指尖的植物世界：STEAM視閾下的初中生物學(xué)校本實踐

徐益苗 趙曉燕 張 燁

（江蘇省南京市科利華中學(xué) 江蘇南京 210009）

本文是全國教育信息技術(shù)研究2017年度重點課題“基于初中智慧校園建設(shè)創(chuàng)設(shè)優(yōu)良學(xué)習(xí)生態(tài)的校本研究”（課題立項號為173220010）和江蘇省中小學(xué)教學(xué)研究第十二期立項課題“初中化學(xué)數(shù)字化實驗校本課程研發(fā)與實施研究”（課題立項號2017JK12-L001）的研究成果。

在提高學(xué)生解決實際問題能力需求的驅(qū)動下，現(xiàn)代教育越來越強調(diào)對學(xué)生應(yīng)用能力的培養(yǎng)。STEM教育在這一領(lǐng)域發(fā)揮了重要的作用，在此基礎(chǔ)上加入其他學(xué)科，如藝術(shù)（Art），就形成了STEAM。當(dāng)今國內(nèi)越來越重視STEM/STEAM教育，在《義務(wù)教育小學(xué)科學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版）》和《普通高中生物學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版）》中都對STEM進(jìn)行了解釋，并倡導(dǎo)跨學(xué)科的學(xué)習(xí)。同時，跨學(xué)科資源的開發(fā)也逐漸成為我國教育改革的趨勢和潮流。

1 指尖的植物世界：基于生物素材開發(fā)的校本實踐課程

“指尖的植物世界”是一門多學(xué)時，具有完整工藝流程，融合生物學(xué)、化學(xué)、工程、信息技術(shù)、藝術(shù)等多學(xué)科的STEAM類課程。該課程的開發(fā)主要是為了豐富學(xué)生的課外生物學(xué)實踐體驗，提升生物學(xué)學(xué)習(xí)的興趣和信心，增強其探究意識等。在課程中，學(xué)生分小組，根據(jù)不同的主題，選擇收集相應(yīng)的植物素材，而后匯報所收集植物的分類特點和價值。學(xué)習(xí)時，學(xué)生們可以走進(jìn)公園、植物園、花店、水果店，也可對身邊的植物進(jìn)行觀察和收集。通過吊牌、“形色”APP、上網(wǎng)查閱資料或詢問教師、專家等多種方式認(rèn)識所收集的植物素材，使本組的匯報更加準(zhǔn)確。通過分組學(xué)習(xí)，使成果呈現(xiàn)更加多元化的同時，也促進(jìn)了學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情。學(xué)生收集的植物素材將用于各種各樣的手工制品，如生物手工皂、人工琥珀等的制作。學(xué)生在實踐過程中不斷發(fā)現(xiàn)問題，并在團(tuán)隊合作中解決問題，這也是STEAM教育特別重視的內(nèi)涵。

2 生物手工皂制作：課程實施框架和主要內(nèi)容

“指尖的植物世界”作為基于STEAM的校本實踐類課程，致力于通過學(xué)生動手實踐，實現(xiàn)生物學(xué)核心素養(yǎng)發(fā)展和跨學(xué)科能力的提高。圖1是本課程的實施框架，具體呈現(xiàn)了課程實施過程中的主體和各要素之間如何相互作用來實現(xiàn)最終課程目標(biāo)：“工藝優(yōu)化”環(huán)節(jié)的目標(biāo)指向發(fā)展生物學(xué)核心素養(yǎng)中的“科學(xué)思維”水平與“科學(xué)探究”能力；通過小組中個人的“責(zé)任擔(dān)當(dāng)”，模擬了在社會環(huán)境下的“社會責(zé)任”。

“生物手工皂制作”是“指尖的植物世界”中的一個內(nèi)容，是從學(xué)生采集、處理植物素材，直到制作生物手工皂的全過程。本課題在具體的實施過程中主要分為5個步驟，分別是植物素材的準(zhǔn)備、天然色素的制備、皂基的制備、模具的3D打印和生物手工皂的制作。下面以生物手工皂制作為例，介紹該課程實施的主要內(nèi)容。

