基于STEAM 理念的中学生物学实验选修课程设计——以“瓶中兰花”为例

朱星蒙 薛庆云 刘 薇 丁小余 牛志韬

(江苏省南京师范大学生命科学学院 江苏南京 210024)

STEAM 教育理念最早是美国政府提出的教育倡议,由科学(Science), 技术(Technology), 工程(Engineering),艺术(Arts),数学(Mathematics)五门学科英文首字母的缩写组成。 STEAM 教育就是集科学、技术、工程、艺术、数学多学科融合的综合教育。STEAM 教育理念追求加强对学生多方位能力的培养:①对多学科科学知识的理解与应用能力;②使用、评价、管理技术的能力;③对技术工程设计与开发的能力;④审美观念、鉴赏能力和创作能力的培养;⑤发现、解释、解决多种情境下的数学问题的能力。

《普通高中生物学课程标准(2017 年版2020 年修订)》提出了“教学过程重实践”的基本理念,高度关注学生学习过程中的实践经历,强调学生学习的过程是主动参与的过程,鼓励让学生积极参与动手和动脑的活动,通过参与探究性学习活动或完成工程学任务,加深对生物学概念的理解,提升应用知识的能力,培养创新精神,进而能用科学的观点、知识、思路和方法,探讨或解决现实生活中的某些问题。 “瓶中花卉”是基于组织培养技术,通过将植物外植体移栽进玻璃瓶,以用于观赏的工艺品。 石斛是兰科石斛属植物,具有极高的药用和审美价值。 本文以石斛为例,从“教学过程重实践”的基本理念出发,重视培养学生的动手实践能力与实际运用能力,融合STEAM 教育理念,指导设计“瓶中兰花”的中学生物学实验选修课程。

1 课程设计

1.1 课程简介

本节课程以人教版高中生物学《选择性必修3·生物技术与工程》为载体,以第二章第一节“植物细胞工程”为例,对STEAM 教育理念在中学生物学实验选修课程的应用进行探索。 课程设计中涵盖了基础生物学知识和具体实践操作训练,将多个学科的相关知识相互融合,来培养学生的知识技能与实践技能。“瓶中兰花”是以细胞的全能性为核心,植物组织培养技术与无菌技术为支撑,在玻璃瓶中培养石斛外植体的一种工艺品。 学生可以根据不同需求,选择石斛材料,通过小组合作,将所学的植物组织培养相关知识运用到实际工程设计中,提高合作能力与创新能力。本课程是系统和长效的实验项目,教师需要活用导向意识,不断调整教学活动,让教学充实有序。

1.2 学习者与目标分析

高中学生从整体上对植物组织培养知识和实验操作要点有一定了解,在如何进行取材、培养基的配置、无菌的控制等方面具备基本认知,并且具备使用数学工具对实验结果进行进一步分析的能力。 但是高中学生对植物激素的具体应用、培养基的具体成分等了解不深,并且缺乏独立设计与优化实验的能力,所以本课程需在老师的引导下完成。

本课程相较于其他细胞工程技术,对实验设备的要求不高,操作较为简单,可操作性强,可以使学生亲身体会植物组培的乐趣,激发学生对细胞工程深入探索的热情。 本课程有机地将实践活动与理论教学结合起来,促进学以致用,提高教学效率。 本课程以整合多学科知识为核心,涉及如下课程目标(表1)。

表1 课程目标

1.3 课程框架与内容

本课程实验分为三个环节:一是初代培养阶段,选择外植体材料脱分化形成愈伤组织;二是继代培养阶段,愈伤组织再增殖分化;三是移栽进玻璃瓶中进一步培养。 本实验流程较多、耗时较长,教师可以有目的地引入或创设生动具体的情境或提出具有导向性的问题,以引起学生的态度体验,从而帮助学生理解新知识,使其心理机能得到发展。

1.3.1 创设情景,提出问题

STEAM 教育理念聚焦真实情景中的必要问题,通过项目式的教学方法,引导学生从问题出发,以结果为导向,培养学生解决问题的能力。 利用层层深入的问题链设计(表2)和具有互动性、开放性的情境设计,让学生在解决问题的过程中培育创新思维和科学探究能力。

表2 问题链设计与情境选择

1.3.2 学习活动设计

“瓶中兰花”实验教学包括对植物组织培养技术的探索;设计实验探究外界条件(光照和温度)、培养基配比、植物生长调节剂对植物材料生长的影响;利用数学方法确定植株在玻璃瓶中生长的最适条件等一系列活动。 根据STEAM 教育理念,教师要着重培养学生的实验探究能力与结果分析能力。 在实验前,教师可以播放有关植物组织培养技术的视频或者带领学生参观植物组培实验室,实地体验基因工程技术的应用,认同现代科学技术的价值。 临近实验开展前,教师需要确定哪些工作由教师或者学生分组提前完成,如实验器材的灭菌、培养基的配制、石斛种苗的提供等。 具体实验过程中,教师需要使用问题串启发学生进行实验探索与优化,带领学生梳理项目任务,不断细化实验内容,培养学生严谨、认真的科学探究态度。

