基于STEAM 理念的实验教学设计——以用玻璃珠模拟生物学实验为例

安徽省亳州市利辛高级中学 王子武

一、STEAM 教育理念概述

STEAM 教育起源于美国，相当于我国提出的素质教育，最早由美国政府提出，是信息全球化时代融合了多种学科的新型教育理念。STEAM 教育的前身是STEM 教育，STEM 即科学（Science）、技术（Technology）、工程（Engineering）、数学（Mathematics）的首字母组合，旨在教育教学中打破学科界限，将科学、技术、工程、数学等学科知识深度融合，通过对不同学科知识的综合应用解决实际问题，培养学生的综合素养，提升人才的竞争力。

STEM 教育理念强调跨学科融合，培养学生对知识的综合运用能力和解决现实问题的能力。这一理念正被越来越多的人认可，并由学者将“STEM”丰富为“STEAM”。STEAM 中的“A”（Art）意指“人文艺术”，其强调教学过程中的趣味性与艺术性。

STEAM 教育是以项目为主线、教师为主导、学生为主体的一种合作探究的教育模式，注重学生在学习过程中的体验，将学习知识与实际问题相结合；将科学、技术、工程、艺术和数学的思维、方法、态度等置于学生能理解的项目情境中，培养学生协同能力与多学科知识运用的综合能力，有助于学生在课程学习中创新与创造。

二、用玻璃珠模拟生物学实验

（一）模拟标志重捕法

标志重捕法是调查动物种群密度的一种重要方法，其具体操作过程及计算方法为：在一定的自然区域内捕获某种动物M 个，做上标记之后放回，一段时间后进行第二次捕获，第二次捕获动物的数量为n 个，其中有标记的个体为m 个，即可求出该自然区域内该动物的总数（N）为Mn/m 个。但该方法比较抽象，学生又很难有机会实地操作。如果利用玻璃珠模拟实验，学生通过操作可以轻松地理解和掌握。

1.实验器材

500ml 的大烧杯一个，大小和材质相同的黄色玻璃珠100 个、红色玻璃珠20 个，记录用的笔和纸。

2.模拟过程

（1）实验前准备：教师随机在大烧杯中放入黄色玻璃珠若干，记为N（50 ＜N ＜100）。

（2）第一次抓取：学生随机从烧杯中抓取黄色玻璃珠M个（10 ＜M ＜20），并记录数量，然后把抓取的黄色玻璃珠换成红色，代表对动物做标记，然后原数放回烧杯并摇匀。

（3）第二次抓取：学生再随机抓取玻璃珠n 个（10 ＜n＜20），记录数量，并统计其中红色玻璃珠的数量记为m。

（4）计算结果：根据公式N=Mn/m，计算出N 的数量，将数据记入表1，并与教师实际放入的数量进行比较，分析误差。

表1 标志重捕法模拟实验数量统计表

3.注意事项

（1）第一次放入的玻璃珠要尽量多，数量越多误差越小。

（2）第二次抓取时应闭上眼睛随机抓取，以免人为因素影响实验结果。

（二）模拟分离定律

分离定律又称孟德尔第一定律，是指控制生物性状的遗传因子在体细胞中成对存在，形成配子时遗传因子发生分离，进入不同的配子中，随配子遗传给后代。可用烧杯代表雌雄配子的生殖器官，不同颜色的玻璃珠代表含不同遗传因子的配子，进行模拟实验，取材方便，操作简单。

1.实验器材

500ml 的大烧杯2 个，红色和黄色的玻璃珠各20 个，记录用的笔和纸。

2.模拟过程

（1）分组编号：将烧杯分为两组，编号甲（♀）、乙（♂），分别在甲、乙两个烧杯中放入红色和黄色的玻璃珠各10 个并摇匀，其中红色玻璃珠代表遗传因子A，黄色玻璃珠代表遗传因子a。

