STEAM理念在高中生物学实验教学中的应用例析

张恒泽

(江苏省盐城市亭湖高级中学 盐城 224005)

起源于美国的STEAM教育理念，其内涵在于集科学、技术、工程、艺术和数学的有机整合和综合教育，提高学生解决实际问题和探究新问题的能力。近两年来江苏省为推进中小学教育改革与创新，实施了STEAM课程。本文以人教版高中生物学教材中的几个实验为例，阐述如何在常见学生实验或演示实验教学中，注重对学生STEAM思维及其能力的培养，提升创新素养；注重在实践中创新设计，解决现实问题[1]。

1 创新实验流程，提升科学素养

科学实验是通过探索和观察科研对象，通过人工控制和干预科研对象，从而能够掌握有关机制和规律，最终实现预期的目的。科学实验中使用的仪器多，会使人获得更精确、更丰富的感性材料。人教版高中生物学教材中的许多实验都能够展现完整、丰富和真实的探究场景，学生可以独立设计实验、分析思路，还可以自主选择课题。

例如，人教版选修1“酵母细胞固定化”的实验可以采用“项目创新导学”，即以项目为主线、教学目标为指向，通过项目实施来组织课堂实验教学。指导学生进行项目实践： ①拟定项目课题(酵母细胞固定化的制备)，②对项目任务进行设计(海藻酸钠的配置、活化酵母细胞、如何固定化、如何混合、发酵的条件、对实验结果进行观察)，③对项目实施的推进(课前对实验的准备、对该项目进行导学案的编制、项目团队的构成)，④项目评价的实施(组与组之间的互评、组内个人自评、最终的综合评价)。让学生在体验中成长，在收获中学习“酵母细胞固定化制备”的理论知识和操作要点，解答：“为什么采用包埋法固定酵母菌？常用的包埋的载体是什么？如何活化酵母菌？与直接使用酵母菌相比固定化酵母有何优势？为什么对配置的海藻酸钠溶液需要小火间断加热？形成的蝌蚪状凝胶珠的原因以及如何避免？”等科学问题。在利用“项目创新”进行实验导学时，学生可以根据凝胶珠的颜色和形态来进一步理解操作的要领，摒弃传统的“重过程、轻结果”课堂实验教学模式，启发和引领学生自主实验，提升学生的科学探究实验的能力、协作和创新能力，培养学生的项目创新意识。

2 视频展示指导，提升技术素养

科学探究的基础是以规范的实验操作为前提。如何规范学生的技术操作，在较短的时间内能够让实验成功具有说服力呢？除了按照教材提供的实验步骤进行操作外，还要对实验过程中可能出现的问题进行预设。教师课堂进行演示实验虽然直观，但可控性不强，可见度和预想的差距明显。

例如，在“比较H2O2在不同条件下的分解”的实验中，学生在具体的操作中会碰到许多操作上的问题和实验现象上的疑惑，笔者将以往学生、实验员或任课教师的正确规范的操作过程分内容拍成微视频给学生播放： 如滴加新鲜肝脏研磨液和FeCl3溶液同时进行有利于气泡产生情况的比较分析；思考操作中新鲜肝脏研磨液和FeCl3溶液能否共用同一支滴管，如果共用结果会怎样？如果选用的肝脏研磨液不新鲜会影响实验效果吗？实验操作过程中试管的干净程度、底物量的多少、反应的时间的长短等对实验的结果有影响吗？用两支带火星的卫生香分别同时插入两支试管，可以看出两支试管中产生气体的助燃效果；两支卫生香插入试管的深度不同会对实验结果带来意想不到的结果吗？如果带火星卫生香不小心接触到了试管内壁，卫生香熄灭还会导致实验顺利进行吗？依照对照实验中单因子变量的原则实验中用两支带火星的卫生香是否合适？怎样设计一种对两支试管中产生的气体的浓度进行同步定性比较的装置等？同时应给予学生充分思考的时间。由于微视频具有直观、形象和生动的特点，可将实验的步骤和细节精准地呈现于课堂，打破了时空的局限，是课堂教学质量提升的有益补充。

用“微”视频代替操作要求高、相对抽象的实验，在进行课堂实验教学时除了能够提供真实的实验氛围，还能够变抽象为直观，变繁琐为简单，突破实验教学的难点，提升学生的获得感，利于在生物学课堂实验教学中提升技术素养，规范技术操作。

