開展STEAM融合生物學(xué)教學(xué)的嘗試
——以實踐項目“嘗試制作真核細(xì)胞三維結(jié)構(gòu)模型”為例*

郭士安 （江蘇省蘇州第一中學(xué) 江蘇蘇州 215006）

STEM源于2013年4月美國發(fā)布的《下一代科學(xué)教育標(biāo)準(zhǔn)》提出STEM理念，即科學(xué)（science）、技術(shù)（technology）、工程（engineering）、數(shù)學(xué)（mathematics）的首字母［1］。由于STEM教育方式能培養(yǎng)學(xué)生跨學(xué)科思維和綜合實踐能力，提升國家全球的創(chuàng)新力和競爭力，受到美國政府和教育界的重視和大力推廣。近年來，又融入了藝術(shù)（art），被稱為STEAM教育。目前，STEAM教育正受到我國及世界各國的普遍關(guān)注。生物學(xué)STEAM融合教學(xué)是指將STEAM教育的先進(jìn)理念和方法融入生物學(xué)教學(xué)，以項目式學(xué)習(xí)或?qū)嵺`活動為載體，靈活運(yùn)用科學(xué)、工程、技術(shù)、數(shù)學(xué)、藝術(shù)等跨學(xué)科知識和科學(xué)思維方法，通過學(xué)生的自主、合作、探究性學(xué)習(xí)，掌握生物學(xué)科概念和跨學(xué)科概念，培養(yǎng)學(xué)生的動手實踐能力和創(chuàng)新思維能力的教學(xué)方式。

“嘗試制作真核細(xì)胞三維結(jié)構(gòu)模型”是人教版《分子與細(xì)胞》第3章的重點內(nèi)容，是學(xué)生在高中階段生物學(xué)課程學(xué)習(xí)中的第1個模型構(gòu)建活動。學(xué)生在學(xué)習(xí)了細(xì)胞的三大基本結(jié)構(gòu)和細(xì)胞器的結(jié)構(gòu)與功能的基礎(chǔ)上，通過親身體驗動手制作真核細(xì)胞亞顯微三維結(jié)構(gòu)模型，不僅能學(xué)會構(gòu)建物理模型的一般方法，還能更加直觀、形象地構(gòu)建細(xì)胞結(jié)構(gòu)知識體系；理解細(xì)胞結(jié)構(gòu)的完整性及與其功能相適應(yīng)的結(jié)構(gòu)特點，培養(yǎng)合作探究和動手實踐能力。但在實際教學(xué)中，由于教學(xué)任務(wù)重，模型構(gòu)建活動較費時，課堂教學(xué)活動難以組織，多數(shù)情況下，由學(xué)生課后自主構(gòu)建，沒有發(fā)揮模型構(gòu)建應(yīng)有的教育價值。為貫徹普通高中生物學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)“強(qiáng)調(diào)學(xué)生學(xué)習(xí)的過程是主動參與的過程，通過探究性學(xué)習(xí)活動或完成工程任務(wù)，加深對生物學(xué)概念的理解，提升應(yīng)用知識的能力，培養(yǎng)創(chuàng)新精神”的理念，落實本節(jié)課的三維教學(xué)目標(biāo)，筆者融合STEM教育跨學(xué)科、趣味性、體驗性、情境性、協(xié)作性、設(shè)計性、藝術(shù)性、實證性和技術(shù)增強(qiáng)性等核心特征，深入挖掘現(xiàn)有的教學(xué)資源，以“嘗試制作真核細(xì)胞三維結(jié)構(gòu)模型”一節(jié)課教學(xué)為例，開展了生物學(xué)STEAM融合生物學(xué)教學(xué)的嘗試，取得了良好的教學(xué)效果。

