STEM理念下的高中生物實驗教學

王磊

實驗教學是高中生物教學的重要組成部分，在實驗中，學生可以更深入地了解生物學知識和原理，而且可以增長實驗技能，鍛煉觀察能力，為未來的科學研究和創新發展打下基礎。而STEM理念強調學生的主體地位和實踐創新，這一理念下的高中生物實驗教學可以為學生提供更多的實踐機會，使他們接觸不同領域的知識，并利用這些知識解決實際問題，從而不斷提高自主探究能力和創新能力。為此，教師要做好教學內容整合，鼓勵學生創新思考，以促進學生全面發展。

一、STEM理念下的高中生物實驗教學的特點

（一）強調跨學科整合

STEM理念強調科學、技術、工程和數學這四個學科的跨學科整合。在生物實驗教學中，這種跨學科整合體現在實驗設計和實驗操作中，學生不僅需要理解和運用生物學知識，還需要運用數學、物理、工程等方面的知識來解決實驗中的問題。

（二）注重實踐和創新

STEM理念注重實踐性和創新性，強調學生在實踐中學習，通過實踐來培養創新能力和解決問題的能力。在生物實驗教學中，學生需要在教師的指導下，通過動手操作實驗設備、觀察實驗現象、記錄實驗數據等實踐活動培養實踐能力和創新精神。同時，教師需要通過創新性的實驗設計和教學方法激發學生的創新思維。

二、STEM理念下的高中生物實驗教學的關鍵

（一）學生主體

在STEM理念下，學生是生物實驗教學的主體，教師則是引導者和輔助者。學生需要在教師的指導下自主設計實驗方案、操作實驗設備、觀察實驗現象、記錄實驗數據等，通過親身實踐來掌握生物學知識。同時，教師需要尊重學生的主體地位，激發學生的主動性和創造性，培養學生的獨立思考能力和解決問題的能力。

（二）強調實用性和生活化

在STEM理念下，高中生物實驗教學需要注重實驗的實用性和生活化。實用性是指實驗內容要與實際生活和生產密切相關，使學生感受到生物學的實際應用價值。生活化是指實驗內容要與學生的日常生活相聯系，使學生能夠通過實驗來了解生物學知識在生活中的作用和意義。例如，在探究細胞呼吸作用的實驗中，教師可以引導學生聯系生活中的實例，如酸奶的制作、水果保鮮等，來理解細胞呼吸作用的過程和原理。

三、STEM理念下的高中生物實驗教學策略

（一）注重知識提煉，科學設計實驗目標

1.結合重要概念和原理，明確實驗目的。

在STEM理念下的高中生物實驗教學中，教師明確實驗目的可以幫助學生理解實驗的意義和價值，激發他們的學習興趣。同時，明確實驗目的可以指導學生有針對性地回顧相關知識點，加深學生對生物學概念和原理的理解。

比如，針對“用高倍鏡觀察線粒體和葉綠體”這一實驗，教師可以通過以下方式來明確實驗目的：首先，教師向學生解釋線粒體和葉綠體在細胞中的重要功能，以及它們與能量轉化和光合作用的關系。通過講解這些重要概念，學生能夠理解為什么需要觀察線粒體和葉綠體的形態結構，從而明確實驗目的；其次，教師提出一些問題，引導學生思考實驗的目的和意義，如“我們為什么要觀察線粒體和葉綠體的形態結構？”“觀察線粒體和葉綠體的形態結構對我們了解細胞的功能有什么幫助？”引導學生從工程學的角度思考，從而促使其更深入地理解實驗的目的；最后，教師還可以設計一些問題，讓學生在實驗過程中思考。這些問題可以涉及實驗目的、預期結果以及相關概念和原理的應用，如“你觀察到的線粒體和葉綠體的形態結構是否符合我們的預期？為什么？”“你在實驗中遇到了哪些困難？是如何解決的？”

總之，在STEM理念下的高中生物實驗教學中，教師明確實驗目的對學生的學習效果和發展至關重要。通過結合重要概念和原理、引導學生思考問題以及設計相關問題等方式，教師可以幫助學生明確實驗目的，提高他們的學習動力，促進他們對生物學知識的深入理解和應用。

2.安排實驗時間和流程，細化實驗步驟。

在生物實驗教學中，教師安排好實驗時間和流程能夠保證實驗順利進行，確保每個學生都能按照規定的步驟進行實驗操作。另外，安排好實驗時間和流程可以避免學生在實驗過程中出現混亂或浪費時間的情況，更好地規劃實驗操作，防止出現無效操作或重復操作，這有助于提高實驗效率。

