STEAM理念在高中生物學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用例析

張恒澤

(江蘇省鹽城市亭湖高級(jí)中學(xué) 鹽城 224005)

起源于美國(guó)的STEAM教育理念，其內(nèi)涵在于集科學(xué)、技術(shù)、工程、藝術(shù)和數(shù)學(xué)的有機(jī)整合和綜合教育，提高學(xué)生解決實(shí)際問(wèn)題和探究新問(wèn)題的能力。近兩年來(lái)江蘇省為推進(jìn)中小學(xué)教育改革與創(chuàng)新，實(shí)施了STEAM課程。本文以人教版高中生物學(xué)教材中的幾個(gè)實(shí)驗(yàn)為例，闡述如何在常見(jiàn)學(xué)生實(shí)驗(yàn)或演示實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，注重對(duì)學(xué)生STEAM思維及其能力的培養(yǎng)，提升創(chuàng)新素養(yǎng)；注重在實(shí)踐中創(chuàng)新設(shè)計(jì)，解決現(xiàn)實(shí)問(wèn)題[1]。

1 創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)流程，提升科學(xué)素養(yǎng)

科學(xué)實(shí)驗(yàn)是通過(guò)探索和觀察科研對(duì)象，通過(guò)人工控制和干預(yù)科研對(duì)象，從而能夠掌握有關(guān)機(jī)制和規(guī)律，最終實(shí)現(xiàn)預(yù)期的目的?？茖W(xué)實(shí)驗(yàn)中使用的儀器多，會(huì)使人獲得更精確、更豐富的感性材料。人教版高中生物學(xué)教材中的許多實(shí)驗(yàn)都能夠展現(xiàn)完整、豐富和真實(shí)的探究場(chǎng)景，學(xué)生可以獨(dú)立設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)、分析思路，還可以自主選擇課題。

例如，人教版選修1“酵母細(xì)胞固定化”的實(shí)驗(yàn)可以采用“項(xiàng)目創(chuàng)新導(dǎo)學(xué)”，即以項(xiàng)目為主線、教學(xué)目標(biāo)為指向，通過(guò)項(xiàng)目實(shí)施來(lái)組織課堂實(shí)驗(yàn)教學(xué)。指導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行項(xiàng)目實(shí)踐： ①擬定項(xiàng)目課題(酵母細(xì)胞固定化的制備)，②對(duì)項(xiàng)目任務(wù)進(jìn)行設(shè)計(jì)(海藻酸鈉的配置、活化酵母細(xì)胞、如何固定化、如何混合、發(fā)酵的條件、對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行觀察)，③對(duì)項(xiàng)目實(shí)施的推進(jìn)(課前對(duì)實(shí)驗(yàn)的準(zhǔn)備、對(duì)該項(xiàng)目進(jìn)行導(dǎo)學(xué)案的編制、項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)的構(gòu)成)，④項(xiàng)目評(píng)價(jià)的實(shí)施(組與組之間的互評(píng)、組內(nèi)個(gè)人自評(píng)、最終的綜合評(píng)價(jià))。讓學(xué)生在體驗(yàn)中成長(zhǎng)，在收獲中學(xué)習(xí)“酵母細(xì)胞固定化制備”的理論知識(shí)和操作要點(diǎn)，解答：“為什么采用包埋法固定酵母菌？常用的包埋的載體是什么？如何活化酵母菌？與直接使用酵母菌相比固定化酵母有何優(yōu)勢(shì)？為什么對(duì)配置的海藻酸鈉溶液需要小火間斷加熱？形成的蝌蚪狀凝膠珠的原因以及如何避免？”等科學(xué)問(wèn)題。在利用“項(xiàng)目創(chuàng)新”進(jìn)行實(shí)驗(yàn)導(dǎo)學(xué)時(shí)，學(xué)生可以根據(jù)凝膠珠的顏色和形態(tài)來(lái)進(jìn)一步理解操作的要領(lǐng)，摒棄傳統(tǒng)的“重過(guò)程、輕結(jié)果”課堂實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式，啟發(fā)和引領(lǐng)學(xué)生自主實(shí)驗(yàn)，提升學(xué)生的科學(xué)探究實(shí)驗(yàn)的能力、協(xié)作和創(chuàng)新能力，培養(yǎng)學(xué)生的項(xiàng)目創(chuàng)新意識(shí)。