1 本節(jié)課涉及的STEAM教學(xué)資源（表1）

表1

2 學(xué)情分析

學(xué)生對真核細(xì)胞的結(jié)構(gòu)和功能已有一定了解，教材提供了細(xì)胞在電子顯微鏡下的多幅模式圖，但在光學(xué)顯微鏡下，大部分細(xì)胞結(jié)構(gòu)觀察不到。學(xué)生依然缺乏感性認(rèn)識，不能很好理解各部分結(jié)構(gòu)相互聯(lián)系和協(xié)調(diào)，細(xì)胞是一個統(tǒng)一整體的概念。高一學(xué)生已具備一定的觀察和分析能力，具有相對較強(qiáng)的抽象思維能力，一定的實驗操作和計算機(jī)應(yīng)用能力，且對動手制作、3D設(shè)計打印、體驗探究、成果展示、交流評價等教學(xué)活動比較感興趣，都為本節(jié)課教學(xué)目標(biāo)的達(dá)成創(chuàng)造了條件。

3 教學(xué)目標(biāo)

1）知識目標(biāo)：①通過制作真核細(xì)胞的三維結(jié)構(gòu)模型，更好地掌握細(xì)胞的亞顯微結(jié)構(gòu)知識，構(gòu)建細(xì)胞亞顯微結(jié)構(gòu)概念圖；②理解細(xì)胞結(jié)構(gòu)與功能相適應(yīng)，細(xì)胞各部分結(jié)構(gòu)和功能上相互聯(lián)系，細(xì)胞是一個統(tǒng)一的整體等生物學(xué)核心概念。

2）能力目標(biāo)：①了解物理模型設(shè)計、構(gòu)建的過程及其各個環(huán)節(jié)，知道物理模型的設(shè)計、制作過程是動態(tài)而有章可循的，理解模型設(shè)計、制作的過程需要不斷優(yōu)化，初步學(xué)會構(gòu)建物理模型的方法；②學(xué)會靈活應(yīng)用科學(xué)、技術(shù)、工程、數(shù)學(xué)、藝術(shù)等學(xué)習(xí)資源，解決現(xiàn)實情境中的問題，培養(yǎng)學(xué)生的綜合實踐能力：③在思考、討論、展示、評價過程中，培養(yǎng)自主、合作、探究、表達(dá)、交流、評價的能力；通過廢棄材料的使用、制作工藝的改進(jìn)和細(xì)胞結(jié)構(gòu)創(chuàng)意作品的設(shè)計制作，提高動手實踐能力和創(chuàng)新思維能力。

3）情感態(tài)度與價值觀目標(biāo)：感受模型構(gòu)建、技術(shù)問題解決過程的艱辛與曲折，體驗小組合作探究、新技術(shù)應(yīng)用和創(chuàng)新、創(chuàng)客活動的快樂，激發(fā)學(xué)習(xí)生物學(xué)的興趣和探究欲望，增強(qiáng)集體榮譽(yù)感。

4 教學(xué)重、難點

1）重點：學(xué)會制作真核細(xì)胞亞顯微三維結(jié)構(gòu)模型，理解細(xì)胞結(jié)構(gòu)與功能的統(tǒng)一性，構(gòu)建細(xì)胞亞顯微結(jié)構(gòu)概念圖。

2）難點：真核細(xì)胞亞顯微結(jié)構(gòu)模型的設(shè)計、制作；細(xì)胞結(jié)構(gòu)與功能統(tǒng)一性的理解；3Done軟件的學(xué)習(xí)應(yīng)用；模擬演示分泌蛋白合成與分泌的過程等。

5 準(zhǔn)備工作

5.1 課前小組合作，預(yù)制作模型 全班共分6組，每組確定1名組長，設(shè)計本組的LOGO圖案和小組學(xué)習(xí)創(chuàng)新的口號。

1）準(zhǔn)備材料：學(xué)生準(zhǔn)備細(xì)胞模型制作的材料和用具，例如超輕黏土、卡紙（或其他較硬的紙張）、泡沫塑料、硬紙板、不同顏色的水果、蔬菜（白蘿卜、胡蘿卜、紫薯）、枸杞、蘋果、黃豆、綠豆、大米、雞蛋；火柴棍、大頭針、回形針、透明膠帶、雙面膠帶、標(biāo)簽、美工刀、尺子、訂書機(jī)、膠水、彩色水筆等。