例如，針對“觀察植物細胞的質壁分離和復原”實驗，這一實驗的目的是讓學生觀察植物細胞的質壁分離和復原現象，理解植物細胞的滲透作用，學習植物細胞的結構和功能特點，以及植物細胞的滲透原理，教師可以這樣安排實驗時間和流程：

（1）準備實驗材料和器具：選擇紫色洋蔥鱗片葉外表皮細胞作為實驗材料，準備好顯微鏡、鑷子、滴管、載玻片、蓋玻片等器具，告知學生將這一環節的操作時間控制在10分鐘以內。（2）制作臨時裝片：用鑷子取一小塊紫色洋蔥鱗片葉外表皮細胞，放在載玻片上，滴一滴清水，用蓋玻片將其蓋住，制成臨時裝片。這一環節時間控制在7分鐘以內。（3）觀察質壁分離現象：將臨時裝片放在顯微鏡下觀察，可以看到洋蔥鱗片葉外表皮細胞呈現紫色，細胞壁和原生質層之間存在空隙，說明已經發生了質壁分離現象。這一環節的時間控制在10分鐘以內。（4）觀察質壁分離復原現象：將臨時裝片放在顯微鏡下觀察，可以看到洋蔥鱗片葉外表皮細胞的顏色逐漸變淺，細胞壁和原生質層之間的空隙逐漸消失，說明質壁分離復原現象已經發生。這一環節是實驗的重點環節，教師可以引導學生從工程學的角度分析細胞質壁分離現象，一方面激發他們的實驗興趣，另一方面促進他們對實驗的理解。這一環節時間控制在15分鐘以內。（5）整理實驗器材：完成實驗觀察后，學生需要將臨時裝片取下，用滴管將剩余的水滴吸干，并用鑷子將洋蔥鱗片葉外表皮細胞取下，放在指定的容器中，同時將載玻片和蓋玻片擦拭干凈，放回原處。

（二）注重平衡難度，保證學生樂于操作

1.實驗前問題難度適中，激發挑戰意識。

實驗前，教師要提出一些問題來激發學生思考，喚醒他們的思維，使其產生更強烈的探索欲望，從而全身心投入實驗中。因此，教師要把控問題的難度，激發學生的挑戰意識。

例如，在“探索淀粉酶對淀粉和蔗糖的作用”這一實驗中，教師可以結合當下的最新技術提出一些有趣的問題，以激發學生的實驗興趣。在這一過程中，教師要注重問題的難度，使問題符合高中生的認知，可以引入基因編輯技術這一話題。首先，在介紹淀粉酶的生物合成及其作用機制時，教師可以提及一些基因編輯工具，并提問：“我們能否利用基因編輯技術來改造淀粉酶的基因，以優化其對淀粉和蔗糖的分解效率呢？”“我們能否利用基因編輯技術來引入新的淀粉酶基因，以實現對更多類型糖類的分解呢？”其次，教師可以引入生物傳感器這一概念。在實驗中，教師可以讓學生設計一個生物傳感器，用于監測淀粉酶對淀粉和蔗糖的作用過程，并提出一些問題，如“我們能否利用生物傳感器來實時監測淀粉酶對淀粉和蔗糖的作用過程？”“我們能否通過優化生物傳感器的設計，以提高其對淀粉酶活性檢測的靈敏度和準確性？”這類問題能夠引發學生的學習興趣，讓他們對接下來的實驗產生極大的興趣。最后，在分析實驗數據這一環節，教師還可以引入人工智能這一熱門技術，可以介紹人工智能在實驗數據處理和模式識別方面的優勢，并提出一些問題：“我們能否利用人工智能來分析實驗數據，以揭示淀粉酶對不同類型糖作用的動力學規律？”“我們能否利用人工智能來預測在不同條件下，淀粉酶對糖的作用效果？”

以上引入最新技術的提問方式可以激發學生的好奇心和求知欲。同時，教師引導學生解決問題的方式可以幫助學生更好地理解實驗目的，掌握實驗內容。

2.實驗中循序漸進引導，促進學生掌握技能。

每個實驗項目都需要經歷前期準備、實驗操作、觀察、分析等過程，因此，教師要保證學生在順利完成實驗操作的同時能夠掌握更多的實驗技能。為此，教師要循序漸進地引導，通過逐步增加問題難度的方式來引導學生進行梯度思考，從而不斷提高實驗操作水平。

