应用高中生物学教科书插图开展STEAM 教育

郑晓花 高 壮

（1.三明第九中学，福建 三明 365001；2.福清元洪高级中学，福建 福清 350300）

STEAM 教育强调多学科融合。［1］研究表明STEAM教育模式有助于提升学生的想象力、发散思维能力及综合运用多学科知识解决问题能力。［2］STEAM 教育与核心素养培育相结合是我国基础教育改革的必然趋势。［3］2019 年版人民教育出版社普通高中教科书《生物学》（下文简称教科书）具有丰富的插图，在一定程度上蕴含科学、技术、工程、艺术与数学等STEAM 教育因素。笔者尝试应用这些插图开展STEAM 教育，促进学生发展生物学学科核心素养。

一、应用教科书插图提升学生生物科学素养

以学生作为探究性学习主体是STEAM 教育理念之一。教学过程中结合教科书插图，鼓励学生对相关主题进行探究性学习，促进学生掌握生物学科思想、观点与方法，发展生物科学素养。例如，在豌豆杂交实验中，孟德尔对遗传规律的研究是建立在正确的研究方法和有力证据的基础上。应用教科书插图，以孟德尔对遗传性状的研究过程为教学“明线”，以科学研究方法——假说演绎法为教学“暗线”，引导学生开展下列4 个环节学习。一是应用教科书中“高茎豌豆和矮茎豌豆的杂交实验示意图”，引导学生说出孟德尔的发现，F1总是高茎，F1自交后代F2则表现为3 高茎∶1矮茎，并迁移至其他6 对性状的研究。二是要求学生说出孟德尔对分离现象的解释。根据该解释，尝试应用图示表示豌豆杂交实验过程，并应用教科书中的“高茎豌豆和矮茎豌豆的杂交实验的分析图解”进行分析与交流。三是创设问题情境：孟德尔的测交实验结果和预期一致吗？说明什么问题？引导学生结合“一对相对性状测交实验的分析图解”讨论孟德尔设计测交实验的目的、内容及预期结果。四是要求学生从亲本产生配子、配子结合形成后代两个方面概括分离定律内容，总结假说演绎法的一般步骤。

遵循教科书内容的内在逻辑及学生认知规律，应用教科书插图创设系列问题情境，引导学生从“现象”到“本质”，深入分析与探究，促进学生理解与应用科学研究方法，深刻认识科学本质。

二、应用教科书插图体会技术对生物学发展的作用

充分挖掘教科书插图所蕴含的生物科学技术因素，有助于学生认识科学技术进步对科学进步、社会发展的影响。例如，应用教科书“用台盼蓝染液染色后的死细胞和活细胞”插图引导学生思考：早期对生物膜的研究为什么是先从生理功能入手的？让学生明白：受科学技术限制，当时科学家无法观察到生物膜结构，只能以观察哪些物质能透过生物膜来研究其功能。科学家欧文顿在大量实验观察的基础上，通过严谨推理与大胆想象，提出膜是由脂质组成的推测。应用教科书插图“在水中形成的磷脂双分子层模式图”，引导学生根据欧文顿研究分析得出：细胞膜含有脂质，磷脂排列为连续两层的结构，还附有蛋白质。随着显微镜技术的发展，罗伯特森利用电子显微镜，观察到细胞膜“暗—亮—暗”的三层结构。要求学生应用教科书插图“细胞膜结构的电镜照片”，推断罗伯特森的假说内容，并结合细胞的功能分析该模型的优点与不足，从而引导学生追寻科学家的探索足迹，修正并完善细胞膜的模型。随着实验技术的改进和创新，科学家对膜结构的研究又找到新的证据。应用教科书插图“荧光标记的小鼠细胞和人细胞的融合实验示意图”，学生写出该实验过程的流程图，分析实验结果、得出实验结论：细胞膜是具有流动性的。通过不同年代多位科学家的共同努力建立细胞膜结构的流动镶嵌模型。