2）3Done軟件應(yīng)用培訓(xùn)：有條件的學(xué)校，可應(yīng)用3D造型打印技術(shù)構(gòu)建細(xì)胞三維結(jié)構(gòu)模型。需要教師提前熟悉3Done軟件，利用信息技術(shù)課程或課外時間培訓(xùn)學(xué)生，使學(xué)生初步掌握應(yīng)用3Done軟件的應(yīng)用，設(shè)計細(xì)胞器等三維結(jié)構(gòu)圖形，利用3D打印機(jī)打印創(chuàng)意作品。

3）課前預(yù)制作模型：提前布置學(xué)生參考人教版高中生物學(xué)必修1“嘗試制作真核細(xì)胞三維結(jié)構(gòu)模型”一節(jié)內(nèi)容，以小組為單位利用雙休日時間模擬制作真核細(xì)胞三維結(jié)構(gòu)模型。

5.2 方法指導(dǎo)

1）討論確定本組制作的真核細(xì)胞三維細(xì)胞模型的種類（動物細(xì)胞或植物細(xì)胞）、規(guī)格（模型的大小、模型展示的是細(xì)胞的全部還是部分）。

2）確定使用的材料用具。真實的細(xì)胞顏色并不鮮艷，但學(xué)生可用不同顏色的材料區(qū)分不同的細(xì)胞結(jié)構(gòu),使細(xì)胞各部分的結(jié)構(gòu)特點更加突出,便于觀察。

3）精心設(shè)計制作方案。建議以繪圖或列表的形式呈現(xiàn)，并注意細(xì)化方案，例如各種細(xì)胞結(jié)構(gòu)如何制作、細(xì)胞結(jié)構(gòu)之間如何連接等。

4）確定制作模型的實施過程和小組人員具體分工。

5）小組成員分工合作制作各部分配件，然后將配件組合在一起，逐步完成真核細(xì)胞模型的制作。

6）各小組可以應(yīng)用3Done軟件設(shè)計一個細(xì)胞器結(jié)構(gòu)三維圖像，應(yīng)用學(xué)校提供的3D打印機(jī)打印創(chuàng)意作品。

表2 細(xì)胞結(jié)構(gòu)的顏色及選材

表3 制作活動過程記錄

6 教學(xué)過程

6.1 情境導(dǎo)入，明確目標(biāo)（3 min）教師通過展示細(xì)胞三維結(jié)構(gòu)模型，導(dǎo)入本節(jié)課“嘗試制作真核細(xì)胞三維結(jié)構(gòu)模型”，并強(qiáng)調(diào)：嘗試制作真核細(xì)胞的三維結(jié)構(gòu)模型實驗屬于模擬實驗，模擬實驗是根據(jù)相似性原理，用模型代替研究對象。模型可分為實物模型（物理模型）和理論模型（包括數(shù)學(xué)模型和概念模型）2類。前者通常借助于具體的實物或形象化的手段表達(dá)，后者通常借助于抽象形式表達(dá)。

各小組展示課前制作的“真核細(xì)胞三維結(jié)構(gòu)模型”作品，教師出示評分表（表4），提示：將從科學(xué)性、新穎性、技術(shù)應(yīng)用、合作度、藝術(shù)性、展示效果等方面進(jìn)行評價。評價等級可分為4等（A等為優(yōu)秀，B等為良好，C等為合格，D等為不合格）。

表4 真核細(xì)胞三維結(jié)構(gòu)模型制作評價標(biāo)準(zhǔn)

請學(xué)生參考真核細(xì)胞三維結(jié)構(gòu)模型制作評價標(biāo)準(zhǔn)，對模型進(jìn)行檢查和修正。

6.2 學(xué)生活動1：討論反思，完善模型（15 min）

6.2.1 組間交流 查一查：該組制作的是何種細(xì)胞結(jié)構(gòu)模型，細(xì)胞的各種結(jié)構(gòu)是否齊全？位置是否正確？左右相鄰小組相互檢查，找出模型存在的不足（教師巡視指導(dǎo)）。

6.2.2 討論反思 各小組圍繞以下問題討論：

1）提供信息1：細(xì)胞和各種細(xì)胞器大小的參考數(shù)據(jù)：大多數(shù)動、植物細(xì)胞直徑約為100 μm；細(xì)胞核直徑為5～10 μm；葉綠體厚約2.5 μm，直徑約5 μm；線粒體直徑為0.5～1 μm，長度為2～3μm；溶酶體直徑為0.2～0.8 μm；中心粒直徑為0.2～0.4 μm；核糖體最小，大小0.01～0.02 μm。本組制作的模型各部分的比例是否合適？