2.1 植物素材的準(zhǔn)備

學(xué)生以小組為單位，領(lǐng)取本組的主題（如植物的葉、果實、花等），在主題范圍內(nèi)收集素材不少于6種，為后續(xù)手工皂制作留存多樣化的原材料。收集素材后，以小組為單位，介紹本組收集的多種植物的形態(tài)結(jié)構(gòu)特點、分布情況和相關(guān)人文知識。同時，考慮到是為手工皂制作儲備素材，因此該類素材不宜過大或者過厚，對過大或過厚的材料進(jìn)行相應(yīng)處理。在討論中，有學(xué)生表示從收集到制作仍有相當(dāng)長的一段時間，進(jìn)而提出了植物素材的保存問題。學(xué)生在嘗試干燥和真空等處理方法后，最終發(fā)現(xiàn)：干燥處理不僅解決了植物素材的保存問題，還提高了其熱穩(wěn)定性，使其在后續(xù)手工皂制作環(huán)節(jié)中有著更好的表現(xiàn)。干燥處理的具體方法為：取合適大小、厚度的植物素材（大而厚的果實類素材可以用切片器將其切成薄片），將其放置于烘干機(jī)中，表面壓上塑料隔層防止植物素材因失水發(fā)生卷曲，設(shè)置溫度為40～50°C，放置6～10 h后取出。取出后，有條件可以真空壓平保存，確保植物素材能得到更好、更長時間的保存。

2.2 天然色素的制備

生物手工皂可以有絢爛的顏色，而五彩繽紛的植物世界正是天然色素的寶庫。在色素制備環(huán)節(jié)，以蘇教版實驗“綠葉在光下產(chǎn)生淀粉”中“酒精脫色”為例，引導(dǎo)學(xué)生思考并設(shè)計色素制備的方法。學(xué)生通過課外資料查閱，了解到常見的植物色素中葉綠素、柑橘皮黃等溶于酒精（乙醇），莧菜紅、桑葚紅等易溶于水。各小組針對所需的不同顏色，采取不同的手段進(jìn)行簡單的色素制備。

2.2.1 葉綠素、柑橘皮黃等色素的制備

取整個植物材料（如綠葉），或?qū)⒅参锊牧霞羲椋ㄈ玳倨ぃ┎⒓尤攵趸柩心?，同時加入適量酒精，水浴加熱一段時間，視顏色深度足夠后靜置取上清，或過濾后使用。

2.2.2 莧菜紅、桑葚紅等色素的制備

取易出顏色的植物材料（如莧菜、桑葚、紅心火龍果等），直接或搗碎后加入適量水并加熱，待顏色足夠深后取上清液，或過濾后使用。

2.3 皂基的制備

基于初中學(xué)生化學(xué)基礎(chǔ)普遍薄弱的特點，在皂基制作前，教師就皂化反應(yīng)的原理進(jìn)行適當(dāng)?shù)慕榻B，同時也可以引導(dǎo)學(xué)生通過資料查閱主動尋找皂基制作的方法。皂基制備是一項具有一定技術(shù)要求的工藝，制作過程中溫度、時間、乙醇用量等因素都影響著最后的產(chǎn)品質(zhì)量。實驗室制備生物手工皂皂基采用的反應(yīng)體系見表1。油、乙醇和堿在75°C條件下攪拌（1 500～2 100 rpm）完全反應(yīng)60 min，該過程使用加熱型磁力攪拌設(shè)備，隨后加入甘油和蔗糖，在6℃充分溶解，最后加入鈣皂分散劑（AES、BS-12）等其他原料，低溫（0℃以下）快速冷卻即完成制備。制作好的皂基放置2周左右時間，待水與酒精適當(dāng)蒸發(fā)后再使用。使用前將其切小，以免重新塑形時出現(xiàn)受熱不均勻的現(xiàn)象。

