开展STEAM融合生物学教学的尝试——以实践项目“尝试制作真核细胞三维结构模型”为例*

郭士安 （江苏省苏州第一中学 江苏苏州 215006）

STEM源于2013年4月美国发布的《下一代科学教育标准》提出STEM理念，即科学（science）、技术（technology）、工程（engineering）、数学（mathematics）的首字母［1］。由于STEM教育方式能培养学生跨学科思维和综合实践能力，提升国家全球的创新力和竞争力，受到美国政府和教育界的重视和大力推广。近年来，又融入了艺术（art），被称为STEAM教育。目前，STEAM教育正受到我国及世界各国的普遍关注。生物学STEAM融合教学是指将STEAM教育的先进理念和方法融入生物学教学，以项目式学习或实践活动为载体，灵活运用科学、工程、技术、数学、艺术等跨学科知识和科学思维方法，通过学生的自主、合作、探究性学习，掌握生物学科概念和跨学科概念，培养学生的动手实践能力和创新思维能力的教学方式。

“尝试制作真核细胞三维结构模型”是人教版《分子与细胞》第3章的重点内容，是学生在高中阶段生物学课程学习中的第1个模型构建活动。学生在学习了细胞的三大基本结构和细胞器的结构与功能的基础上，通过亲身体验动手制作真核细胞亚显微三维结构模型，不仅能学会构建物理模型的一般方法，还能更加直观、形象地构建细胞结构知识体系；理解细胞结构的完整性及与其功能相适应的结构特点，培养合作探究和动手实践能力。但在实际教学中，由于教学任务重，模型构建活动较费时，课堂教学活动难以组织，多数情况下，由学生课后自主构建，没有发挥模型构建应有的教育价值。为贯彻普通高中生物学课程标准“强调学生学习的过程是主动参与的过程，通过探究性学习活动或完成工程任务，加深对生物学概念的理解，提升应用知识的能力，培养创新精神”的理念，落实本节课的三维教学目标，笔者融合STEM教育跨学科、趣味性、体验性、情境性、协作性、设计性、艺术性、实证性和技术增强性等核心特征，深入挖掘现有的教学资源，以“尝试制作真核细胞三维结构模型”一节课教学为例，开展了生物学STEAM融合生物学教学的尝试，取得了良好的教学效果。

1 本节课涉及的STEAM教学资源（表1）

表1

2 学情分析

学生对真核细胞的结构和功能已有一定了解，教材提供了细胞在电子显微镜下的多幅模式图，但在光学显微镜下，大部分细胞结构观察不到。学生依然缺乏感性认识，不能很好理解各部分结构相互联系和协调，细胞是一个统一整体的概念。高一学生已具备一定的观察和分析能力，具有相对较强的抽象思维能力，一定的实验操作和计算机应用能力，且对动手制作、3D设计打印、体验探究、成果展示、交流评价等教学活动比较感兴趣，都为本节课教学目标的达成创造了条件。

3 教学目标

1）知识目标：①通过制作真核细胞的三维结构模型，更好地掌握细胞的亚显微结构知识，构建细胞亚显微结构概念图；②理解细胞结构与功能相适应，细胞各部分结构和功能上相互联系，细胞是一个统一的整体等生物学核心概念。

2）能力目标：①了解物理模型设计、构建的过程及其各个环节，知道物理模型的设计、制作过程是动态而有章可循的，理解模型设计、制作的过程需要不断优化，初步学会构建物理模型的方法；②学会灵活应用科学、技术、工程、数学、艺术等学习资源，解决现实情境中的问题，培养学生的综合实践能力：③在思考、讨论、展示、评价过程中，培养自主、合作、探究、表达、交流、评价的能力；通过废弃材料的使用、制作工艺的改进和细胞结构创意作品的设计制作，提高动手实践能力和创新思维能力。

3）情感态度与价值观目标：感受模型构建、技术问题解决过程的艰辛与曲折，体验小组合作探究、新技术应用和创新、创客活动的快乐，激发学习生物学的兴趣和探究欲望，增强集体荣誉感。

