STEAM理念在高中生物教学中的应用探析

摘 要：传统教学模式是高中生物学重难点突破的重要瓶颈，STEAM理念下的多学科、多维度的综合性教学，为高中生物教学提供一条发展路径。依据STEAM教育理念，从“将科学方法融入生物学习过程、将信息技术融入技能操作教学过程、将工程探究运用到生物实践环节、注重生物技能教学的艺术性、运用数学知识和方法解决生物教学问题”五个方面进行探析，以期促进学生创新实践和综合解决问题能力提升。

关键词：STEAM教育理念;高中生物;生物教学;学科核心素养

STEAM教育于美国研发，是一种融合科学（Science）、技术（Technology）、工程（Engineering）、艺术（Arts）、数学（Mathematics）的多学科、综合性教育，旨在提升学生实际问题解决和新问题探究的能力，受到国际教育界普遍認可。将STEAM教育理念运用到高中生物教学，对学生理解生命本质、建立科学生命观及形成正确世界观具有重要价值。《普通高中生物学课程标准（2017年版）》将学生学科核心素养培养作为课程发展宗旨，强调教师在教学过程中“加强学科间横向联系”，培养学生跨学科和综合能力。高中生物课堂教学融入STEAM教育理念，运用多学科、多维度的知识和方法，进行系统性研究和动手实践，能够加深学生对高中生物知识理解、问题解决，甚至产品研发等。因此，将STEAM融入高中生物教学，既满足高中生物新课程标准实施要求，也是提升学生创新实践和综合解决问题能力，发展学生生物学科核心素养的重要路径。

一、将科学方法融入生物学习过程

科学研究指运用一定方法和手段，探索生物学诸多问题及真理，从而获得新知识的整个过程。高中生物课堂教学是初中生物教材以及生物学科本质的进一步延伸，对于学生学习理解和动手实践能力提出更高要求，常用的科学研究方法有定性和定量分析方法、调查法、模型法、观察法、实验法等。基础理论是高中生物学科的重要模块，通过基础理论学习能够加强学生对重要的生物学概念的理解和应用，促进学生对生物学核心素养“生命观念”的理解。高中生物教材必修课程作为现代生物学的核心内容，主要包含“遗传与进化”、“分子和细胞”两个模块，是学生必须掌握的基础内容，以及选择性必修和选修课程学习的基础。在必修课程课堂教学过程中，教师运用科学方法，通过专门性介绍、概念讲解过程、科学方法案例介绍、学生做科学研究过程等渠道，一方面，培养学生对于生物学科的学习兴趣，促进学生主动学习;另一方面，能够促进学生思维、科学探索能力的培养与提升。另外，教师将科学方法运用到高中生物新课标教材教学过程，应该熟悉整套教材可以使用的科学方法，将科学方法有步骤、有计划的运用到教学内容，并根据不同模块内容特点和学生认知规律进行整体化的教学设计。在此过程中，教师还应结合生物科学史上的重要事迹，以及生物最新热点问题来加深学生对于知识点的理解，促进学生科学探究能力的提升。通过科学方法建构，并将之融入生物学课程体系，使之成为学生课程学习的重要“推进剂”，为学生课程学习奠定良好基础。

二、将信息技术融入技能操作教学过程

信息技术的颠覆式发展逐步渗入教育领域，成为教育创新发展的内源性动力。高中生物新课改强调科学与技术相结合，将多媒体技术和各种先进设施设备运用到现代生物教育领域，能够提升学生收集和处理信息的能力，提高对生物学抽象知识的理解。实验是高中生物课程的重要组成部分，技术要求对于科学实验而言格外重要，学生具备一定的技术基础，包括实验技能和实验方法，例如生物技术工作和仪器熟知，如超净工作台、血液透析仪等;生物技术的手段运用，包括植物组织培养技术、PCR技术等，也包括诸多信息技术运用，如SPSS、基础办公软件使用、nvivo等数据处理软件的应用等。信息技术运用为科学实验提供重要保障。将繁琐的实验步骤，按照规范的实验步骤进行操作，并安排专门实验人员进行针对性的指导极为重要。高中生物的一些实验由于仪器昂贵等条件无法满足，在很多地区开展普及性较低，特别是在贫困地区，学生只能通过教材进行理解，无法进行实际操作，对于实验原理、实验过程诸多现象理解不深刻。根据STEAM教育的技术性，教师可以创设情境，引导学生改进实验装置，或者自制实验装置，亦或是开展项目研究、实验创新等诸多方案。以“叶绿素的提取和分离”为例，实验中的滤液细线需要使用毛细血管，但毛细血管易破而使滤纸被划破，降低了实验的成功率。经过实验研究发现，用毛笔代替毛细血管，具有较好的效果，并且降低了实验成本。信息技术运用对于提高高中生物课堂教学效率具有重要作用。另外，高中生物课堂教学过程中，教师采用以STEAM为代表的技术教育，运用视频、图片等丰富多彩的模拟实验教学资源，例如，通过“希沃白板”运用，将生物学科原本复杂的实验现象和理论知识进行更加形象的呈现，对于教学重点和难点知识的理解与突破，掌握知识内容具有重要作用。一方面，提高学生课堂学习效率，另一方面，培养学生学习兴趣，促进主动学习，以此促进教育教学质量提升。