2 視頻展示指導(dǎo)，提升技術(shù)素養(yǎng)

科學(xué)探究的基礎(chǔ)是以規(guī)范的實(shí)驗(yàn)操作為前提。如何規(guī)范學(xué)生的技術(shù)操作，在較短的時(shí)間內(nèi)能夠讓實(shí)驗(yàn)成功具有說(shuō)服力呢？除了按照教材提供的實(shí)驗(yàn)步驟進(jìn)行操作外，還要對(duì)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中可能出現(xiàn)的問(wèn)題進(jìn)行預(yù)設(shè)。教師課堂進(jìn)行演示實(shí)驗(yàn)雖然直觀，但可控性不強(qiáng)，可見(jiàn)度和預(yù)想的差距明顯。

例如，在“比較H2O2在不同條件下的分解”的實(shí)驗(yàn)中，學(xué)生在具體的操作中會(huì)碰到許多操作上的問(wèn)題和實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象上的疑惑，筆者將以往學(xué)生、實(shí)驗(yàn)員或任課教師的正確規(guī)范的操作過(guò)程分內(nèi)容拍成微視頻給學(xué)生播放： 如滴加新鮮肝臟研磨液和FeCl3溶液同時(shí)進(jìn)行有利于氣泡產(chǎn)生情況的比較分析；思考操作中新鮮肝臟研磨液和FeCl3溶液能否共用同一支滴管，如果共用結(jié)果會(huì)怎樣？如果選用的肝臟研磨液不新鮮會(huì)影響實(shí)驗(yàn)效果嗎？實(shí)驗(yàn)操作過(guò)程中試管的干凈程度、底物量的多少、反應(yīng)的時(shí)間的長(zhǎng)短等對(duì)實(shí)驗(yàn)的結(jié)果有影響嗎？用兩支帶火星的衛(wèi)生香分別同時(shí)插入兩支試管，可以看出兩支試管中產(chǎn)生氣體的助燃效果；兩支衛(wèi)生香插入試管的深度不同會(huì)對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果帶來(lái)意想不到的結(jié)果嗎？如果帶火星衛(wèi)生香不小心接觸到了試管內(nèi)壁，衛(wèi)生香熄滅還會(huì)導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)順利進(jìn)行嗎？依照對(duì)照實(shí)驗(yàn)中單因子變量的原則實(shí)驗(yàn)中用兩支帶火星的衛(wèi)生香是否合適？怎樣設(shè)計(jì)一種對(duì)兩支試管中產(chǎn)生的氣體的濃度進(jìn)行同步定性比較的裝置等？同時(shí)應(yīng)給予學(xué)生充分思考的時(shí)間。由于微視頻具有直觀、形象和生動(dòng)的特點(diǎn)，可將實(shí)驗(yàn)的步驟和細(xì)節(jié)精準(zhǔn)地呈現(xiàn)于課堂，打破了時(shí)空的局限，是課堂教學(xué)質(zhì)量提升的有益補(bǔ)充。

用“微”視頻代替操作要求高、相對(duì)抽象的實(shí)驗(yàn)，在進(jìn)行課堂實(shí)驗(yàn)教學(xué)時(shí)除了能夠提供真實(shí)的實(shí)驗(yàn)氛圍，還能夠變抽象為直觀，變繁瑣為簡(jiǎn)單，突破實(shí)驗(yàn)教學(xué)的難點(diǎn)，提升學(xué)生的獲得感，利于在生物學(xué)課堂實(shí)驗(yàn)教學(xué)中提升技術(shù)素養(yǎng)，規(guī)范技術(shù)操作。

3 在疑惑中探究，提升工程素養(yǎng)

工程素養(yǎng)是一種能力，是工程實(shí)踐的專業(yè)技術(shù)人員在活動(dòng)時(shí)所具備的適應(yīng)性和潛能。它是具備工程實(shí)踐操作能力、工程知識(shí)素養(yǎng)并以正確思維為導(dǎo)向的能力。

