基于STEAM 理念的中學生物學實驗選修課程設計
——以“瓶中蘭花”為例

朱星蒙 薛慶云 劉 薇 丁小余 牛志韜

(江蘇省南京師范大學生命科學學院 江蘇南京 210024)

STEAM 教育理念最早是美國政府提出的教育倡議,由科學(Science), 技術(Technology), 工程(Engineering),藝術(Arts),數學(Mathematics)五門學科英文首字母的縮寫組成。 STEAM 教育就是集科學、技術、工程、藝術、數學多學科融合的綜合教育。STEAM 教育理念追求加強對學生多方位能力的培養:①對多學科科學知識的理解與應用能力;②使用、評價、管理技術的能力;③對技術工程設計與開發的能力;④審美觀念、鑒賞能力和創作能力的培養;⑤發現、解釋、解決多種情境下的數學問題的能力。

《普通高中生物學課程標準(2017 年版2020 年修訂)》提出了“教學過程重實踐”的基本理念,高度關注學生學習過程中的實踐經歷,強調學生學習的過程是主動參與的過程,鼓勵讓學生積極參與動手和動腦的活動,通過參與探究性學習活動或完成工程學任務,加深對生物學概念的理解,提升應用知識的能力,培養創新精神,進而能用科學的觀點、知識、思路和方法,探討或解決現實生活中的某些問題。 “瓶中花卉”是基于組織培養技術,通過將植物外植體移栽進玻璃瓶,以用于觀賞的工藝品。 石斛是蘭科石斛屬植物,具有極高的藥用和審美價值。 本文以石斛為例,從“教學過程重實踐”的基本理念出發,重視培養學生的動手實踐能力與實際運用能力,融合STEAM 教育理念,指導設計“瓶中蘭花”的中學生物學實驗選修課程。

1 課程設計

1.1 課程簡介

本節課程以人教版高中生物學《選擇性必修3·生物技術與工程》為載體,以第二章第一節“植物細胞工程”為例,對STEAM 教育理念在中學生物學實驗選修課程的應用進行探索。 課程設計中涵蓋了基礎生物學知識和具體實踐操作訓練,將多個學科的相關知識相互融合,來培養學生的知識技能與實踐技能。“瓶中蘭花”是以細胞的全能性為核心,植物組織培養技術與無菌技術為支撐,在玻璃瓶中培養石斛外植體的一種工藝品。 學生可以根據不同需求,選擇石斛材料,通過小組合作,將所學的植物組織培養相關知識運用到實際工程設計中,提高合作能力與創新能力。本課程是系統和長效的實驗項目,教師需要活用導向意識,不斷調整教學活動,讓教學充實有序。

1.2 學習者與目標分析

高中學生從整體上對植物組織培養知識和實驗操作要點有一定了解,在如何進行取材、培養基的配置、無菌的控制等方面具備基本認知,并且具備使用數學工具對實驗結果進行進一步分析的能力。 但是高中學生對植物激素的具體應用、培養基的具體成分等了解不深,并且缺乏獨立設計與優化實驗的能力,所以本課程需在老師的引導下完成。

本課程相較于其他細胞工程技術,對實驗設備的要求不高,操作較為簡單,可操作性強,可以使學生親身體會植物組培的樂趣,激發學生對細胞工程深入探索的熱情。 本課程有機地將實踐活動與理論教學結合起來,促進學以致用,提高教學效率。 本課程以整合多學科知識為核心,涉及如下課程目標(表1)。

表1 課程目標

1.3 課程框架與內容

本課程實驗分為三個環節:一是初代培養階段,選擇外植體材料脫分化形成愈傷組織;二是繼代培養階段,愈傷組織再增殖分化;三是移栽進玻璃瓶中進一步培養。 本實驗流程較多、耗時較長,教師可以有目的地引入或創設生動具體的情境或提出具有導向性的問題,以引起學生的態度體驗,從而幫助學生理解新知識,使其心理機能得到發展。

1.3.1 創設情景,提出問題

STEAM 教育理念聚焦真實情景中的必要問題,通過項目式的教學方法,引導學生從問題出發,以結果為導向,培養學生解決問題的能力。 利用層層深入的問題鏈設計(表2)和具有互動性、開放性的情境設計,讓學生在解決問題的過程中培育創新思維和科學探究能力。

表2 問題鏈設計與情境選擇

1.3.2 學習活動設計

“瓶中蘭花”實驗教學包括對植物組織培養技術的探索;設計實驗探究外界條件(光照和溫度)、培養基配比、植物生長調節劑對植物材料生長的影響;利用數學方法確定植株在玻璃瓶中生長的最適條件等一系列活動。 根據STEAM 教育理念,教師要著重培養學生的實驗探究能力與結果分析能力。 在實驗前,教師可以播放有關植物組織培養技術的視頻或者帶領學生參觀植物組培實驗室,實地體驗基因工程技術的應用,認同現代科學技術的價值。 臨近實驗開展前,教師需要確定哪些工作由教師或者學生分組提前完成,如實驗器材的滅菌、培養基的配制、石斛種苗的提供等。 具體實驗過程中,教師需要使用問題串啟發學生進行實驗探索與優化,帶領學生梳理項目任務,不斷細化實驗內容,培養學生嚴謹、認真的科學探究態度。