2）提供信息2：細(xì)胞質(zhì)是細(xì)胞膜包圍的除核區(qū)外的一切半透明、膠狀、顆粒狀物質(zhì)的總稱，含水量約80%。在活細(xì)胞中，細(xì)胞質(zhì)以各種不同的方式在流動著，如細(xì)胞質(zhì)環(huán)流。在液泡發(fā)達(dá)的植物（如黑藻）細(xì)胞中，細(xì)胞質(zhì)成薄層沿著細(xì)胞膜以一定的速度和方向循環(huán)流動。本組制作的模型是否體現(xiàn)細(xì)胞質(zhì)的流動性？如何體現(xiàn)？

3）問題探討1：自制模型細(xì)胞器的形態(tài)結(jié)構(gòu)是否正確？其結(jié)構(gòu)與功能是否適應(yīng)？（展示真核細(xì)胞細(xì)胞器三維結(jié)構(gòu)示意圖，各小組自查，教師巡視指導(dǎo)。）

4）問題探討2：細(xì)胞中哪些結(jié)構(gòu)是相連的？在自制模型中是否體現(xiàn)？（展示內(nèi)質(zhì)網(wǎng)膜與細(xì)胞膜、核膜直接聯(lián)系圖和分泌蛋白合成與分泌過程中內(nèi)質(zhì)網(wǎng)、高爾基體、細(xì)胞膜的間接聯(lián)系示意圖，各小組自查，教師巡視指導(dǎo)。）

6.2.3 修補(bǔ)模型 各小組根據(jù)以上討論的結(jié)果，利用自帶和教師提供的超輕黏土等材料進(jìn)行修補(bǔ)完善。

6.3 學(xué)生活動2：應(yīng)用模型，創(chuàng)新模型（6 min）

1）模擬演示分泌蛋白合成與分泌的過程：可采用自制細(xì)胞三維結(jié)構(gòu)模型或多媒體動畫技術(shù)等手段演示，展示小組優(yōu)秀創(chuàng)意作品。

2）細(xì)胞結(jié)構(gòu)工藝品的設(shè)計制作：各小組依據(jù)細(xì)胞各部分的形態(tài)結(jié)構(gòu)特點，開展頭腦風(fēng)暴，通過藝術(shù)的設(shè)計，利用超輕黏土或橡皮泥制作細(xì)胞結(jié)構(gòu)創(chuàng)意作品或應(yīng)用3D造型技術(shù)制作的細(xì)胞結(jié)構(gòu)創(chuàng)意作品，例如掛飾、首飾、文具、玩具、燈具等。

6.4 學(xué)生活動3：展示模型，交流評價（16 min）

1）各小組參考評價標(biāo)準(zhǔn)，介紹本組模型的種類、設(shè)計思路、主要特點、細(xì)胞結(jié)構(gòu)創(chuàng)意作品和分工合作情況等，時間不超過2 min。

2）由小組1名代表和教師共同組成評審小組，參考評價標(biāo)準(zhǔn)，根據(jù)小組展示情況，在評價表（表4）中填寫評審結(jié)果，統(tǒng)計各組得分，評出等級。

6.5 學(xué)生活動4：生物學(xué)唯美詩朗誦（3 min）由2位學(xué)生進(jìn)行配樂詩朗誦“愛到細(xì)胞深處”。

6.6 教師點評，布置作業(yè)（2 min）教師宣布評分結(jié)果，進(jìn)行課堂小結(jié)，布置課后作業(yè)。

7 課后歸納、應(yīng)用、研究模型

布置學(xué)生課后繪制真核細(xì)胞亞顯微結(jié)構(gòu)的概念圖，進(jìn)行拓展練習(xí)，進(jìn)一步完善、研究、創(chuàng)新細(xì)胞結(jié)構(gòu)模型，擴(kuò)大學(xué)習(xí)成果。

8 教后反思

以實踐項目“嘗試制作真核細(xì)胞三維結(jié)構(gòu)模型”為例，開展STEAM融合生物學(xué)創(chuàng)客式教學(xué)的嘗試，收獲良多。

