基于STEAM教育理念的高中生物教學實踐研究

作者簡介：張引桂（1983一），女，甘肅省定西市臨洮縣文峰中學。

傳統的高中生物教學側重于知識傳授，忽略了學科之間的內在關聯以及知識的實踐應用，導致學生難以構建完整的知識體系，無法領會生物學的實踐價值。STEAM教育以整合性、實踐性、創新性為核心特征，強調借助跨學科項目解決真實問題，這與課程標準中生物學學科核心素養培養要求相契合。將STEAM理念融入生物教學，有利于打破學科壁壘，使學生在剖析真實問題的過程中理解生物知識的應用價值，培養科學思維與創新能力，由此提升生物教學質量。

一、設計跨學科項目，構建知識整合網絡

STEAM教育的關鍵在于打破學科界限，借助項目驅動實現知識的整合運用。因此，在高中生物教學中，跨學科項目設計要以生物學核心概念為基礎，將工程、數學、藝術等學科知識連接起來，使學生在解決復雜問題的過程中構建知識網絡。

以“校園生態池塘構建”項目為例。教師可引導學生從生物學角度剖析池塘生態系統的構成要素，如水生植物為生產者、魚類為消費者、微生物為分解者，并明確它們各自的角色及其關聯。在工程設計環節，學生需要測量池塘的面積、深度，運用數學知識計算水體的體積及植物種植密度，同時還要思考水循環系統的功率匹配問題，這涉及物理學中的流體力學原理[1]。在藝術設計環節，學生需要對水生植物的布局進行規劃，如荷花、睡蓮的層次搭配，以及卵石池岸的造型設計，從而讓生態池塘具有功能性和觀賞性。

在項目開展過程中，學生分組完成生態池塘構建工作。其中，一組承擔采集本地水生植物的任務，檢測植物凈化水質的能力，如測定不同植物種類情況下的水體透明度、氨氮含量等生物學指標，以此優化植物組合。二組運用3D建模軟件設計池塘過濾系統，需考慮過濾材料的孔徑大小與水流速度之間的關系，這需要運用數學的比例計算和工程學的結構設計知識。三組負責池塘周邊景觀設計，將廢棄輪胎改造成花盆種植岸邊植物，體現環保理念和藝術創意。項目結束后，學生應持續監測池塘生態系統的穩定性，如每周記錄魚類存活數量、植物生長狀況，并用數學圖表展示數據變化趨勢，以分析生態系統中生物因素與非生物因素的相互作用。

二、創設真實問題情境，驅動探究式學習

STEAM教育強調在真實情境中解決問題，所以借助情境創設激發學生的探究興趣尤為重要。在高中生物教學中，真實問題情境創設要與生活實際或社會熱點相結合，如環境污染治理、遺傳病預防、農業生產優化等，使學生體會到生物知識的現實意義。同時，以情境驅動的探究式學習遵循“觀察現象一提出問題一做出假設一設計實驗一分析數據—得出結論”的科學探究流程，融入技術工具的使用及工程思維的應用，有助于學生在解決問題的過程中發展科學思維與創新能力[2]

例如，在“城市垃圾分類中的生物降解方案”情境教學案例中，任課教師引導學生關注生活中的垃圾處理問題，并思考如何借助生物知識提升有機垃圾的降解效率。一開始，學生通過社會調查了解本地垃圾分類的實際狀況，發現廚余垃圾在整體垃圾中所占比例達到 40% ，然而傳統堆肥處理方式卻存在周期漫長、產生較大異味等問題。基于此，師生共同提煉出核心問題一如何優化廚余垃圾的生物降解過程？

在探究活動中，學生分成不同小組進行實驗設計。其中，一組基于微生物學相關知識，前往公園綠地、菜市場附近等不同環境采集土壤樣本，旨在分離并篩選出可高效降解有機物的微生物菌株。他們采用平板劃線法和稀釋涂布法進行菌種的純化操作，并運用數學方法統計不同菌株的菌落形成單位，比較其降解效率。二組運用工程學原理設計小型堆肥裝置，考慮通氣量、濕度、溫度等因素對微生物活動的影響，將廢棄塑料桶改造為堆肥箱，加裝透氣孔和濕度傳感器，以優化堆肥環境。三組負責對堆肥裝置的外觀進行藝術化改良，采用環保涂料繪制垃圾分類宣傳圖，同時設計制作簡易的使用說明卡片，方便社區居民理解操作方法。

