STEAM教育在生物课堂教学中的应用

赵小珍 韦艳艳

摘要：以生物学科学方法、实验操作技能、动手实践环节、课堂教学技能、数学模型与STEAM教育的五个领域相结合，以实际课堂案例分析高中生物教师应该如何在生物学课堂中运用STEAM教育。

关键词：STEAM教育;生物学;课堂教学;生物学学科核心素养

中图分类号：G633.91 文献标志码：B

STEAM教育是一种综合性教育，融合了科学（Science）、技术（Technology）、工程（Engineering）、艺术（Art）、数学（Mathematics）多门学科，多强调以问题解决为动力，以学生为中心，以跨学科知识为核心。在生物学课堂教学中融入STEAM教育，以生物学科学方法提高学生的科学思维，在探究实验、实践活动中增强科学探究能力，对落实提高学生的生物学学科核心素养具有一定的实践意义。

1利用生物学科学方法理解STEAM教育的科学性

科学方法是指人们采用一些手段和方法来获得科学知识，可以用来探索真理，也是获得新知识的工具，在科学研究中经常用到。教师在生物课堂中如果用到生物科学方法，学生的思维、科学探索能力会得到很大的提高。常用的生物学科学方法有实验法、观察法、调查法、定性和定量分析方法等。图1、图2为各种生物科学方法在必修课程中的使用情况。

从图中，可以看出必修课程中运用得最多的是分析法和模型法，其次是实验法、观察法等。高中生物教材必修部分包括“分子与细胞”和“遗传与进化”两个模块。必修课程是现代生物学的核心内容，是高中学生必须掌握的基础内容，同时是学习选择性必修和选修课程的基础。因此，教师在必修课程中利用生物科学方法，让学生对生物学产生浓厚的兴趣是至关重要的。关于生物科学方法是如何渗透进生物学教学中的，如图3所示。

人教版高中生物新課标教材中的科学方法内容丰富，并且根据不同模块教学内容特点和学生认知规律进行了整体化的设计和编排。教师在教学过程中，应当对整套教材的科学方法体系了然于胸，有计划、有步骤地进行科学方法内容的教学，不断提高学生的科学探究能力。这很好地体现了STEAM教育的科学性在生物学科中的应用，促进了学生学科核心素养的养成，对学生今后的发展起着至关重要的作用。除了利用生物科学方法来理解STEAM教育的科学理念，教师还可以通过生物科学史以及生物最新热点等来促进学生加深理解。

2掌握操作技能理解STEAM教育的技术性

实验是生物学教学的重要环节。科学实验要求有一定的技术性，必须按照实验规范进行操作，因为有的实验过程较繁琐，必须有专门的实验人员在旁指导。学生必须具备一定的生物实验技能和实验方法，技术在生物教学中应用十分广泛，包含常见的生物技术手段（如PCR技术、植物组织培养技术等）、生物技术工具或仪器（如血液透析仪、超净工作台、离心机等），还包含一定的信息技术（如办公软件的应用、spss、nvivo等量化及质化研究数据处理软件）。

生物实验中有些实验由于缺少合适的实验条件或者实验仪器非常昂贵，在教学实践中很少有机会开展，特别是在农村或者特困地区，学生只能看着教科书，而不能实际操作，因此对实验原理、过程不能深入的了解，很容易忘记。教师可据此，创设情景，运用STEAM理论指导学生自制实验装置，或者改进实验装置，进行实验创新、开展项目研究是非常有意义的。例如，“绿叶中色素的提取和分离”实验中需要用毛细血管画滤液细线，学生在画细线时，毛细血管容易弄破，破损的毛细血管容易划破滤纸，甚至割伤手。有研究发现，用小楷毛笔代替毛细血管，效果依然也是很好的，还节约了成本。

现代课程提倡充分利用信息技术提高课堂教学效率。在高中阶段，学生面临的学业压力特别大，在教学中，如果还采用传统的教师在课堂上讲授，学生课后做作业，课堂显然比较枯燥乏味，教学效果较差。因此，教师可采用以STEAM为代表的技术教育实践取向的课程模式，为生物学课堂提供了图片、视频、模拟实验等丰富多彩的教学资源。