將外植體移栽進玻璃瓶后,各小組可以利用廢棄材料在玻璃瓶中造景,通過植物的生長、變化與造景材料相結合,達到營造氛圍、增強空間感受等目的。在對產品進行美化的過程中,學生可以發揮想象力和創造潛能,喚醒藝術素養。

2 成果展示及實驗設計

在本課程實驗中,自變量包括不同比例的植物激素、光照強度、溫度、培養時間以及培養基,自變量不同導致實驗結果各有差異,可以利用數學模型處理數據,以直觀的形式呈現實驗結果。

2.1 外植體材料的不同選擇

利用基因工程中的無性繁殖可以使石斛快速繁殖。因此,采用的外植體主要是細胞全能性較高的胚芽、種皮、植株剛生長起來的莖段、葉片以及未分化的根等部分。 查閱文獻可知,經過誘導培養后,以莖段為外植體材料的誘導成功率較高,葉片成功率較低。 與用種子播種相比,以莖段為外植體培養可以大大縮短組培時間。

2.2 不同基礎培養基對石斛增殖分化階段的影響

大量研究發現培養基中的無機鹽種類和濃度會對石斛的生長和代謝產生不同程度的影響,特別是培養基中的氮素種類和濃度配比不同對細胞生長有不同作用。 N6 和B5 培養基中的氮素形態與含量各有不同,可以選擇1/2 N6、N6 和B5 等培養基來研究不同基礎培養基對石斛增殖分化階段的影響。 其中,不同石斛材料的最適培養基可能不同。

2.3 培養基中不同激素對石斛增殖分化的影響

目前,已成功應用于石斛增殖與分化的激素有BA、KT、2,4-D、NAA、IAA、IBA 和GA 等。 在石斛增殖分化和多糖合成的過程中,培養基內激素的種類和濃度配比會在不同程度上影響細胞的分裂生長。 植物生長調節劑NAA 是一種生長素,其與細胞分裂素6-BA 共同作用,在合適的濃度下,可以縮短組培周期,對植株的生長增殖有重要作用。

可以選取2.2 實驗中發現的最適培養基為基礎培養基,添加不同濃度的6-BA(1 mg/L、2 mg/L、4 mg/L)及NAA(0 mg/L、0.5 mg/L、1 mg/L)進行實驗,探究不同激素組合對石斛增殖分化的影響。

2.4 將植株移栽繼續培養

除了不同的培養基、激素等,溫度、光照強度、光照時間和培養基pH 等對石斛增殖分化也有很大影響。

將增殖分化后的石斛移栽進試管中繼續培養(圖1),實驗可以分別以光照強度[0(黑暗)、500、1 000、2 000、3 000、4 000 lx]、溫度(15、20、25、30、35 ℃)、光照時間(2、6、10、14、18 h)為優化條件,記錄不同條件下植株的生長狀況(生長高度、有無倒伏、黃化現象),確定植株在玻璃瓶中生長的最適條件。

圖1 移栽后的試管蘭花

3 方案優化與改進

“瓶中蘭花”實驗中大部分為學生自主探索項目,由于高中學生實驗經驗有限、操作能力不足,遇到各類突發情況時,教師需要做好記錄和反思,不斷調整實驗方案,對實驗成果進行改進及再嘗試。 每次實驗結束后,學生要利用數學工具對實驗結果進行分析處理,繪制折線圖、柱形圖等,并且分組書寫實驗報告,詳細梳理整個實驗流程,內容包括每個情境下具體的實驗步驟,詳細寫出實驗中的收獲和體會,記錄小組的創新點。 通過整理實驗報告,學生可將零碎的知識點串聯并構建自己的知識體系,也能發現實驗中的不足之處,并在之后查閱文獻調整實驗條件,優化組培流程。

STEAM 教育理念下的生物學實驗教學不以實驗結果為結點,而是關注培養學生的發散思維。 教師可以變換教學情境,提出課后新問題供學生思考與創新,鼓勵學生更深入地進行探究實驗,使他們在實際應用中遷移、發展所學知識并提高探索能力。

4 結語

植物組織培養對技術要求較高,教師需要提前查閱文獻,做好預實驗。 在實驗過程中,依照STEAM 教育理念,注重對學生主觀能動性的培養,鍛煉其探索精神和研究精神。 教師要做好“引導者”的角色,在撰寫優化方案的過程中,大膽放手讓學生自主設計,讓他們深切體會到實驗優化設計的艱辛,養成對實驗方案失敗的平常心。

本實驗僅提供制作“瓶中蘭花”的基本流程,其中有關石斛品種的選取、培養基和激素的選擇、培養條件的設定,以及不同營養物的添加等環節,都有許多學生自主發揮的空間。 教師可以根據所在地區、學校的設備條件,設計特色的實驗方案。 最為重要的是,教師應該充分應用STEAM“動手實踐”的教育理念,積極合理地引導學生主動參與,構建STEAM 教育環境。