基于STEM理念的校本課程開發
——以“細菌作畫”為例

牛疊亞

（南京田家炳高級中學 江蘇南京 210000）

1 課程開發背景

微生物無處不在，其在食品、環境保護等領域服務人類，對人類的生命安全和身體健康至關重要。所以對微生物的學習也是當今教育的重點。雖然人教版高中生物《選修1·生物技術實踐》中“微生物的實驗室培養與應用”實驗教學內容有涉及微生物的相關理論知識和實驗技能，但很多高中學校沒有條件或者時間系統地開展有關微生物的相關實驗。因此，我校生物教師結合這部分內容，基于STEM教育理念開發了“細菌作畫”課程，旨在倡導以工程設計過程為主導，以學生實踐為中心，通過合作完成真實情景中的學習。該課程豐富了高中實驗內容，增強了學生學習生物的興趣，更好地培養了學生的生物學學科核心素養。學生在習得微生物的相關實驗技能的同時，增強了對微生物的認識。

2 課程目標

基于STEM教育，校本課程“細菌作畫”的課程目標見表1。

表1 校本課程“細菌作畫”的課程目標

3 課程安排

本課程的具體內容見表2。每節課都旨在讓學生在學習微生物學基礎知識的前提下，啟發學生通過思考、動手達到多角度調動學生的學習思維和學習行為的目的，真正落實生物學學科核心素養的培養。“細菌作畫”課程主題明確，活動之間具有系統性，學生通過本課程的學習，能在掌握微生物知識和實驗技能基礎上完成“細菌畫”作品。

表2 校本課程“細菌作畫”的課程內容

4 教學過程

下面以第六講“以細菌為‘顏料’，培養基為‘畫板’的藝術與科學之旅”為例，介紹課程的設計和實施過程。

4.1 “細菌作畫”具體實驗過程

（1）準備細菌畫“顏料”：了解常用的菌種及其菌落對應顏色，如大腸桿菌為乳白色、金黃色葡萄球菌為黃色、海水芽孢桿菌的不同型號顏色不同，有黃色不透明、橙紅不透明等、枯草芽孢桿菌為灰白色或微黃色。學生根據自己需要的顏色，利用滅菌后的牛肉膏蛋白胨液體培養基大量培養對應的細菌備用。

（2）制作細菌畫“畫板”：配制牛肉膏蛋白胨瓊脂培養基。采取的配方：牛肉膏3 g、蛋白胨10 g、NaCl5 g、瓊脂15-20 g、水1000 mL，pH為7.4-7.6。將配置好的牛肉膏蛋白胨培養基進行高壓蒸汽滅菌后備用。

（3）準備細菌畫“畫筆”：準備不同粗細的棉簽、牙簽、接種環等滅菌備用。為了精確選用“畫筆”需要做預實驗，學生要準確把握不同材質的工具繪制出的線條效果，保證繪制的美觀性和科學性；并通過調整菌液濃度與繪制線條的粗細關系，達到理想繪制效果。

（4）設計圖稿并作畫：圖稿相當于微生物作畫的底稿，學生可以選擇直接繪制和電腦繪制兩種方案。由于配置的培養基幾乎是透明的，可以將培養皿大小的圖稿放在培養皿下方。此時，菌液畫過之后幾乎沒有痕跡，位于皿底下方的底稿便于用接近無色菌液繪制的時定位。在酒精燈火焰旁或無菌實驗室中，選取合適的“畫筆”以及“顏料”，左手將“畫板”皿蓋打開約45°縫，右手將沾有“顏料”的“畫筆”透過培養基按照皿底下的圖稿繪制。

（5）培養并觀察：將培養皿底部做好標記，置于35℃恒溫培養箱中培養24 h。觀察作品，根據作品情況，修正實驗方案，直至“細菌畫”的效果達到和底稿很高的相似度。

（6）展示作品：小組以PPT匯報的方式，講解自己作品的設計理念和學習所得，并評價和交流各組的實驗作品。

4.2 問題分析與解決

學生在實踐過程中會產生很多問題。各小組在教師的指導下，討論、解決問題。

①20 h培養后細菌線條過細。學生猜測：如果用濃度高的菌液畫，細菌的菌落是否會長得更茂盛呢？如果這個猜想成立，學生就可以在畫作上控制細菌的疏密分布了。一開始，學生打算靜置沉淀后，吸取上層清液再搖勻使菌液濃度增加，但怎么沉淀也不見效果。教師提議用采用離心機。學生查閱資料后，在教師的指導下，首先設置將離心機設置為2 000 r/min，但2 min后并沒有離心成功。學生將轉速增加到4000r/min，2 min后得到了分層的菌液，利用移液槍吸取上層適量清液，并將剩下清液和沉淀搖勻。為了檢測效果，學生用等量的高濃度菌液和正常濃度菌液做對比實驗，出現截然不同的線條。

②細菌實際長出后，從涂色范圍略向外延伸，導致邊緣不規整或相鄰部分連成一片。操作的過程中，學生發現細菌實際長出后，會從涂色范圍略向外延伸，導致大范圍地涂色后，在一些連接處，菌會長成一塊，或者涂色部位的邊緣很不整齊。于是，學生決定用燒紅的接種環來殺死細菌。進行試驗后，發現燙過的地方確實不容易聯成一塊。解決這個問題之后，畫作里的各個相同顏色的部分辨析度就更大了，邊緣也更加平滑了。

4.3 成果評價展示

細菌作畫的成果有火炬圖（手持火炬冉冉升起的火焰），寓意“永不熄滅的科學之光”；伏羲女媧圖（伏羲女媧螺旋的尾部類似雙螺旋的DNA分子），寓意“古老的傳說與科技的結合，華夏文明的古老與科學”；京劇臉譜圖，寓意“文化與科技的結合”；星間飛行圖（圖1）。

圖1 細菌作畫作品“星間飛行圖”

結合學生的作品，教師利用一節課進行作品展示與匯報。每組學生介紹作品的制作過程、感悟、作品寓意等，小組內部、小組之間和教師對學生實驗過程的表現和實驗的匯報情況進行評價，以幫助學生更好的總結自己的學習成果，清楚自己學習過程的優勢和不足。表3為“細菌作畫”的作品評價表。

表3 “細菌作畫”作品評價表

5 “細菌作畫”課程開發后的反思

5.1 成功的經驗

利用我校擁有無菌室、高壓蒸汽滅菌鍋等資源，結合教學經驗開展的“細菌作畫”校本課程，是在一種開放的系統中進行的生物實驗，可以作為國家課程的互補，避免學生知識和技能獲得的單向性。細菌畫創始人扎查利·科普菲爾曾說：“科學的世界永遠是一個充滿詩情畫意的美麗地方，比起我所知道的其他任何領域都更有藝術性。”在細菌畫的創作中，學生在美術老師的指導下，懂得了對稱性、留白性以及作圖要具有主題性等繪圖美觀性的原則，從而更好地欣賞美；在生物老師的指導下發現科學的殿堂，在科學知識和技能掌握過程去發現、解決問題。我校開展的科學與藝術結合的“細菌作畫”校本課程，可以提升學生的跨學科素養、生物科學素養和審美情趣。

5.2 不足的反思

細菌的種類繁多，環繞在人們周圍，學生還可以研究身邊的物品如手機、實驗室空氣中微生物的種類和對應菌落的顏色等等，進一步豐富校本課程的資源。這也是我校“細菌作畫”校本課程進一步探索的方向。另外，關于校本課程的評價也可以更多樣化，如討論實錄、科技論文、攝影、攝像或者短視頻的記錄實驗過程等展示觀察發現結果可以發展學生其他技能。