實驗數據表明，經篩選得到的高效菌株能將廚余垃圾的降解周期從傳統方法的21天縮短至10天，同時異味也明顯減少。學生將優化后的堆肥方案整理成報告，向社區居委會匯報。有學生在實驗中得出感悟：“堆肥箱的通氣孔設計十分關鍵，孔過小會導致微生物缺氧，過大又會造成水分流失，這要求我們精確計算孔的數量和大小。原來生物實驗也需要融入工程思維。”在該案例中，學生通過解決實際問題，不僅掌握了微生物培養、實驗設計等生物知識，還發展了工程設計、數據處理等跨學科能力。

三、融入工程思維，優化生物實驗教學

工程思維強調“設計一制作一測試一改進”的迭代過程。將這種思維融入生物實驗教學，有助于改變傳統實驗中學生僅按步驟操作和記錄數據的機械模式，使學生站在工程師的角度思考實驗設計是否合理、是否存在優化空間。在生物實驗中，工程思維的應用還體現在實驗裝置改良、實驗流程優化、誤差來源分析等方面[3]。依托工程化改進提升實驗的科學性與嚴謹性，能夠培養學生的創新思維與實踐能力。

以“植物細胞吸水和失水”實驗為例。在傳統教學中，教師大多選用洋蔥鱗片葉外表皮作為材料，利用質壁分離現象探究滲透作用。而融入工程思維后，教師可引導學生思考：如何設計一個可重復使用又方便觀察的實驗裝置，定量研究不同濃度溶液對細胞失水的影響？在此基礎上，教師可將學生分組，開展裝置改良設計工作。一組負責利用3D打印技術制作透明載玻片支架，用于放置洋蔥表皮細胞于不同濃度的蔗糖溶液中。學生在制作過程中要考慮材料透光性、溶液密封性等工程問題，如選用食品級樹脂材料打印支架，以避免化學物質對細胞產生干擾。二組負責改進溶液配制方法，運用數學中的比例計算，配制 0.2g/mL 、 0.3g/mL 、 0.4g/mL 等不同濃度的蔗糖溶液，同時使用 pH 計準確測量溶液酸堿性，減少人為誤差。三組負責設計數據記錄表格，對細胞變化、溶液濃度、觀察時間等數據進行量化處理，并使用Exce1軟件繪制折線圖，直觀呈現細胞失水與溶液濃度之間的關系。在項目實踐中，有學生發現3D打印的支架雖然透光性好，但溶液容易揮發，導致濃度發生變化，便在支架上增添微型保濕蓋。這項改進工作體現出工程思維中的“測試一優化”環節。

四、結合技術工具，提升數據處理與分析能力

STEAM教育中的技術要素側重于工具的創新運用。在高中生物教學中，引入數字化技術工具能提高學生的數據采集、處理、分析能力。常見的技術工具包括傳感器、數據采集軟件、數據分析工具等。例如，在“探究酵母菌細胞呼吸方式”實驗中，借助二氧化碳傳感器實時監測不同條件下的氣體產生量，運用數據可視化技術呈現呼吸速率變化，能讓學生直觀理解細胞呼吸原理，掌握技術工具的使用方法[4]

以“校園植物光合作用效率研究”項目為例。教師可以引導學生運用傳感器技術探究不同環境因素對植物光合作用的影響，要求學生分組，選取校園中不同植物（如樟樹、月季、綠蘿等），在不同時間、不同地點（如陽光直射區域、樹蔭下、教學樓背陰處）展開數據采集工作。在實踐中，有一組學生使用便攜式光合儀測量植物的凈光合速率。該儀器可實時顯示二氧化碳吸收量、光照強度、溫度等參數。他們在測量時發現，在中午陽光直射的情況下，樟樹的光合速率下降。查閱資料后，他們意識到這是所謂的“光合午休”現象，即高溫導致氣孔關閉，使二氧化碳吸收量減少。為驗證這一假設，他們使用濕度傳感器測量葉片表面濕度。數據顯示，中午時分葉片濕度降低，為氣孔關閉的推測提供了證據支持。此外，有的小組利用Exce1軟件處理數據，繪制不同植物在不同時間段的光合速率曲線，對比分析發現：月季在早晨光合速率最高，而綠蘿在背陰處的光合速率優于其他植物。還有的小組編寫Python程序，將光合速率數據和氣象數據進行相關性分析，最終得出“在校園環境中，光照強度對植物光合速率的影響最為顯著”的結論。