表1 生產(chǎn)1000g透明皂基使用的原料表

2.4 模具的3D打印

學(xué)生可以從網(wǎng)絡(luò)上下載各類3D資源進(jìn)行二次加工，也可以利用多種3D建模類軟件實現(xiàn)簡單的手工皂模具的建模。以SketchUp Pro（Trimble Navigation）為例，介紹模具建模過程中模具中空操作的實現(xiàn)。在安裝好軟件后，通過“文件”、“新建”操作來新建一個窗口，如窗口內(nèi)有默認(rèn)圖形則選中按鍵盤“Delete”刪除。以矩形模具建模為例介紹操作方法：（1）點擊快捷工具欄中的“矩形”，在xy軸（紅線和綠線）方向拉出一個大小合適的矩形，大小可以在界面右下角數(shù)值中顯示；（2）點擊快捷工具欄中的“推/拉”，以剛建立的矩形為起點，向z軸（藍(lán)線）正方向拉出高度，這樣就完成了一個長方體（立方體）的構(gòu)建；（3）點擊快捷工具欄中的“偏移”按鈕，在立體圖形的頂面上拉出一個比頂面略小的矩形；（4）點擊選中“推/拉”，以剛建立的內(nèi)部小矩形為起點，沿z軸（藍(lán)線）負(fù)方向向下拉出深度。至此，模具的主體就構(gòu)建完成。學(xué)生可以通過類似的方法制作出各種形狀、各種造型的模具，并可以在底部實現(xiàn)字體浮雕等個性化修飾。SketchUp Pro制作出的模型不能直接打印，需要通過MeshLab、3D Max等轉(zhuǎn)換成stl文件后方可連接3D打印機(jī)進(jìn)行打印。

2.5 生物手工皂制作

在準(zhǔn)備好前期材料后，就可以進(jìn)行生物手工皂制作。首先，加熱將皂基重新熔化，將熔化后的皂液分給每組學(xué)生。學(xué)生可以根據(jù)喜好，向皂液中添加適量的香精，使得手工皂具有一定的香味。在染色過程中有兩種可選的方法：①均勻染色，將前期制作好的色素加入皂液中，攪拌均勻后將皂液倒入模具中；②漸變?nèi)旧?，將皂液倒入模具中后再加入色素，攪拌約10 s。由于皂液密度較大，這樣操作使得色素易浮于皂液表面，導(dǎo)致手工皂由下至上呈現(xiàn)出顏色深度逐漸變化的效果。在攪拌的過程中易出現(xiàn)泡沫，用刮子刮可以有效去除表面泡沫，使手工皂表面平滑美觀。最后，將之前準(zhǔn)備好的植物素材直接或經(jīng)過適當(dāng)剪切后置于皂液上層，從藝術(shù)感與美學(xué)的角度擺出之前設(shè)計好的造型。皂液在冷卻后可定形。冷卻操作可以將模具放置于冰箱中約15 min或冷水中約25 min，輕輕晃動待觀察到表面無流動感后，即可將手工皂從模具中取出。至此，一枚精美的手工皂制作完成（圖2）。

3 實踐：課程最美的語言

校本課程區(qū)別于國家課程，其在目標(biāo)上更側(cè)重學(xué)生生物學(xué)興趣的培養(yǎng)和個性的彰顯，更注重于學(xué)生思維、意志和情感的發(fā)展；在內(nèi)容上強調(diào)參與性、探究性和實踐性?！爸讣獾闹参锸澜纭本褪窃谶@一理念下設(shè)計的STEAM實踐類校本課程：通過學(xué)生選課，對生物學(xué)或手工制作感興趣的學(xué)生作為出發(fā)點；在相同興趣的基礎(chǔ)上，學(xué)生以小組的形式參與了戶外生物素材收集、辨識和后續(xù)針對制作流程中各環(huán)節(jié)的體驗和優(yōu)化。在歷經(jīng)近半學(xué)期的課程活動后，當(dāng)最終作品得以呈現(xiàn)的那一時刻，學(xué)生收獲的不僅是欣喜與快樂，更多的是親身的付出，和在此過程中生物學(xué)核心素養(yǎng)的發(fā)展與跨學(xué)科能力的提高。

實踐，是課程最美的語言：只有當(dāng)師生們參與進(jìn)來，動起手來，才能不斷發(fā)現(xiàn)問題，才會迸發(fā)出更多的智慧，才造就了更好的作品和靈魂。