3在实践环节中掌握STEAM教育的3-程性

在高中生物教学中，STEAM教育的工程性是指将生物科学知识应用于生产生活实践中，这样能很好的满足生物学课程标准对教师和学生的要求。高中生物教材中有很多关于工程的内容，其中包括发酵工程、基因工程、细胞工程等。

在发酵工程中，为促进学生对概念3“发酵工程利用微生物的特定功能规模化生产对人类有用的产品”的理解，教师可开展以下活动（表1）。

其实，不止选择性必修课程模块3可以融入工程概念，在其他模块中也有体现。例如，在“探究生长素类似物促进插条生根的最适浓度”实验中，教师引导学生思考：为什么植物在生长发育过程中，根总是向着地的方向生长，而茎总是朝着地的反方向生长呢？之后，教师点拨归纳，引导学生加深理解。同时，联系生活实际，引导学生思考：①路上的行道树为什么要切掉顶端的枝条？②在单子叶植物中怎么去除双子叶植物的杂草？③如何促进月季花、玫瑰的插条生根？最后，教师总结：生活中的很多现象都能用生物学知识解释，要善于观察，然后运用生物学及其他学科原理去解释它，如果只是发现了问题，而不去解决问题，那么学到的知识很快就会忘记。

4掌握教学技能理解STEAM教育的艺术性

美国格雷特.亚克门教授及其团队在STEM教育的基础上提出STEAM教育，增加了Art艺术领域，那艺术是如何应用于生物学教学中的呢？许多研究者认为是通过课堂导入艺术、讲解艺术、总结艺术等融入艺术概念的。

下面以发酵工程中的一个案例来体会STEAM教育的提问技能的艺术性。在发酵工程中的“微生物的培养和应用”一节，教师在授课中可以运用一些问题形成问题串来吸引学生的兴趣：什么是培养基？根据物理形态不同，培养基可分为哪几种？液体培养基中通常要加入什么物质才可制成固体培养基？培养基中通常含有哪4类营养物质？除提供上述主要营养物质外，培养基还需满足微生物生长繁殖的哪些需求？通过思考这一系列的问题，学生可以形成自主探究的能力。当然，教师一定要引导学生形成科学探究的能力，不能凭空产生答案，必须结合教科书知识以及小组讨论得出结论，最后通过实验来验证，从而使学生在学习过程中养成良好的生物学学科核心素养。近年来逐渐被引起关注的PBL（Problem BasedLearning）模式就是一种以问题为基础的教学模式。

生物学中融入的艺术还不止这些，通过教师的言行举止以及学生的动手操作都能体现STEAM教育的艺术性。例如，在上课前教师需要准备PPT或者模具，都需要教师用心去制作，如果幻灯片制作得太简陋或太花哨，或者模具不够精美，都会影响到学生上课的积极性。

5运用数学知识及建构模型掌握STEAM教育的数学性

运用数学知识解决生物学问题，是教育教学改革以来，学生需要掌握的一种能力。常见的运用数学知识解决生物学问的有：计算氨基酸形成肽链脱去的水分子数和形成的肽键数、计算呼吸作用和光合作用中所需的能量、计算形成的精子和卵细胞的种类、计算DNA分子中的碱基数目、计算某种遗传病的发病率、计算种群密度、计算各环节的能量利用和散失比例、计算第n代细菌数量等。高考中的重点和难点内容遗传学问题，经常需要运用数学思维去解题，如依据数学完全平方公式原理解决基因型频率问题，依据数学组合原理解决基因自由组合定律问题等。

数学模型在生物教学中运用的也比较多，最常见的生物数学模型是种群增长的“J”型和“S”型曲线、影响酶活性的条件、环境因素对光和作用强度的影响等，在光合作用中，运用曲线图表示光照与植物光合速率的关系，就能很好的理解光饱和点和光补偿点以及光合作用强度随光照强度的变化规律。

亚克门教授在接受访谈时提到：STEAM教育不是将重点放在某个学科上，而是放在引导学生采用学科融合的学习方式，运用跨学科思维解决现实问题。这显然是将五个领域实现了不同程度的联系，也体现了学科之间的交叉融合。在教育教学改革背景下，越来越多的学科实现了融合，如生物与数学、化学、艺术等学科的交叉，生物学中的跨学科是指把其他学科知识运用到生物学教学中，以提高学生的综合能力，更加适应高考。