1）有利于改變學(xué)生被動的學(xué)習(xí)方式。真實情境的問題引領(lǐng)，環(huán)環(huán)相扣的深入探究，自主合作的小組學(xué)習(xí)，手腦并用的學(xué)習(xí)方式，新穎直觀的教學(xué)手段，STEAM教學(xué)資源的完美融合，多維教學(xué)目標(biāo)的評價激勵，STEAM創(chuàng)客成果的分享等，極大激發(fā)了學(xué)生學(xué)習(xí)的原動力，讓學(xué)生主動參與、積極思維、合作探究、深度學(xué)習(xí)，改變學(xué)生被動學(xué)習(xí)的學(xué)習(xí)方式。

2）有利于提高生物學(xué)教學(xué)效益。課堂反饋顯示，學(xué)生通過制作真核細(xì)胞三維結(jié)構(gòu)模型的深刻體驗，不僅學(xué)會了構(gòu)建物理模型的一般方法，加深了對真核細(xì)胞亞顯微結(jié)構(gòu)、細(xì)胞結(jié)構(gòu)與功能適應(yīng)等重、難點的理解，提高了生物學(xué)的教學(xué)效益。

3）有利于發(fā)展學(xué)生的生物學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)。在解決現(xiàn)實問題中綜合應(yīng)用所學(xué)的生物學(xué)、技術(shù)、工程、數(shù)學(xué)、人文、藝術(shù)等知識，提高學(xué)生的綜合應(yīng)用能力，培養(yǎng)學(xué)生發(fā)現(xiàn)自然科學(xué)之美和珍愛生命的情懷；學(xué)生在模型制作、探究實驗、實踐活動中學(xué)習(xí)科學(xué)知識，提高探究能力、實踐能力和創(chuàng)新能力，發(fā)展生物學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)。因此，STEAM教育也被作為當(dāng)前克服應(yīng)試教育弊端，深入推進(jìn)課程改革、素質(zhì)教育，培養(yǎng)21世紀(jì)創(chuàng)新人才的有效途徑。

4）開展STEAM融合生物學(xué)教學(xué)，更能體現(xiàn)“以評價促進(jìn)學(xué)生的學(xué)習(xí)與發(fā)展，重視評價的診斷作用、激勵作用和促進(jìn)作用。致力于創(chuàng)新一個主體多元、方法多樣、既關(guān)注學(xué)習(xí)成就又重視個體進(jìn)步和多方面發(fā)展的生物學(xué)課程評價體系”的理念。

5）STEAM教育要與我國科學(xué)教育實際相結(jié)合。目前STEAM教育在國內(nèi)還是個新興領(lǐng)域，尚未形成完整的理論體系和操作性強(qiáng)的教學(xué)模式。尚存在著教師對STEAM教育的理論、特點和教學(xué)方式缺乏深入理解，在實施過程中，容易出現(xiàn)缺乏科學(xué)的教學(xué)設(shè)計，缺乏基礎(chǔ)性學(xué)科知識融合、偽探究等問題。因此不能生搬硬套美國STEAM教育模式，應(yīng)結(jié)合我國生物科學(xué)教育的實際，汲取STEAM教育的精髓，繼承發(fā)揚(yáng)我國基礎(chǔ)教育課程內(nèi)容結(jié)構(gòu)嚴(yán)謹(jǐn)，系統(tǒng)性、邏輯性強(qiáng)的優(yōu)點，圍繞學(xué)生生物學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)的培養(yǎng)，突出生物學(xué)科特點，結(jié)合生物學(xué)教學(xué)實際，以項目式學(xué)習(xí)或?qū)嵺`活動為載體，靈活運(yùn)用STEAM跨學(xué)科教學(xué)資源，科學(xué)設(shè)計STEAM融合教學(xué)方案，合理安排教學(xué)時間，促進(jìn)學(xué)生在自主、合作、探究中提高學(xué)習(xí)效能，探索有中國特色STEAM融合生物學(xué)創(chuàng)客教學(xué)的方法途徑，為培養(yǎng)國家未來創(chuàng)新人才貢獻(xiàn)力量。