出所需材料和儀器清單，明確各種試劑的濃度和作用，并在教師引導下分析已有方案，修改細節。在完成實驗材料與儀器的準備工作后，學生動手完成實驗探究，及時記錄實驗結果。最后，學生分析實驗結果，得出實驗結論，形成成果，進行推廣。 5.1探究煙油中是否含有煙堿

實驗原理：煙堿能使紫色高錳酸鉀溶液褪色。

實驗過程：取兩支試管，編號1號和2號，各加入2 mL 高錳酸鉀溶液，之后分別加入1 mL 煙油和1 mL 蒸餾水，充分震蕩混勻。

實驗結果：1號試管中紫色高錳酸鉀溶液紫色褪去，2號試管無明顯變化。

由此，學生得出結論：電子煙的煙油中含有煙堿成分。

5.2探究煙堿的危害

實驗原理：少劑量煙堿可引起生物體機體興奮，大劑量可導致生物呼吸麻痹直至死亡。

實驗過程：準備5個燒杯，編號1-5號，分別加入清水和體積分數分別為0.2%、0.5%、1.0%和2.0%的煙油溶液各300 mL。之后，同時各加入5條小魚并開始計時。每隔一段時間觀察小魚活躍狀態，記錄小魚全部死亡所用的時間。

實驗結果：煙油溶液濃度越高，小魚初始越興奮，由麻痹到死亡也越快（表1）。

由此，學生得出結論：煙堿對生物個體有嚴重危害，并且濃度越高，危害越嚴重。

5.3探究電子煙煙油加熱后產生的有害物質

學生查閱資料，得知：煙油在加熱的過程中形成的煙霧，其成分主要除了有煙堿，還有一些揮發性有機化合物、致癌化學品以及重金屬等，如丙二醇和丙三醇在高溫下可生成甲醛、乙醛等醛類物質。

實驗原理：斐林試劑與醛可以生成磚紅色沉淀。

實驗過程：取一個兩口燒瓶，一口連一支溫度計，另一口固定一只氣球（防止煙霧揮發并起到緩沖作用）。將裝有5 mL 電子煙煙油的燒瓶放入電子控溫加熱器中，300℃加熱5 s，冷卻備用。取3支試管，分別編號1、2、3號，各加入3 mL 斐林試劑，再分別加入1 mL加熱后的煙油、未加熱的煙油、蒸餾水，充分震蕩混勻，于沸水浴中3min，觀察現象。

實驗結果：1號試管中出現磚紅色沉淀，其他兩支試管無明顯變化。

學生由此得出結論：煙油加熱后會產生醛類物質，對人體有嚴重危害。

5.4探究電子煙煙霧中含有重金屬

實驗原理：硫代乙酰胺在弱酸性條件下水解，產生硫化氫，與重金屬離子生成黃色到棕黑色的硫化物混懸液，用微孔濾膜濾過，重金屬硫化物沉集于濾膜形成色斑，與標準鉛斑比較，可半定量測定重金屬含量，并且檢測靈敏度較高。

實驗過程：（1）收集煙霧。取孟氏洗氣瓶1個，一端連接裝有1 mL 煙油的電子煙，另一端連接注射器，往洗氣瓶中加蒸餾水至8 mL（圖2），抽動注射器，模擬吸煙過程并收集煙霧直至煙油耗盡。洗氣結束后，加蒸餾水至10 mL，得樣品，備用。

（2）制備梯度標準鉛斑。準備4個錐形瓶，分別移取標準鉛溶液（1μg /mL）0、2、4、6 mL，再加蒸餾水到10 mL，即每支試管中的含鉛量等于0μg、2μg、4μg、6μg。加入pH約3.5醋酸鹽緩沖液2 mL與硫代乙酰胺試液1 mL，搖勻，放置10min。用50 mL注射器，分別將各梯度標準液轉移至微孔濾膜過濾器中，緩緩進行壓濾，濾畢，取下濾膜，放在濾紙上干燥，即得梯度標準鉛斑：0μg對應的濾膜上無鉛斑，2μg、4μg、6μg分別對應的濾膜鉛斑顏色由黃色到棕黑色，依次加深（圖3）。

（3）比色。依照標準鉛斑的制備，將步驟（1）中所得樣品進行壓濾，10 min 內將生成的斑點與標準鉛斑進行比色。

本課程中學生研究了3份電子煙樣品。結果顯示，樣品1的濾膜鉛斑顏色介于標準鉛斑的0～2μg之間，樣品2的濾膜鉛斑顏色接近2μg ，樣品3的濾膜鉛斑顏色介于4～6μg 之間，即3份樣品均含有一定量的重金屬。由此學生得出結論：電子煙煙霧中含有重金屬，對人體有害。

5.5了解電子煙調味劑的危害

教師提問：實驗過程中，除了看到、聽到、摸到，你還有什么感官能獲得信息？學生回答：聞到香味。教師告知學生電子煙中起調味作用的物質——雙乙酰，會導致“爆米花肺”，同時播放相關視頻，提醒學生警惕并拒絕“二手電子煙”。

6 成果推廣

學生自行總結電子煙的危害，并討論實驗收獲。教師課后舉辦“拒絕電子煙，養成好習慣”倡議簽名活動，并將實驗成果在全校范圍內推廣，呼吁師生摒棄吸煙文化，體現中學生物課程的人文關懷。

7 項目評價

“探究電子煙的危害”項目是綜合了科學、創新、技術和人文等因素的探究任務評價情境，能使學生真實地展現自己的核心素養發展水平，實現激勵學生學習和改進教師教學的評價目的。項目評價需要從科學性、創新性、過程性和推廣性4方面進行。評價量規見表2。

8 教學反思

預防青少年吸煙是學校教育的重要組成部分，但以往的教育實踐活動多以電子煙成分與危害的科普介紹為主，學生很難深刻認識到電子煙的毒性。本研究以此情境作為評價背景和載體，與生物學學科核心素養的評價有機結合，在STEAM 教育理念的基礎上，引導學生自行查閱資料、制訂并實施計劃，在實驗室條件下親自驗證了電子煙的危害。探究實驗評價情境的創設充分提升了生物學科的育人價值，為教學評價注入了新元素，是對當前教學評價理論的創造性拓展，也將對生物學科教學評價體系的創新和發展產生積極的影響。

參考文獻：

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