例如，在“酵母細(xì)胞固定化”的實(shí)驗(yàn)中，實(shí)驗(yàn)步驟包括： 在100 mL的燒杯中加入稱量好的0.7 g的海藻酸鈉，再加入10 mL的水，小火間斷加熱，注意攪拌，將海藻酸鈉調(diào)成黏稠狀，待完全融化用蒸餾水定容至10 mL等。這些操作看起來(lái)相對(duì)容易，實(shí)際上學(xué)生對(duì)“融化的程度、怎么加熱、怎么攪拌、實(shí)驗(yàn)操作的順序、注射器推動(dòng)時(shí)間間隔、凝膠珠在CaCl2溶液中的時(shí)間”等會(huì)出現(xiàn)各種各樣的狀況： 有的小組也在攪拌，但速度偏慢，海藻酸鈉焦湖粘在燒杯的內(nèi)壁上，給定容帶來(lái)困難；部分小組的學(xué)生海藻酸鈉濃度太大，易成團(tuán)不能分散，也難以估算，結(jié)果出現(xiàn)了蝌蚪狀的凝膠珠；也有小組學(xué)生的凝膠珠的顏色過(guò)淺呈現(xiàn)白色，原因是海藻酸鈉濃度太低，雖然注射方便，但包埋的酵母菌數(shù)量太少；有些小組學(xué)生在酵母細(xì)胞和海藻酸鈉還沒(méi)有充分混勻的時(shí)候，就馬上轉(zhuǎn)移到注射器中了；有的小組的學(xué)生加入活化的酵母細(xì)胞之前海藻酸鈉溶液還沒(méi)有冷卻至室溫，有小組的學(xué)生注射器推得太慢，有的推得太快……出現(xiàn)錯(cuò)誤反映了課堂實(shí)踐操作的真實(shí)狀況，教師可以引導(dǎo)學(xué)生直面錯(cuò)誤，思考如何改進(jìn)，這時(shí)可以把主動(dòng)權(quán)交給學(xué)生，在學(xué)生交流總結(jié)反思的基礎(chǔ)上，教師再播放一些關(guān)鍵的微視頻，鼓勵(lì)學(xué)生“識(shí)錯(cuò)、探錯(cuò)、改錯(cuò)”在走向柳暗花明的過(guò)程中破解難點(diǎn)，汲取教訓(xùn)，收獲喜悅，在重復(fù)實(shí)驗(yàn)時(shí)挖掘潛能。

實(shí)驗(yàn)課堂容許學(xué)生犯錯(cuò)，教師巧妙地利用好學(xué)生犯錯(cuò)的資源，在柳暗花明的過(guò)程中培養(yǎng)學(xué)生的批判性思維，在錯(cuò)誤中收獲精彩，提升學(xué)生的工程素養(yǎng)，也讓學(xué)生的意志品質(zhì)得到培養(yǎng)。

4 借助模型展示，提升藝術(shù)素養(yǎng)

高中生物學(xué)課堂實(shí)驗(yàn)教學(xué)中所呈現(xiàn)藝術(shù)形式的主體是學(xué)生，應(yīng)關(guān)注學(xué)生對(duì)自然界的感悟力、對(duì)人與自然的思考。學(xué)生可以通過(guò)實(shí)物模型來(lái)展示他們思考和探索的過(guò)程，模型呈現(xiàn)的過(guò)程需邏輯連貫、條理清晰，生物學(xué)模型制作的材料要合適、環(huán)保，追求藝術(shù)上的美感也是高中生物學(xué)實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ偷哪繕?biāo)。

例如，在必修2講完DNA的結(jié)構(gòu)和特性后，讓學(xué)生設(shè)計(jì)“DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)”模型時(shí)，傳統(tǒng)的方法是： 選擇7種不同顏色的彩色硬紙板，2種顏色代表五碳糖(制作成五邊形)，4種顏色代表含氮堿基(按照堿基互補(bǔ)配對(duì)原則制成相應(yīng)的帶缺口的長(zhǎng)方形)，剩下的1種顏色代表磷酸(制成圓形)，用鐵絲代表化學(xué)鍵。可以直觀理解DNA分子的兩條鏈反向平行，按照堿基互補(bǔ)配對(duì)原則形成規(guī)則的雙螺旋結(jié)構(gòu)，DNA為什么能夠作為遺傳物質(zhì)，它的穩(wěn)定性是怎么體現(xiàn)的，多樣性、特異性怎么理解，遺傳信息的實(shí)質(zhì)指的是什么，進(jìn)一步思考“親子鑒定”中為什么可以借助DNA來(lái)協(xié)助作出判斷。學(xué)生自己動(dòng)手制作出的模型一目了然，培養(yǎng)動(dòng)手能力和運(yùn)用知識(shí)解決新問(wèn)題的能力，也能獲得藝術(shù)感的喜悅。信息化時(shí)代提出了更高的要求，為了建立“DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)”模型可以借助更多的工具，在工程的方面可使用打印筆、3D打印機(jī)、傳感器和激光切割機(jī)等?？稍谀Ｐ椭屑尤腴_(kāi)源電子原型平臺(tái)Arduino、自動(dòng)化裝置和簡(jiǎn)易編程工具Scratch,讓學(xué)生的創(chuàng)意可視化。呈現(xiàn)作品的同時(shí)，要求學(xué)生配合講解“DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)”的特點(diǎn)，也是學(xué)生之間合作與分工的人文藝術(shù)的體現(xiàn)。