比如，在“檢測生物組織中的糖類、脂肪和蛋白質”這一實驗中，首先，教師要讓學生了解實驗的基本原理和目的，并掌握基本的實驗操作技能，如樣品處理、試劑添加、儀器使用等。其次，教師可以引導學生閱讀實驗指導，并回答一些關于實驗步驟和操作技術方面的問題，以確保學生能夠正確地掌握實驗操作流程，如“為什么我們需要使用不同的試劑來檢測糖類、脂肪和蛋白質？這些試劑的工作原理是什么？”“在實驗過程中，如何保證實驗結果的準確性和可靠性？”再次，為了提高學生的實驗技能，教師可以引入一些最新的科技手段，如色譜技術、質譜技術等，并讓學生了解這些技術在生物組織分析中的應用。同時教師可以提出一些問題，如“如何利用色譜技術來分離和純化生物組織中的化合物？”“質譜技術在生物組織分析中有什么優勢和局限性？”最后，教師可以引導學生進行一些拓展性的實驗，如利用代謝組學和蛋白質組學的方法來研究生物組織中的糖類、脂肪和蛋白質代謝，以幫助學生更深入地了解這些化合物在生物體內的變化過程。

總之，逐步增加問題難度，可以幫助學生更好地掌握實驗原理和操作技術，同時教師引入最新的科技手段，能夠開闊學生視野，拓展學生知識面。教師還可以引導學生進行一些拓展性的實驗，以提高學生的實驗技能。

（三）注重鏈接現實，強調創新意識培養

1.解決生活問題，提高知識應用能力。

生物是一門與現實世界有著緊密聯系的學科，不僅解釋現實世界的規律，還探索有利于人類社會發展的技術。因此，STEM理念下的高中生物實驗教學可以聯系生活問題，一方面能夠加深學生對知識的理解，另一方面能夠促進學生的知識應用。

例如，在“探究酵母菌的呼吸方式”實驗中，教師可以聯系現實生活和生物發酵工程在農業、工業等領域的應用，如介紹酵母菌在現實生活中的應用。酵母菌是一種天然的微生物，廣泛應用于面點、釀酒、發酵乳制品等領域。通過這一實驗，學生可以更好地了解酵母菌的呼吸作用和發酵過程，進而理解其在面點、釀酒等制作過程中的作用和原理。此外，教師可以滲透生物發酵工程在農業和工業中的應用，如在農業方面，酵母菌可以用于有機肥料的生產，提高植物的抗病能力，促進植物生長；在工業方面，酵母菌可以用于生產單細胞蛋白、生物柴油等，還可以在污水處理等方面發揮重要作用。在分析這些應用案例的過程中，學生能夠進一步了解生物發酵工程的實際應用。教師也可以引導學生思考一些與現實生活相關的問題，如“如何通過控制酵母菌的呼吸方式來提高釀酒的品質和效率？”“如何利用酵母菌來生產具有特定功能的有機肥料？”不僅可以激發學生的學習興趣，還可以促進他們的知識應用。

2.鼓勵創新思考，培養科學探究能力。

在STEM理念下，教師可以在滲透科學、技術、工程等領域的知識時，引導學生進行創新思考，從而培養他們的科學探究能力和創新意識。

比如，針對“探究植物生長調節劑對扦插枝條生根的作用”實驗，實驗前，教師可以引導學生提出自己的問題，如“哪種植物生長調節劑最有利于扦插枝條生根？”“不同的植物生長調節劑之間有何區別？”“如何最有效地使用這些植物生長調節劑？”這些問題可以鼓勵學生積極思考，激發他們的好奇心和探究興趣。接下來，教師可以讓學生自行設計實驗方案，包括選擇實驗材料、設置對照組、確定實驗方法和數據分析方法等。學生通過小組討論和教師指導等方式不斷完善實驗方案，這可以培養學生的實驗設計能力和科學探究能力；在實驗過程中，教師鼓勵學生仔細觀察扦插枝條的變化，并記錄每根枝條的生長情況。學生通過拍照、錄像等方式記錄實驗過程，這可以培養學生的觀察能力和記錄能力。在這一階段，教師可以滲透植物生長調節劑的最新研究情況，如告知學生植物生長調節劑的最新科學研究糖代謝調控機制是一個正在被廣泛探索的領域，而且在使用植物生長調節劑時，應注意其安全性和有效性，因為調節劑本身可能存在的毒副作用引起的安全問題不容忽視。同時，在這一環節進行師生問答活動，如教師提問：“如何控制植物生長調節劑的毒副作用呢？”引發學生創新思考。

四、結語

總而言之，STEM理念下的高中生物實驗教學策略旨在通過科學設計實驗目標、平衡難度和鏈接現實，培養學生的科學探究能力和創新意識。在教學中，教師結合重要概念和原理明確實驗目的，并安排合理的實驗時間和實驗流程，細化實驗步驟，保證實驗有序進行；注重平衡實驗難度，讓學生積極操作，激發他們的挑戰意識，循序漸進地掌握技能；讓實驗聯系現實生活，鼓勵學生解決生活問題，促進他們的知識應用，培養他們的創新思考能力和科學探究能力。通過這些策略的實施，相信高中生物實驗教學將更加有效，從而更好地促進學生全面發展。