應用高中生物學教科書插圖開展STEAM 教育

鄭曉花 高 壯

（1.三明第九中學，福建 三明 365001；2.福清元洪高級中學，福建 福清 350300）

STEAM 教育強調多學科融合。［1］研究表明STEAM教育模式有助于提升學生的想象力、發散思維能力及綜合運用多學科知識解決問題能力。［2］STEAM 教育與核心素養培育相結合是我國基礎教育改革的必然趨勢。［3］2019 年版人民教育出版社普通高中教科書《生物學》（下文簡稱教科書）具有豐富的插圖，在一定程度上蘊含科學、技術、工程、藝術與數學等STEAM 教育因素。筆者嘗試應用這些插圖開展STEAM 教育，促進學生發展生物學學科核心素養。

一、應用教科書插圖提升學生生物科學素養

以學生作為探究性學習主體是STEAM 教育理念之一。教學過程中結合教科書插圖，鼓勵學生對相關主題進行探究性學習，促進學生掌握生物學科思想、觀點與方法，發展生物科學素養。例如，在豌豆雜交實驗中，孟德爾對遺傳規律的研究是建立在正確的研究方法和有力證據的基礎上。應用教科書插圖，以孟德爾對遺傳性狀的研究過程為教學“明線”，以科學研究方法——假說演繹法為教學“暗線”，引導學生開展下列4 個環節學習。一是應用教科書中“高莖豌豆和矮莖豌豆的雜交實驗示意圖”，引導學生說出孟德爾的發現，F1總是高莖，F1自交后代F2則表現為3 高莖∶1矮莖，并遷移至其他6 對性狀的研究。二是要求學生說出孟德爾對分離現象的解釋。根據該解釋，嘗試應用圖示表示豌豆雜交實驗過程，并應用教科書中的“高莖豌豆和矮莖豌豆的雜交實驗的分析圖解”進行分析與交流。三是創設問題情境：孟德爾的測交實驗結果和預期一致嗎？說明什么問題？引導學生結合“一對相對性狀測交實驗的分析圖解”討論孟德爾設計測交實驗的目的、內容及預期結果。四是要求學生從親本產生配子、配子結合形成后代兩個方面概括分離定律內容，總結假說演繹法的一般步驟。

遵循教科書內容的內在邏輯及學生認知規律，應用教科書插圖創設系列問題情境，引導學生從“現象”到“本質”，深入分析與探究，促進學生理解與應用科學研究方法，深刻認識科學本質。

二、應用教科書插圖體會技術對生物學發展的作用

充分挖掘教科書插圖所蘊含的生物科學技術因素，有助于學生認識科學技術進步對科學進步、社會發展的影響。例如，應用教科書“用臺盼藍染液染色后的死細胞和活細胞”插圖引導學生思考：早期對生物膜的研究為什么是先從生理功能入手的？讓學生明白：受科學技術限制，當時科學家無法觀察到生物膜結構，只能以觀察哪些物質能透過生物膜來研究其功能。科學家歐文頓在大量實驗觀察的基礎上，通過嚴謹推理與大膽想象，提出膜是由脂質組成的推測。應用教科書插圖“在水中形成的磷脂雙分子層模式圖”，引導學生根據歐文頓研究分析得出：細胞膜含有脂質，磷脂排列為連續兩層的結構，還附有蛋白質。隨著顯微鏡技術的發展，羅伯特森利用電子顯微鏡，觀察到細胞膜“暗—亮—暗”的三層結構。要求學生應用教科書插圖“細胞膜結構的電鏡照片”，推斷羅伯特森的假說內容，并結合細胞的功能分析該模型的優點與不足，從而引導學生追尋科學家的探索足跡，修正并完善細胞膜的模型。隨著實驗技術的改進和創新，科學家對膜結構的研究又找到新的證據。應用教科書插圖“熒光標記的小鼠細胞和人細胞的融合實驗示意圖”，學生寫出該實驗過程的流程圖，分析實驗結果、得出實驗結論：細胞膜是具有流動性的。通過不同年代多位科學家的共同努力建立細胞膜結構的流動鑲嵌模型。

