基于STEAM教育理念的教学设计

张美杰 赵艳红

摘 要：随着科学技术的快速发展，人们迎来了人工智能时代。在这个科技日新月异的大环境下，只有在学习阶段注重综合能力的培养，才能更好地适应当今社会的发展。STEAM教育就是在这种环境下诞生的。STEAM教育是集科学、技术、工程、艺术和数学于一体的多学科交叉的综合性教育理念。将STEAM教育理念运用到高中生物学教学过程中，呈现本课程的特色教学方法，为高中生物学教学增光添彩。

关键词：高中生物学;STEAM教育理念;教学设计

一、STEAM教育理念的介绍

STEAM即科学（Science）、技术（Technology）、工程（Engineering）、艺术（Arts）和数学（Mathematics）单词首字母的缩写。STEAM教育是培养学生多学科交叉的综合性教育[1]。2001年，Judith A. Ramaley提出了STEM一词。随后，Georgette Yakman将人文艺术加入STEM中，开展STEAM教育培训认证，从更广的角度认识不同学科间的联系，培养学生的综合能力[2]。2013年我国出版了《STEM项目学生研究手册》的译著[3]。2015年，赵中建团队翻译出版了中小学STEM教育丛书《美国STEM教育政策进展》[4]。高云峰等人将STEAM教育与创客教育相融合，在北京中学等多所学校开展教育活动，真正实现培养学生跨学科创新的STEAM素养[5]。2018年，张海银等出版了从幼儿园到初三年级的12册《STEAM课例精编》。

随着科学技术的飞速发展，人类迎来了人工智能时代。这就要求人们在学习阶段进行综合能力的培养，才能更好地适应当今社会的发展。而STEAM教育就是在这种环境下诞生的。近几年来，伴随着高考改革，高中生物学对学生的综合能力要求越来越高。STEAM这种具有多学科交叉特点的综合性教学理念，适合应用到高中生物学课堂中。如何以STEAM教育理念为指导，开展高中生物学教学活动，需要一个探索的过程。本文在STEAM教育理念下，设计“蛋白质是生命活动的主要承担者”的生物学教学流程，使STEAM教育理念在高中生物学教学中发挥作用。

二、将STEAM教育理念引入高中生物学课堂教学设计

人教版高中生物学必修1第二章第四节“蛋白质是生命活动的主要承担者”主要讲解了蛋白质的功能、基本组成单位、结构及其多样性。按照STEAM教育理念设计，S（科学）来源于蛋白质的相关知识，T（技术）体现在信息的搜索和运用，E（工程）表现在模型制作，在制作过程中如何设计出外观精美的模型体现了A（艺术），如何计算出肽链形成过程中失掉的水分子数等则体现了M（数学）。

1.创设情境，激趣引思

有的妈妈生宝宝做剖宫产手术时，要先把皮肤、子宫肌层等割开后缝合。在拆药线时，肚皮上的药线可直接拆去，子宫上边的药线如何处理呢？学生讨论后，教师解释子宫不用拆药线，因为用的是胶原蛋白缝合线。该线是用獭狸肌腱做成的，抗拉性强，有完全吸收等特点。那么这种线为什么可被吸收？被吸收时发生了什么变化？带着这些问题来学习今天的课程，使学生从感性上认识蛋白质对人类生活的重要性。

2.讲述功能，据理导思

引导学生阅读课本，各小组以表格的形式总结出蛋白质的功能与实例。分组讨论蛋白质功能多样性和结构多样性的关系。人的胰岛细胞和淋巴细胞的主要成分都是蛋白质，但这两种细胞的功能却完全不同，原因是什么？从而起到知识与实际相联系的目的。

3.深入细节，科学探微

摄入的蛋白质能直接被吸收吗？引出蛋白质和氨基酸的关系。氨基酸具有什么样的结构特点？如何去判断是不是氨基酸？让学生观察课件中氨基酸分子的结构式，分组讨论其结构通式。教师对该通式进行难点讲解：首先，核心碳元素可用甲烷的模型来展示;其次，氨基用氨气来解释，羧基用羧酸来解释;最后，把人形象地比喻成氨基酸的结构通式，把左手、右手、双腿、躯干和头分别比作氨基酸的氨基、羧基、H原子、中心C原子和R基，而21种氨基酸的不同之处就在于这个“R”基的不同。