（2）模拟操作：分别从甲、乙两个烧杯中各随机抓取玻璃珠一个，组合并记录。

（3）重复实验：将玻璃珠放回原来的烧杯中，重复步骤（2）若干次。

（4）统计结果：统计AA、Aa、aa 组合的数量及比例记入表2。

表2 分离定律模拟实验结果统计表

3.注意事项

（1）每次抓取的玻璃珠一定要放回原来的烧杯中，并摇匀，以保证每次抓取的红色和黄色玻璃珠的概率相同。

（2）重复次数尽量多，数量越多实验误差越小。

（三）模拟自由组合定律

自由组合定律又称为孟德尔第二大定律，比分离定律更为复杂和抽象。而且教材上并没有相关的模拟实验，这给学生的认知带来一定的障碍。通过玻璃珠模拟实验并动手操作，学生更易理解自由组合定律的实质。

1.实验器材

500ml 的大烧杯4 个，红、黄、蓝、绿四色的玻璃珠各20个，记录用的笔和纸。

2.模拟过程

（1）分组编号：将4 个烧杯分为甲（♀）、乙（♂）两大组，每组2 个。甲组的烧杯编号为甲1 和甲2，乙组的烧杯编号为乙1 和乙2。在甲1 和乙1 烧杯中分别放入红色和黄色的玻璃珠各10 个，表示遗传因子A 和a，在甲2 和乙2 烧杯中分别放入蓝色和绿色的玻璃珠各10 个，表示遗传因子B 和b，摇匀。

（2）模拟操作：从甲1、甲2、乙1、乙2 四个烧杯中各随机抓取玻璃珠一个，组合并记录。

（3）重复试验：将玻璃珠放回原来的烧杯中，重复步骤（2）若干次。

（4）统计结果：统计AB、Abb、aaB、aabb 组合的数量及比例记入表3。

表3 自由组合定律模拟实验结果统计表

3.注意事项

（1）每次抓取的玻璃珠一定要放回原来的烧杯中，并摇匀，以保证每次抓取的红色与黄色、蓝色与绿色的玻璃珠的概率相同。

（2）重复实验50 次以上，重复的次数越多，实验结果越准确。

三、将STEAM 教育应用于生物实验设计的意义

（一）是时代发展的要求

STEAM 教育已经成为国际和国内教育者研究的热点问题，当前学者研究的主要方向是STEAM 理念的实践以及与学科教学的深度融合。教育部2016 年印发的《教育信息化“十三五”规划（2016—2020 年）》中，倡导有条件的地区和学校要积极探索STEAM 教育、创客教育等新的教育模式的应用，促进学生的全面发展，培养适应新时代的高素质人才。《普通高中生物学课程标准（2017 年版）》也要求，教师要多关注学生学习过程中的实践经历，用科学的知识、观点、思路和方法，通过探究性学习或完成工程学任务，探讨或解决现实生活中遇到的问题。通过前文分析，科学地将STEAM 教育理念融入生物学实验教学来培养学生的生物学核心素养是必要且可行的。基于STEAM 教育理念的生物学实验教学设计，生物学习将打破传统教学模式，使学生真正成为学习的主人，能更好地达成培养学生的生物学核心素养的目标。

（二）是培养学生核心素养目标的要求

STEAM 教育的最终目的是实现公民终身、全面的发展，而我国学生发展核心素养目标是培养全面发展的人；STEAM教育强调跨学科的融合，而核心素养的培养也离不开多学科有机整合；STEAM 教育以实际生活问题和项目展开探究，而核心素养教育也需要创设真实情境；STEAM 教育是以学科知识为载体进行的多学科知识的深层次融合，独具教育体系和内涵，而生物核心素养的形成同样依赖于多方面的知识。STEAM 教育和核心素养教育都强调学生的主体地位，教师需进行相应的引导。生物学的课程设计和实施，是以学科核心素养的培养为根本目标的，是理论知识与实际应用的结合，要引导学生从生物角度去思考和解决问题，从而认识世界。由此看来，STEAM 教育与核心素养具有很多相似性，利用STEAM 教育理念培养生物核心素养可以更好地落实新课标的教育目标。

STEAM 教育已经成为当前世界各国教育界实施与发展探索的热点方向，将科学的STEAM 教育理念融入生物学科来培养生物核心素养是可行且必要的。在生物教学中融入STEAM 教育理念，生物学习将打破传统教学模式，让学生真正成为学习的主人，能更好地落实学生生物核心素养的培养，促进学生的个人发展与社会价值的实现。当然，要想真正实现运用STEAM 教育理念来培养学生的生物核心素养，还需要在进一步的STEAM 教育和生物学科的融合与对接实践中完成。