3 在疑惑中探究，提升工程素养

工程素养是一种能力，是工程实践的专业技术人员在活动时所具备的适应性和潜能。它是具备工程实践操作能力、工程知识素养并以正确思维为导向的能力。

例如，在“酵母细胞固定化”的实验中，实验步骤包括： 在100 mL的烧杯中加入称量好的0.7 g的海藻酸钠，再加入10 mL的水，小火间断加热，注意搅拌，将海藻酸钠调成黏稠状，待完全融化用蒸馏水定容至10 mL等。这些操作看起来相对容易，实际上学生对“融化的程度、怎么加热、怎么搅拌、实验操作的顺序、注射器推动时间间隔、凝胶珠在CaCl2溶液中的时间”等会出现各种各样的状况： 有的小组也在搅拌，但速度偏慢，海藻酸钠焦湖粘在烧杯的内壁上，给定容带来困难；部分小组的学生海藻酸钠浓度太大，易成团不能分散，也难以估算，结果出现了蝌蚪状的凝胶珠；也有小组学生的凝胶珠的颜色过浅呈现白色，原因是海藻酸钠浓度太低，虽然注射方便，但包埋的酵母菌数量太少；有些小组学生在酵母细胞和海藻酸钠还没有充分混匀的时候，就马上转移到注射器中了；有的小组的学生加入活化的酵母细胞之前海藻酸钠溶液还没有冷却至室温，有小组的学生注射器推得太慢，有的推得太快……出现错误反映了课堂实践操作的真实状况，教师可以引导学生直面错误，思考如何改进，这时可以把主动权交给学生，在学生交流总结反思的基础上，教师再播放一些关键的微视频，鼓励学生“识错、探错、改错”在走向柳暗花明的过程中破解难点，汲取教训，收获喜悦，在重复实验时挖掘潜能。

实验课堂容许学生犯错，教师巧妙地利用好学生犯错的资源，在柳暗花明的过程中培养学生的批判性思维，在错误中收获精彩，提升学生的工程素养，也让学生的意志品质得到培养。

4 借助模型展示，提升艺术素养

高中生物学课堂实验教学中所呈现艺术形式的主体是学生，应关注学生对自然界的感悟力、对人与自然的思考。学生可以通过实物模型来展示他们思考和探索的过程，模型呈现的过程需逻辑连贯、条理清晰，生物学模型制作的材料要合适、环保，追求艺术上的美感也是高中生物学实验模型的目标。

例如，在必修2讲完DNA的结构和特性后，让学生设计“DNA双螺旋结构”模型时，传统的方法是： 选择7种不同颜色的彩色硬纸板，2种颜色代表五碳糖(制作成五边形)，4种颜色代表含氮碱基(按照碱基互补配对原则制成相应的带缺口的长方形)，剩下的1种颜色代表磷酸(制成圆形)，用铁丝代表化学键。可以直观理解DNA分子的两条链反向平行，按照碱基互补配对原则形成规则的双螺旋结构，DNA为什么能够作为遗传物质，它的稳定性是怎么体现的，多样性、特异性怎么理解，遗传信息的实质指的是什么，进一步思考“亲子鉴定”中为什么可以借助DNA来协助作出判断。学生自己动手制作出的模型一目了然，培养动手能力和运用知识解决新问题的能力，也能获得艺术感的喜悦。信息化时代提出了更高的要求，为了建立“DNA双螺旋结构”模型可以借助更多的工具，在工程的方面可使用打印笔、3D打印机、传感器和激光切割机等。可在模型中加入开源电子原型平台Arduino、自动化装置和简易编程工具Scratch,让学生的创意可视化。呈现作品的同时，要求学生配合讲解“DNA双螺旋结构”的特点，也是学生之间合作与分工的人文艺术的体现。

如何合理、按照比例设计模型，教师要鼓励学生大胆尝试，发挥想象，使模型更直观，充分体现结构决定功能的特性。STEAM教育理念强调分析和解决问题的能力，在教学中多让学生思考实际生活中的问题。思考问题的角度不局限在科学与技术的范围，力求找到最佳解决问题的方案。

5 探究改进实验，提升数学素养

数学思维能力是一种解决问题的能力，是用数学的观点去思考和解决问题的能力。数学学科知识具有高度的抽象性和逻辑性。对实验数据运算、统计利于培养学生的数学思维能力和数学感知。

例如，在必修1“洋葱质壁分离与复原的实验”中，教材直接给出的浓度是0.3 g/mL的蔗糖溶液,可以考虑把验证性实验改成探究性实验，探究哪种蔗糖溶液更适合做质壁分离的浓度，让学生思考自己去解决问题，有学生提出应该围绕0.3 g/mL的蔗糖浓度而展开，可以选择0.2 g/mL、 0.3 g/mL、 0.4 g/mL、 0.5 g/mL的蔗糖溶液对4张装片的样品进行引流操作，同时拍摄录像，持续15 min，结果如表1；再对上述4张装片用蒸馏水进行引流操作，同时拍摄录像，持续10 min，结果如表2。通过两个表格可以看出： 0.4 g/mL的蔗糖溶液才是该实验的最佳浓度。表面上看是解决了实验中的实际问题，实际上是对实验的拓展、规范和改进，学生通过亲自操作和体验，使原本一节课解决不了的问题，利用数学思维方式和富有创造力的改进与探究得以解决。

表1 不同浓度蔗糖溶液处理15 min中细胞质壁分离情况

表2 质壁分离15 min后细胞质壁分离复原的情况

教师在课堂实验教学中，要让学生融入实验的改进与设计中，培养学生带着问题去实验操作、收集、整理、记录、分析、处理实验数据，可以通过曲线图、表格、文字表述等定量完成实验结果。在实验教学中通过学生之间、教师和学生之间对实验数据的探究与对话，用数学思维去理解生物学的核心概念，去构建高中生物学实验知识的网络。