4.总结规律，寻思究理

氨基酸通过什么机理构成蛋白质？课件展示氨基酸的脱水缩合。学生以小组的形式，分别制作彩色卡纸折叠模型，并在全班演示氨基酸脱水缩合形成肽键的过程（如下图）。教师过渡：两个氨基酸形成二肽，再加一个氨基酸形成三肽……多肽通常呈链状结构。肽链通过盘曲、折叠等形成具备空间结构的蛋白质。由于氨基酸排列顺序不同、肽链盘曲折叠方式不同以及空间结构千变万化，构成了蛋白质的多样性。

在讲解肽链形成时，氨基酸数目与肽键个数的关系如何？让学生分组制作3个、5个和7个氨基酸各自形成一条肽链。然后让学生直观地数出肽键个数。再引导思考，假设上述有3和5、3和7以及5和7个氨基酸的两条肽链分别形成一个蛋白质分子，则其中氨基酸、肽链和肽键的关系如何？经过小组讨论，总结出规律：肽键数=氨基酸数-肽链数。在制作彩色卡纸折叠模型和总结肽键数计算公式的过程中，让学生对这些问题理解得更加形象、深刻，而且还获得了成功的体验。

三、教学反思

学生在学习本节课的同时，也接受了一场全面的STEAM教育。S（科学）来源于蛋白质的功能、基本单位、结构及其多样性，同时也培养了学生的发散性思维和逻辑性思维。在学习生物学知识的同时，自然地融入了技术手段、工程原理和数学知识。T（技术）体现在信息的搜索和运用，E（工程）表现在氨基酸脱水缩合形成蛋白质的建构模型，在制作模型时展现了A（艺术），塑造了学生的审美能力。如何计算出肽链形成过程中失掉的水分子数、肽键数等则体现了M（数学）。本节课使科学、技术、工程、数学和艺术有机地结合起来，强调了学科之间的融合和知识的应用，培养了学生的综合性能力。通过本节课的学习，学生的生物学核心素养也得到了很好的培养。本节课着重体现结构与功能观的生命观念。训练学生的模型建构、科学推理等科学思维。在探究活动中着重培养学生的实践、创新能力，增加动手实践的活动。社会责任集中在科学精神和科学价值观等方面重点体现，培养学生学科学、用科学的能力。

STEAM教育理念的运用对教师的要求相对较高，教师将此理念应用到生物学教学过程中，需要提前熟练掌握相关的知识，并且对数学、化学、工程等学科内容能够灵活运用。教师在进行STEAM教育时，教学资源的选择要考虑周到，对所有的教学环节需要提前构思好，才能取得更好的教学成效。

参考文献：

[1]Sochacka NW， Guyotte KW， Walther J. Learning together： acollaborative autoethnographic exploration of STEAM （STEM+the Arts） education [J]. Journal of Engineering Education， 2016， 105（1）：15-42.

[2]赵慧臣，陆晓婷.开展STEAM教育，提高学生创新能力：访美国STEAM教育知名学者格雷特·亚克门教授[J].开放教育研究，2016，22（5）：4-10.

[3]郝瑞辉.STEM项目学生研究手册[J].中国科技教育，2016（5）：13-15.

[4]赵中建.美国STEM教育政策进展[M].上海：上海科技教育出版社，2015.

[5]高云峰，师保国.跨学科创新视角下创客教育与STEAM教育的融合[J].华东师范大学学报，2017（4）：47-53，135.

注：本文系2018年河北省教育科學“十三五”规划一般资助课题“基于STEAM理念的高中生物教学中核心素养培养途径及提升对策的研究”（No.1803032）的研究成果。

第一作者及通讯作者简介：张美杰（1984—），女，中学一级教师，博士学位。