三、将工程探究运用到生物实践环节

工程素养指工程相关专业技术人员在实践活动过程中应该具备的综合能力，对学生实践操作和“科学探究”能力提升大有裨益。基于STEAM教育的高中生物课堂教学工程性，即在生产生活实践中，能够运用生物学科知识进行阐释，满足生物学课程标准对教师和学生的要求。例如，利用醋酸菌、乳酸菌发酵进行果醋和果酒酿制，教师可布置学生采用各种方法咨询果醋、果酒酿制办法，在课堂上围绕实验原理进行讨论，加深认识，最后，分配小组课后合作酿制一瓶果醋或果酒;利用乳酸菌发酵进行泡菜或酸奶制作，教师布置小组居家作业，将超市买的发酵粉倒入牛奶，放进烤箱进行发酵，设置一定温度和时间等。另外，在诸多模块中同样体现，并可以融入工程概念。以“探究生长素类似物促进插条生根的最适浓度”实验为例，首先，教师“主干问题”设计：植物生长发育过程中为什么茎朝地上，而根总是朝着地下生长？紧接着，设计诸多“分支问题”，将知识点与生活相联系，引导学生对于问题的思考，加深学生对于知识的理解，包括：第一，为什么要切掉马路两边植树顶端的枝条？第二，怎么样在单子叶植物上去除双子叶植物上的杂草？如何对月季花或者玫瑰进行插条生根？等。第三，教师对诸多问题进行总结，引导学生善于观察日常生活中诸多生物现象，并用生物学科知识及原理进行解释。因此，对学生工程探究意识的培养，不仅是改变学生被动的学习意识，促进学生主动思考，更是促进师生关系健康和谐发展，促进教与学的良性循环。

四、注重生物技能教学的艺术性

自然界艺术气息浓烈，而生物学饱含着人文气息。STEAM教育是在STEM教育的基础上，增加了Art艺术领域，艺术对于生物学科教学具有什么样的价值？诸多研究人员对于将导入艺术、讲解艺术、总结艺术等课堂教学中的艺术手法融入艺术的概念。将艺术纳入高中生物课堂教学，对于培养学生对生物学科的学习兴趣，感受学科魅力，以及树立审美观和生命观，发展学科核心素养中的“社会责任”等具有积极作用。生物学科诸多知识可以通过诗词、辩论、歌曲、情景扮演和舞蹈等艺术形式进行演绎，帮助学生将學科知识的过程在真实情景中展现，形成热爱生命、关爱生命的意识，深化对学科关于“科学会受到社会和文化的影响”的理解。通过艺术结合运用，使学生更好的融入课堂教学，提高教育教学效率。艺术的课堂运用包含诸多方面，教师的言行举止、学生的动手操作都是STEAM艺术性的体现。教师用心准备的模具或者教学PPT，艺术特征能够提高学生学习的积极性，反之适得其反。PBL（ProblemBasedLearning）是一种基于STEAM教育的以问题为基础的教学模式，备受推崇。以发酵工程中“微生物的培养和应用”课堂教学为例，教师在首先设计一系列衔接性比较强的导入问题：培养基是什么？以物理形态进行划分，可以分为哪一些培养基？需要加入哪几种物质才能将液体培养基制成固体培养基？培养基中一般包含哪四类营养物质？等一系列的问题设计，另外，教师在引导学生进行探究的过程中，一定要结合教科书知识，设置小组合作讨论形式，并进行生物实验验证，帮助学生建立自主、合作、探究的学习方式，在这个学习过程中，促进学生生物学科核心素养培养。

五、运用数学知识和方法解决生物教学问题

数学思维是解决问题的一种重要能力，用数学学科知识和方法是问题解决的一种重要方式。数学学科知识和方法具有很强的逻辑性和抽象性，对大数据进行统计和运算的整个过程，有力与学生数学思维和感知的培养。将生物学的诸多问题用数学学科知识及模型建构进行突破，是新课改理念下学生需要掌握的一项能力。在生物学诸多实践问题解决过程中常见数学知识：光合作用和呼吸作用所需能量、DNA分子碱基数目、形成卵细胞和精子的种类、种群密度、第N代细菌数量、各环节能量利用和散失比等各种运算。高中生物学科关于遗传学问题的重点和难点，数学思维及方法常被运用，如基因自由组合定律问题需要用数学组合原理进行解决，基因型频率问题需要依据数学的完全平方公式原理进行解决等。另外，生物教学过程中经常需要使用数学模型，将数学模型运用到生物教学的常见案例有：环境因素对光合作用强度的影响、酶活性影响条件、“S”型和“J”型种群增长曲线;另外，高中生物学科诸多知识和问题需要进行大量数据处理及数量动态呈现，数学学科方法的运用能加深学生对生物学科诸多生命现象的逻辑问题的理解。诸多遗传学复杂问题、生态难题、绿化建设和庄稼种植等生活生产问题都可以通过数学模型和逻辑计划加以处理或简化。将数学学科知识与方法纳入生物学科，使得诸多生物学科量化问题得以突破，学生生态意识塑造和“科学思维”培养得以发展。

在新课改教育教学背景下，高中生物学科跨学科融合已成为发展趋势。STEAM教育理念是一种契合生物教学发展的新指向，将五个学领域进行交叉融合，引导教师在高中生物课堂教学过程中运用多学科、多维度的教育方法，引导学生构建多学科融合的学习方式，运用跨学科思维和方法解决生物学科实际问题。在这个过程中，学生发散思维得以开发，不仅加深对于新知识的理解，并使所学知识得以迁移和发展，促进学生综合能力提升。

参考文献

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作者简介：陈丽丽（1987-），女，福建莆田人，汉族，厦门市集美区乐安中学一级教师，硕士，研究方向：高中生物教学。