STEAM理念下初中生物学探究实验评价情境的创设

张琪 李志兴 宋娟

摘要 在初中生物实验教学中融合 STEAM 理念，创设探究实验评价情境，引导学生在实验室条件下探究电子烟的成分及其危害，从而提高学生跨学科知识整合的思维能力，培养关爱生命的意识，最终发展生物学学科核心素养。

关键词 电子烟  STEAM 评价情境 创新实验 核心素养

中图分类号 G633.91              文献标志码 B

评价情境是运用学科内容、执行学科任务、展现学科核心素养发展水平的载体，评价情境的创设承担着引导学生核心素养外显的重任。STEAM 教育是集科学、技术、工程、人文和数学于一体的多学科交叉的综合性教育理念，对培养学生的综合素质、创新精神以及实践能力有着重要的作用。在初中生物学实验教学中，教师以情境作为评价背景和载体，将STEAM 教育理念融入到探究实验评价情境中，可改变传统的实验教学模式，激发学生的创新思维，促进学生对知识的掌握与应用，同时有助于提升学生的生物学学科核心素养。

1 背景

山东科学技术出版社七年级下册“选择健康的生活方式”一节直观呈现了传统香烟烟雾中含有的化学物质及危害，并通过实验探究“烟草浸出液对水蚤心率的影响”，突出了吸烟对心血管的不利影响。通过学习，学生能够了解并认同传统香烟的危害。电子烟又称电子尼古丁传送系统（ENDS），是近年来发展最为迅速的一种新型烟草制品。因其具有隐蔽性强、外观时尚、口味多样等特点，不少中小学生开始吸食电子烟。电子烟已然成为青少年健康的新威胁。但是，学生对于电子烟的成分及其危害并不了解。因此，本实验融合STEAM 理念，通过创设探究实验评价情境，探究电子烟的成分，并通过模拟实验直观呈现其危害，旨在提升学生的生物学学科核心素养，发挥生物学在健康教育领域所具有的天然优势。

2 教学目标

①通过观察实验的直观现象，充分了解电子烟的危害，从而树立珍惜生命、崇尚健康文明的生活方式。

②基于 STEAM 教育理念，通过运用生物、物理、化学等知识和原理，自行设计探究实验方案，增强跨学科思维及创造性思维。

③运用已有知识，创新实验材料与实验装置，动手完成探究实验，同时培养团队合作的能力。

④树立珍爱生命、远离电子烟的意识，并积极向社会宣传电子烟的危害，成为健康中国的促进者和实践者。

3 设计流程

以发展学生的生物学学科核心素养为最终目标，结合课程标准，创设探究实验评价情境，构建了如图1所示的STEAM 实验教学设计流程。

4 材料与仪器

电子烟，电子烟烟油，小鱼，蒸馏水，高锰酸钾溶液，斐林试剂，标准铅溶液（1μg/mL），醋酸盐缓冲液（pH 为3.5），硫代乙酰胺试液，试管，锥形瓶，移液器，量筒，烧杯，电子控温加热器，两口烧瓶，气球，温度计，水浴加热装置，孟氏洗气瓶，橡胶管，注射器，过滤器，微孔滤膜（直径13 mm，孔径3μm）等。

5 任务实施

STEAM 教育倡导学生进行探究性学习。如何激发学生的探究欲望？教师课前创设实验教学评价情境：你身边有人吸食电子烟吗？你能设计探究实验探究电子烟的成分吗？你能否通过模拟实验，直观呈现这些成分的危害？学生以学习小组为单位，自主查阅电子烟的相关资料，明确实验原理，掌握相关的实验操作技术。课上，各小组根据所搜集的资料，讨论、设计实验步骤。各组展示小组的设计，相互提出建议。之后，学生列出所需材料和仪器清单，明确各种试剂的浓度和作用，并在教师引导下分析已有方案，修改细节。在完成实验材料与仪器的准备工作后，学生动手完成实验探究，及时记录实验结果。最后，学生分析实验结果，得出实验结论，形成成果，进行推广。 5.1探究烟油中是否含有烟碱

实验原理：烟碱能使紫色高锰酸钾溶液褪色。

实验过程：取两支试管，编号1号和2号，各加入2 mL 高锰酸钾溶液，之后分别加入1 mL 烟油和1 mL 蒸馏水，充分震荡混匀。

实验结果：1号试管中紫色高锰酸钾溶液紫色褪去，2号试管无明显变化。

由此，学生得出结论：电子烟的烟油中含有烟碱成分。

5.2探究烟碱的危害

實验原理：少剂量烟碱可引起生物体机体兴奋，大剂量可导致生物呼吸麻痹直至死亡。

实验过程：准备5个烧杯，编号1-5号，分别加入清水和体积分数分别为0.2%、0.5%、1.0%和2.0%的烟油溶液各300 mL。之后，同时各加入5条小鱼并开始计时。每隔一段时间观察小鱼活跃状态，记录小鱼全部死亡所用的时间。