通過探究教科書插圖所蘊含的STS 教育因素，讓學生明白科學技術進步促進科學發展，促進學生綜合應用物理、化學、生物學等多學科知識解決問題，這是落實生物學學科核心素養的重要途徑之一。

三、應用教科書插圖引導學生實踐建模工程

建構模型是一項工程。將靜態的插圖轉化為可操作的建模活動，滲透工程學的教育思想，實現內隱知識的外顯，有助于學生深度學習，加深對復雜概念的深層理解與應用，提升科學實踐能力。例如，學習“DNA 的結構”時，引導學生按照DNA 結構發現史，結合教科書中“DNA 的結構模式圖”，先構建DNA 的基本單位——脫氧核苷酸模型，再分組構建兩條脫氧核苷酸長鏈模型。建模的同時，引導學生思考與討論：堿基是如何配對的？兩條脫氧核苷酸鏈具有方向性嗎？如何體現？最后，請學生代表展示并講解各自建構的DNA 分子模型。通過“討論—構建—傾聽—反思—修正”等建模活動，學生發現所構建的DNA 分子模型主要存在不同的DNA 分子模型長度不同、堿基數量不同及堿基對的排列順序不同等特點。可見DNA 分子結構具有多樣性及特異性。進一步引導學生思考與討論：DNA 結構的穩定性體現在哪里？

應用教科書相關插圖，還可以指導學生進行細胞結構、細胞膜的結構、ATP 的分子結構等建模活動。

四、應用教科書插圖引領生命藝術之欣賞

在高中生物學教學中引領學生欣賞生命藝術之美，有助于讓生物學教育與人文科學教育相融合，促進學生全面發展。例如，“細胞器之間的分工合作”這一節內容中的“植物細胞和動物細胞亞顯微結構模式圖”“分泌蛋白運到細胞外的過程示意圖”及“內質網膜與細胞膜、核膜的聯系”等插圖，展示細胞結構復雜、精細巧妙的生命系統之美；體現歷經幾十億年的演變，細胞進化出的各種結構彼此分工又緊密合作，保障生命活動在變化的環境中有條不紊地進行，這是生命活動的和諧之美。教科書中“植物細胞有絲分裂的過程”“動物細胞有絲分裂模式圖”“哺乳動物精子的形成過程示意圖”及“減數分裂示意圖”等有關細胞分裂插圖，讓學生領悟染色體運動的行為美、遺傳分離比的簡約美。教科書“科學家訪談”欄目中“與袁隆平院士一席談”插圖，展示袁隆平院士在田間查看水稻生長情況，體現袁院士吃苦耐勞、勇于探索、甘于奉獻的人格美。

同時，這些插圖還能讓學生直觀地體會自然、科學與人文的和諧美。

五、應用教科書插圖促進學會以數學語言揭示生命規律

《普通高中生物學課程標準（2017 年版2020 年修訂）》對學生解讀數學模型提出更高的要求：能應用坐標圖表達相關結論。教師應重視應用教科書插圖，指導學生運用數學模型揭示生命規律、解決實際問題，培養學生圖文、數形轉化能力。例如，學習有關“主動運輸”知識時，學生容易受“自由擴散”和“協助擴散”的濃度差及其運輸速率關系等影響，認為細胞主動運輸時物質運輸速率與物質的濃度差也是成正比關系。教師可以嘗試引導學生運用數學模型探究、解決這一問題。首先，指導學生分析“主動運輸”實驗數據及其之間的關系，以曲線圖（即數學模型）的形式呈現實驗結論。其次，分析協助擴散與主動運輸所需的條件，以曲線圖表達對協助擴散與主動運輸的認識。有的學生沒有考慮到協助擴散中載體數目會限制運輸速率；還有的學生對如何繪制主動運輸曲線圖產生“思維碰撞”，對物質運輸速率與物質的濃度差的關系有不同意見。教師可以請不同觀點的學生代表分別闡述理由，繪出物質進出細胞的曲線圖，其他同學補充、質疑，并展示主動運輸實驗的相關數據，進一步解釋主動運輸的物質運輸速率與物質的濃度差的關系。

引導學生運用數學模型對生命現象進行探究，促進學生真切地體會：只有嚴謹分析實驗數據，才能真實揭示生命科學規律及其本質。