4 教学重、难点

1）重点：学会制作真核细胞亚显微三维结构模型，理解细胞结构与功能的统一性，构建细胞亚显微结构概念图。

2）难点：真核细胞亚显微结构模型的设计、制作；细胞结构与功能统一性的理解；3Done软件的学习应用；模拟演示分泌蛋白合成与分泌的过程等。

5 准备工作

5.1 课前小组合作，预制作模型 全班共分6组，每组确定1名组长，设计本组的LOGO图案和小组学习创新的口号。

1）准备材料：学生准备细胞模型制作的材料和用具，例如超轻黏土、卡纸（或其他较硬的纸张）、泡沫塑料、硬纸板、不同颜色的水果、蔬菜（白萝卜、胡萝卜、紫薯）、枸杞、苹果、黄豆、绿豆、大米、鸡蛋；火柴棍、大头针、回形针、透明胶带、双面胶带、标签、美工刀、尺子、订书机、胶水、彩色水笔等。

2）3Done软件应用培训：有条件的学校，可应用3D造型打印技术构建细胞三维结构模型。需要教师提前熟悉3Done软件，利用信息技术课程或课外时间培训学生，使学生初步掌握应用3Done软件的应用，设计细胞器等三维结构图形，利用3D打印机打印创意作品。

3）课前预制作模型：提前布置学生参考人教版高中生物学必修1“尝试制作真核细胞三维结构模型”一节内容，以小组为单位利用双休日时间模拟制作真核细胞三维结构模型。

5.2 方法指导

1）讨论确定本组制作的真核细胞三维细胞模型的种类（动物细胞或植物细胞）、规格（模型的大小、模型展示的是细胞的全部还是部分）。

2）确定使用的材料用具。真实的细胞颜色并不鲜艳，但学生可用不同颜色的材料区分不同的细胞结构,使细胞各部分的结构特点更加突出,便于观察。

3）精心设计制作方案。建议以绘图或列表的形式呈现，并注意细化方案，例如各种细胞结构如何制作、细胞结构之间如何连接等。

4）确定制作模型的实施过程和小组人员具体分工。

5）小组成员分工合作制作各部分配件，然后将配件组合在一起，逐步完成真核细胞模型的制作。

6）各小组可以应用3Done软件设计一个细胞器结构三维图像，应用学校提供的3D打印机打印创意作品。

表2 细胞结构的颜色及选材

表3 制作活动过程记录

6 教学过程

6.1 情境导入，明确目标（3 min）教师通过展示细胞三维结构模型，导入本节课“尝试制作真核细胞三维结构模型”，并强调：尝试制作真核细胞的三维结构模型实验属于模拟实验，模拟实验是根据相似性原理，用模型代替研究对象。模型可分为实物模型（物理模型）和理论模型（包括数学模型和概念模型）2类。前者通常借助于具体的实物或形象化的手段表达，后者通常借助于抽象形式表达。

各小组展示课前制作的“真核细胞三维结构模型”作品，教师出示评分表（表4），提示：将从科学性、新颖性、技术应用、合作度、艺术性、展示效果等方面进行评价。评价等级可分为4等（A等为优秀，B等为良好，C等为合格，D等为不合格）。

表4 真核细胞三维结构模型制作评价标准

请学生参考真核细胞三维结构模型制作评价标准，对模型进行检查和修正。

6.2 学生活动1：讨论反思，完善模型（15 min）

6.2.1 组间交流 查一查：该组制作的是何种细胞结构模型，细胞的各种结构是否齐全？位置是否正确？左右相邻小组相互检查，找出模型存在的不足（教师巡视指导）。

6.2.2 讨论反思 各小组围绕以下问题讨论：

1）提供信息1：细胞和各种细胞器大小的参考数据：大多数动、植物细胞直径约为100 μm；细胞核直径为5～10 μm；叶绿体厚约2.5 μm，直径约5 μm；线粒体直径为0.5～1 μm，长度为2～3μm；溶酶体直径为0.2～0.8 μm；中心粒直径为0.2～0.4 μm；核糖体最小，大小0.01～0.02 μm。本组制作的模型各部分的比例是否合适？

2）提供信息2：细胞质是细胞膜包围的除核区外的一切半透明、胶状、颗粒状物质的总称，含水量约80%。在活细胞中，细胞质以各种不同的方式在流动着，如细胞质环流。在液泡发达的植物（如黑藻）细胞中，细胞质成薄层沿着细胞膜以一定的速度和方向循环流动。本组制作的模型是否体现细胞质的流动性？如何体现？