将外植体移栽进玻璃瓶后,各小组可以利用废弃材料在玻璃瓶中造景,通过植物的生长、变化与造景材料相结合,达到营造氛围、增强空间感受等目的。在对产品进行美化的过程中,学生可以发挥想象力和创造潜能,唤醒艺术素养。

2 成果展示及实验设计

在本课程实验中,自变量包括不同比例的植物激素、光照强度、温度、培养时间以及培养基,自变量不同导致实验结果各有差异,可以利用数学模型处理数据,以直观的形式呈现实验结果。

2.1 外植体材料的不同选择

利用基因工程中的无性繁殖可以使石斛快速繁殖。因此,采用的外植体主要是细胞全能性较高的胚芽、种皮、植株刚生长起来的茎段、叶片以及未分化的根等部分。 查阅文献可知,经过诱导培养后,以茎段为外植体材料的诱导成功率较高,叶片成功率较低。 与用种子播种相比,以茎段为外植体培养可以大大缩短组培时间。

2.2 不同基础培养基对石斛增殖分化阶段的影响

大量研究发现培养基中的无机盐种类和浓度会对石斛的生长和代谢产生不同程度的影响,特别是培养基中的氮素种类和浓度配比不同对细胞生长有不同作用。 N6 和B5 培养基中的氮素形态与含量各有不同,可以选择1/2 N6、N6 和B5 等培养基来研究不同基础培养基对石斛增殖分化阶段的影响。 其中,不同石斛材料的最适培养基可能不同。

2.3 培养基中不同激素对石斛增殖分化的影响

目前,已成功应用于石斛增殖与分化的激素有BA、KT、2,4-D、NAA、IAA、IBA 和GA 等。 在石斛增殖分化和多糖合成的过程中,培养基内激素的种类和浓度配比会在不同程度上影响细胞的分裂生长。 植物生长调节剂NAA 是一种生长素,其与细胞分裂素6-BA 共同作用,在合适的浓度下,可以缩短组培周期,对植株的生长增殖有重要作用。

可以选取2.2 实验中发现的最适培养基为基础培养基,添加不同浓度的6-BA(1 mg/L、2 mg/L、4 mg/L)及NAA(0 mg/L、0.5 mg/L、1 mg/L)进行实验,探究不同激素组合对石斛增殖分化的影响。

2.4 将植株移栽继续培养

除了不同的培养基、激素等,温度、光照强度、光照时间和培养基pH 等对石斛增殖分化也有很大影响。

将增殖分化后的石斛移栽进试管中继续培养(图1),实验可以分别以光照强度[0(黑暗)、500、1 000、2 000、3 000、4 000 lx]、温度(15、20、25、30、35 ℃)、光照时间(2、6、10、14、18 h)为优化条件,记录不同条件下植株的生长状况(生长高度、有无倒伏、黄化现象),确定植株在玻璃瓶中生长的最适条件。

图1 移栽后的试管兰花

3 方案优化与改进

“瓶中兰花”实验中大部分为学生自主探索项目,由于高中学生实验经验有限、操作能力不足,遇到各类突发情况时,教师需要做好记录和反思,不断调整实验方案,对实验成果进行改进及再尝试。 每次实验结束后,学生要利用数学工具对实验结果进行分析处理,绘制折线图、柱形图等,并且分组书写实验报告,详细梳理整个实验流程,内容包括每个情境下具体的实验步骤,详细写出实验中的收获和体会,记录小组的创新点。 通过整理实验报告,学生可将零碎的知识点串联并构建自己的知识体系,也能发现实验中的不足之处,并在之后查阅文献调整实验条件,优化组培流程。

STEAM 教育理念下的生物学实验教学不以实验结果为结点,而是关注培养学生的发散思维。 教师可以变换教学情境,提出课后新问题供学生思考与创新,鼓励学生更深入地进行探究实验,使他们在实际应用中迁移、发展所学知识并提高探索能力。

4 结语

植物组织培养对技术要求较高,教师需要提前查阅文献,做好预实验。 在实验过程中,依照STEAM 教育理念,注重对学生主观能动性的培养,锻炼其探索精神和研究精神。 教师要做好“引导者”的角色,在撰写优化方案的过程中,大胆放手让学生自主设计,让他们深切体会到实验优化设计的艰辛,养成对实验方案失败的平常心。

本实验仅提供制作“瓶中兰花”的基本流程,其中有关石斛品种的选取、培养基和激素的选择、培养条件的设定,以及不同营养物的添加等环节,都有许多学生自主发挥的空间。 教师可以根据所在地区、学校的设备条件,设计特色的实验方案。 最为重要的是,教师应该充分应用STEAM“动手实践”的教育理念,积极合理地引导学生主动参与,构建STEAM 教育环境。