通过探究教科书插图所蕴含的STS 教育因素，让学生明白科学技术进步促进科学发展，促进学生综合应用物理、化学、生物学等多学科知识解决问题，这是落实生物学学科核心素养的重要途径之一。

三、应用教科书插图引导学生实践建模工程

建构模型是一项工程。将静态的插图转化为可操作的建模活动，渗透工程学的教育思想，实现内隐知识的外显，有助于学生深度学习，加深对复杂概念的深层理解与应用，提升科学实践能力。例如，学习“DNA 的结构”时，引导学生按照DNA 结构发现史，结合教科书中“DNA 的结构模式图”，先构建DNA 的基本单位——脱氧核苷酸模型，再分组构建两条脱氧核苷酸长链模型。建模的同时，引导学生思考与讨论：碱基是如何配对的？两条脱氧核苷酸链具有方向性吗？如何体现？最后，请学生代表展示并讲解各自建构的DNA 分子模型。通过“讨论—构建—倾听—反思—修正”等建模活动，学生发现所构建的DNA 分子模型主要存在不同的DNA 分子模型长度不同、碱基数量不同及碱基对的排列顺序不同等特点。可见DNA 分子结构具有多样性及特异性。进一步引导学生思考与讨论：DNA 结构的稳定性体现在哪里？

应用教科书相关插图，还可以指导学生进行细胞结构、细胞膜的结构、ATP 的分子结构等建模活动。

四、应用教科书插图引领生命艺术之欣赏

在高中生物学教学中引领学生欣赏生命艺术之美，有助于让生物学教育与人文科学教育相融合，促进学生全面发展。例如，“细胞器之间的分工合作”这一节内容中的“植物细胞和动物细胞亚显微结构模式图”“分泌蛋白运到细胞外的过程示意图”及“内质网膜与细胞膜、核膜的联系”等插图，展示细胞结构复杂、精细巧妙的生命系统之美；体现历经几十亿年的演变，细胞进化出的各种结构彼此分工又紧密合作，保障生命活动在变化的环境中有条不紊地进行，这是生命活动的和谐之美。教科书中“植物细胞有丝分裂的过程”“动物细胞有丝分裂模式图”“哺乳动物精子的形成过程示意图”及“减数分裂示意图”等有关细胞分裂插图，让学生领悟染色体运动的行为美、遗传分离比的简约美。教科书“科学家访谈”栏目中“与袁隆平院士一席谈”插图，展示袁隆平院士在田间查看水稻生长情况，体现袁院士吃苦耐劳、勇于探索、甘于奉献的人格美。

同时，这些插图还能让学生直观地体会自然、科学与人文的和谐美。

五、应用教科书插图促进学会以数学语言揭示生命规律

《普通高中生物学课程标准（2017 年版2020 年修订）》对学生解读数学模型提出更高的要求：能应用坐标图表达相关结论。教师应重视应用教科书插图，指导学生运用数学模型揭示生命规律、解决实际问题，培养学生图文、数形转化能力。例如，学习有关“主动运输”知识时，学生容易受“自由扩散”和“协助扩散”的浓度差及其运输速率关系等影响，认为细胞主动运输时物质运输速率与物质的浓度差也是成正比关系。教师可以尝试引导学生运用数学模型探究、解决这一问题。首先，指导学生分析“主动运输”实验数据及其之间的关系，以曲线图（即数学模型）的形式呈现实验结论。其次，分析协助扩散与主动运输所需的条件，以曲线图表达对协助扩散与主动运输的认识。有的学生没有考虑到协助扩散中载体数目会限制运输速率；还有的学生对如何绘制主动运输曲线图产生“思维碰撞”，对物质运输速率与物质的浓度差的关系有不同意见。教师可以请不同观点的学生代表分别阐述理由，绘出物质进出细胞的曲线图，其他同学补充、质疑，并展示主动运输实验的相关数据，进一步解释主动运输的物质运输速率与物质的浓度差的关系。

引导学生运用数学模型对生命现象进行探究，促进学生真切地体会：只有严谨分析实验数据，才能真实揭示生命科学规律及其本质。