3）问题探讨1：自制模型细胞器的形态结构是否正确？其结构与功能是否适应？（展示真核细胞细胞器三维结构示意图，各小组自查，教师巡视指导。）

4）问题探讨2：细胞中哪些结构是相连的？在自制模型中是否体现？（展示内质网膜与细胞膜、核膜直接联系图和分泌蛋白合成与分泌过程中内质网、高尔基体、细胞膜的间接联系示意图，各小组自查，教师巡视指导。）

6.2.3 修补模型 各小组根据以上讨论的结果，利用自带和教师提供的超轻黏土等材料进行修补完善。

6.3 学生活动2：应用模型，创新模型（6 min）

1）模拟演示分泌蛋白合成与分泌的过程：可采用自制细胞三维结构模型或多媒体动画技术等手段演示，展示小组优秀创意作品。

2）细胞结构工艺品的设计制作：各小组依据细胞各部分的形态结构特点，开展头脑风暴，通过艺术的设计，利用超轻黏土或橡皮泥制作细胞结构创意作品或应用3D造型技术制作的细胞结构创意作品，例如挂饰、首饰、文具、玩具、灯具等。

6.4 学生活动3：展示模型，交流评价（16 min）

1）各小组参考评价标准，介绍本组模型的种类、设计思路、主要特点、细胞结构创意作品和分工合作情况等，时间不超过2 min。

2）由小组1名代表和教师共同组成评审小组，参考评价标准，根据小组展示情况，在评价表（表4）中填写评审结果，统计各组得分，评出等级。

6.5 学生活动4：生物学唯美诗朗诵（3 min）由2位学生进行配乐诗朗诵“爱到细胞深处”。

6.6 教师点评，布置作业（2 min）教师宣布评分结果，进行课堂小结，布置课后作业。

7 课后归纳、应用、研究模型

布置学生课后绘制真核细胞亚显微结构的概念图，进行拓展练习，进一步完善、研究、创新细胞结构模型，扩大学习成果。

8 教后反思

以实践项目“尝试制作真核细胞三维结构模型”为例，开展STEAM融合生物学创客式教学的尝试，收获良多。

1）有利于改变学生被动的学习方式。真实情境的问题引领，环环相扣的深入探究，自主合作的小组学习，手脑并用的学习方式，新颖直观的教学手段，STEAM教学资源的完美融合，多维教学目标的评价激励，STEAM创客成果的分享等，极大激发了学生学习的原动力，让学生主动参与、积极思维、合作探究、深度学习，改变学生被动学习的学习方式。

2）有利于提高生物学教学效益。课堂反馈显示，学生通过制作真核细胞三维结构模型的深刻体验，不仅学会了构建物理模型的一般方法，加深了对真核细胞亚显微结构、细胞结构与功能适应等重、难点的理解，提高了生物学的教学效益。

3）有利于发展学生的生物学学科核心素养。在解决现实问题中综合应用所学的生物学、技术、工程、数学、人文、艺术等知识，提高学生的综合应用能力，培养学生发现自然科学之美和珍爱生命的情怀；学生在模型制作、探究实验、实践活动中学习科学知识，提高探究能力、实践能力和创新能力，发展生物学学科核心素养。因此，STEAM教育也被作为当前克服应试教育弊端，深入推进课程改革、素质教育，培养21世纪创新人才的有效途径。

4）开展STEAM融合生物学教学，更能体现“以评价促进学生的学习与发展，重视评价的诊断作用、激励作用和促进作用。致力于创新一个主体多元、方法多样、既关注学习成就又重视个体进步和多方面发展的生物学课程评价体系”的理念。

5）STEAM教育要与我国科学教育实际相结合。目前STEAM教育在国内还是个新兴领域，尚未形成完整的理论体系和操作性强的教学模式。尚存在着教师对STEAM教育的理论、特点和教学方式缺乏深入理解，在实施过程中，容易出现缺乏科学的教学设计，缺乏基础性学科知识融合、伪探究等问题。因此不能生搬硬套美国STEAM教育模式，应结合我国生物科学教育的实际，汲取STEAM教育的精髓，继承发扬我国基础教育课程内容结构严谨，系统性、逻辑性强的优点，围绕学生生物学学科核心素养的培养，突出生物学科特点，结合生物学教学实际，以项目式学习或实践活动为载体，灵活运用STEAM跨学科教学资源，科学设计STEAM融合教学方案，合理安排教学时间，促进学生在自主、合作、探究中提高学习效能，探索有中国特色STEAM融合生物学创客教学的方法途径，为培养国家未来创新人才贡献力量。