如何合理、按照比例設(shè)計(jì)模型，教師要鼓勵(lì)學(xué)生大膽嘗試，發(fā)揮想象，使模型更直觀，充分體現(xiàn)結(jié)構(gòu)決定功能的特性。STEAM教育理念強(qiáng)調(diào)分析和解決問(wèn)題的能力，在教學(xué)中多讓學(xué)生思考實(shí)際生活中的問(wèn)題。思考問(wèn)題的角度不局限在科學(xué)與技術(shù)的范圍，力求找到最佳解決問(wèn)題的方案。

5 探究改進(jìn)實(shí)驗(yàn)，提升數(shù)學(xué)素養(yǎng)

數(shù)學(xué)思維能力是一種解決問(wèn)題的能力，是用數(shù)學(xué)的觀點(diǎn)去思考和解決問(wèn)題的能力。數(shù)學(xué)學(xué)科知識(shí)具有高度的抽象性和邏輯性。對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)運(yùn)算、統(tǒng)計(jì)利于培養(yǎng)學(xué)生的數(shù)學(xué)思維能力和數(shù)學(xué)感知。

例如，在必修1“洋蔥質(zhì)壁分離與復(fù)原的實(shí)驗(yàn)”中，教材直接給出的濃度是0.3 g/mL的蔗糖溶液,可以考慮把驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)改成探究性實(shí)驗(yàn)，探究哪種蔗糖溶液更適合做質(zhì)壁分離的濃度，讓學(xué)生思考自己去解決問(wèn)題，有學(xué)生提出應(yīng)該圍繞0.3 g/mL的蔗糖濃度而展開(kāi)，可以選擇0.2 g/mL、 0.3 g/mL、 0.4 g/mL、 0.5 g/mL的蔗糖溶液對(duì)4張裝片的樣品進(jìn)行引流操作，同時(shí)拍攝錄像，持續(xù)15 min，結(jié)果如表1；再對(duì)上述4張裝片用蒸餾水進(jìn)行引流操作，同時(shí)拍攝錄像，持續(xù)10 min，結(jié)果如表2。通過(guò)兩個(gè)表格可以看出： 0.4 g/mL的蔗糖溶液才是該實(shí)驗(yàn)的最佳濃度。表面上看是解決了實(shí)驗(yàn)中的實(shí)際問(wèn)題，實(shí)際上是對(duì)實(shí)驗(yàn)的拓展、規(guī)范和改進(jìn)，學(xué)生通過(guò)親自操作和體驗(yàn)，使原本一節(jié)課解決不了的問(wèn)題，利用數(shù)學(xué)思維方式和富有創(chuàng)造力的改進(jìn)與探究得以解決。

表1 不同濃度蔗糖溶液處理15 min中細(xì)胞質(zhì)壁分離情況

表2 質(zhì)壁分離15 min后細(xì)胞質(zhì)壁分離復(fù)原的情況

教師在課堂實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，要讓學(xué)生融入實(shí)驗(yàn)的改進(jìn)與設(shè)計(jì)中，培養(yǎng)學(xué)生帶著問(wèn)題去實(shí)驗(yàn)操作、收集、整理、記錄、分析、處理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，可以通過(guò)曲線圖、表格、文字表述等定量完成實(shí)驗(yàn)結(jié)果。在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中通過(guò)學(xué)生之間、教師和學(xué)生之間對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的探究與對(duì)話，用數(shù)學(xué)思維去理解生物學(xué)的核心概念，去構(gòu)建高中生物學(xué)實(shí)驗(yàn)知識(shí)的網(wǎng)絡(luò)。