实验结果：烟油溶液浓度越高，小鱼初始越兴奋，由麻痹到死亡也越快（表1）。

由此，学生得出结论：烟碱对生物个体有严重危害，并且浓度越高，危害越严重。

5.3探究电子烟烟油加热后产生的有害物质

学生查阅资料，得知：烟油在加热的过程中形成的烟雾，其成分主要除了有烟碱，还有一些挥发性有机化合物、致癌化学品以及重金属等，如丙二醇和丙三醇在高温下可生成甲醛、乙醛等醛类物质。

实验原理：斐林试剂与醛可以生成砖红色沉淀。

实验过程：取一个两口烧瓶，一口连一支温度计，另一口固定一只气球（防止烟雾挥发并起到缓冲作用）。将装有5 mL 电子烟烟油的烧瓶放入电子控温加热器中，300℃加热5 s，冷却备用。取3支试管，分别编号1、2、3号，各加入3 mL 斐林试剂，再分别加入1 mL加热后的烟油、未加热的烟油、蒸馏水，充分震荡混匀，于沸水浴中3min，观察现象。

实验结果：1号试管中出现砖红色沉淀，其他两支试管无明显变化。

学生由此得出结论：烟油加热后会产生醛类物质，对人体有严重危害。

5.4探究电子烟烟雾中含有重金属

实验原理：硫代乙酰胺在弱酸性条件下水解，产生硫化氢，与重金属离子生成黄色到棕黑色的硫化物混悬液，用微孔滤膜滤过，重金属硫化物沉集于滤膜形成色斑，与标准铅斑比较，可半定量测定重金属含量，并且检测灵敏度较高。

实验过程：（1）收集煙雾。取孟氏洗气瓶1个，一端连接装有1 mL 烟油的电子烟，另一端连接注射器，往洗气瓶中加蒸馏水至8 mL（图2），抽动注射器，模拟吸烟过程并收集烟雾直至烟油耗尽。洗气结束后，加蒸馏水至10 mL，得样品，备用。

（2）制备梯度标准铅斑。准备4个锥形瓶，分别移取标准铅溶液（1μg /mL）0、2、4、6 mL，再加蒸馏水到10 mL，即每支试管中的含铅量等于0μg、2μg、4μg、6μg。加入pH约3.5醋酸盐缓冲液2 mL与硫代乙酰胺试液1 mL，摇匀，放置10min。用50 mL注射器，分别将各梯度标准液转移至微孔滤膜过滤器中，缓缓进行压滤，滤毕，取下滤膜，放在滤纸上干燥，即得梯度标准铅斑：0μg对应的滤膜上无铅斑，2μg、4μg、6μg分别对应的滤膜铅斑颜色由黄色到棕黑色，依次加深（图3）。

（3）比色。依照标准铅斑的制备，将步骤（1）中所得样品进行压滤，10 min 内将生成的斑点与标准铅斑进行比色。

本课程中学生研究了3份电子烟样品。结果显示，样品1的滤膜铅斑颜色介于标准铅斑的0～2μg之间，样品2的滤膜铅斑颜色接近2μg ，样品3的滤膜铅斑颜色介于4～6μg 之间，即3份样品均含有一定量的重金属。由此学生得出结论：电子烟烟雾中含有重金属，对人体有害。

5.5了解电子烟调味剂的危害

教师提问：实验过程中，除了看到、听到、摸到，你还有什么感官能获得信息？学生回答：闻到香味。教师告知学生电子烟中起调味作用的物质——双乙酰，会导致“爆米花肺”，同时播放相关视频，提醒学生警惕并拒绝“二手电子烟”。

6 成果推广

学生自行总结电子烟的危害，并讨论实验收获。教师课后举办“拒绝电子烟，养成好习惯”倡议签名活动，并将实验成果在全校范围内推广，呼吁师生摒弃吸烟文化，体现中学生物课程的人文关怀。

7 项目评价

“探究电子烟的危害”项目是综合了科学、创新、技术和人文等因素的探究任务评价情境，能使学生真实地展现自己的核心素养发展水平，实现激励学生学习和改进教师教学的评价目的。项目评价需要从科学性、创新性、过程性和推广性4方面进行。评价量规见表2。

8 教学反思

预防青少年吸烟是学校教育的重要组成部分，但以往的教育实践活动多以电子烟成分与危害的科普介绍为主，学生很难深刻认识到电子烟的毒性。本研究以此情境作为评价背景和载体，与生物学学科核心素养的评价有机结合，在STEAM 教育理念的基础上，引导学生自行查阅资料、制订并实施计划，在实验室条件下亲自验证了电子烟的危害。探究实验评价情境的创设充分提升了生物学科的育人价值，为教学评价注入了新元素，是对当前教学评价理论的创造性拓展，也将对生物学科教学评价体系的创新和发展产生积极的影响。

参考文献：

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