在數據可視化環節，學生還可借助Tableau軟件制作交互式圖表，直觀展示不同植物的光合特性，并結合藝術學科設計校園植物科普海報。技術工具的應用不僅提高了數據采集的準確性與效率，還有利于學生借助數據分析的方式解決生物學問題，培養科學探究素養與信息技術應用能力。

五、滲透藝術元素，增強生物知識的表達與傳播

STEAM中的藝術要素不局限于視覺藝術，還包括創意表達、審美設計等多個方面。在高中生物教學中融入藝術元素，通過生物模型制作、科學插畫繪制、科普作品創作等途徑，引導學生以藝術化形式呈現生物知識，可提升知識的直觀性與感染力。例如，在制作DNA雙螺旋結構模型時，引導學生思考模型的比例協調、色彩搭配、材料質感，能同時體現生物學結構的嚴謹性與藝術美感；在繪制細胞結構圖時，融入科學插畫的表現手法，能使抽象的細胞結構變得生動形象，從而培養學生的審美能力與創意表達能力[5]

以“人體消化系統的創意呈現”項目為例。教師可讓學生運用藝術形式表現消化系統的結構與功能，并鼓勵學生采用多種材料和表現手法，將生物知識與藝術創意相結合，創作多樣化作品。例如，第一組學生融合黏土雕塑與LED燈光技術，用不同顏色的黏土制作食道、胃、小腸等器官，按解剖位置將這些器官排列在透明展示盒中，并在小腸部位嵌入微型LED燈帶，模擬食物消化時的“腸蠕動”效果。他們在設計時充分考慮了器官比例的準確性，如按照 1：100 的比例縮小6米長的小腸；還借助色彩來區分不同器官的組織特性，如紅色黏土代表胃黏膜，透明黏土表現漿膜層。第二組學生創作了“消化系統科普漫畫”，將食物擬人化為“旅行小人”，借助四格漫畫展示食物在口腔、胃、小腸中的“冒險經歷”，運用生動的對話和夸張的表情生動呈現消化過程。第三組學生利用廢棄材料制作裝置藝術，將塑料瓶改造為胃的形態，在瓶內裝入海綿模擬胃壁褶皺，通過擠壓瓶子演示胃蠕動；用彩色毛線編織小腸絨毛結構，懸掛在“小腸”模型中，以展示絨毛增加吸收面積的功能。在作品展示環節，學生在講解消化系統的生物知識的基礎上，還分享了藝術創作思路，如“為何選擇燈光模擬蠕動”“漫畫色彩如何體現消化液特性”。

該項目借助藝術創作，促使學生將抽象的生物知識轉化為具象的藝術作品，能夠強化學生對消化系統結構與功能的理解，對其創新思維與審美表達能力的培養具有積極意義。

結語

將STEAM教育理念應用于高中生物教學，能打破學科壁壘，為學生打造整合知識與解決實際問題的實踐平臺。跨學科項目設計、真實情境創設、工程思維滲透等教學活動，能讓學生深入理解生物學核心概念，發展工程設計、數據處理、藝術表達等跨學科能力。

[參考文獻]

[1］劉春雷.基于STEAM教育理念的高中生物教學實踐探索：以“細胞的能量‘貨幣’ATP”為例［J].華夏教師，2025（9）：61-63.

[2］季曉瑜.STEAM理念下高中生物實驗教學優化路徑分析[J].試題與研究，2025（8）：25-27.

[3］蘇楠楠.科學思維導向下STEAM教育理念在高中生物教學中的應用實踐［J].第二課堂（D），2024（12）：18-19.

[4」王明珠.陶行知生活教育理念下高中生物生活化作業設計優化策略［J］.生活教育，2024（33）：126-128.

[5］秦寒梅.生活教育理念下的高中生物課堂問題情境創設［J］.家長，2024（33）：101-103.