基于STEAM 理念的實(shí)驗(yàn)教學(xué)設(shè)計(jì)
——以用玻璃珠模擬生物學(xué)實(shí)驗(yàn)為例

安徽省亳州市利辛高級(jí)中學(xué) 王子武

一、STEAM 教育理念概述

STEAM 教育起源于美國(guó)，相當(dāng)于我國(guó)提出的素質(zhì)教育，最早由美國(guó)政府提出，是信息全球化時(shí)代融合了多種學(xué)科的新型教育理念。STEAM 教育的前身是STEM 教育，STEM 即科學(xué)（Science）、技術(shù)（Technology）、工程（Engineering）、數(shù)學(xué)（Mathematics）的首字母組合，旨在教育教學(xué)中打破學(xué)科界限，將科學(xué)、技術(shù)、工程、數(shù)學(xué)等學(xué)科知識(shí)深度融合，通過對(duì)不同學(xué)科知識(shí)的綜合應(yīng)用解決實(shí)際問題，培養(yǎng)學(xué)生的綜合素養(yǎng)，提升人才的競(jìng)爭(zhēng)力。

STEM 教育理念強(qiáng)調(diào)跨學(xué)科融合，培養(yǎng)學(xué)生對(duì)知識(shí)的綜合運(yùn)用能力和解決現(xiàn)實(shí)問題的能力。這一理念正被越來越多的人認(rèn)可，并由學(xué)者將“STEM”豐富為“STEAM”。STEAM 中的“A”（Art）意指“人文藝術(shù)”，其強(qiáng)調(diào)教學(xué)過程中的趣味性與藝術(shù)性。

STEAM 教育是以項(xiàng)目為主線、教師為主導(dǎo)、學(xué)生為主體的一種合作探究的教育模式，注重學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中的體驗(yàn)，將學(xué)習(xí)知識(shí)與實(shí)際問題相結(jié)合；將科學(xué)、技術(shù)、工程、藝術(shù)和數(shù)學(xué)的思維、方法、態(tài)度等置于學(xué)生能理解的項(xiàng)目情境中，培養(yǎng)學(xué)生協(xié)同能力與多學(xué)科知識(shí)運(yùn)用的綜合能力，有助于學(xué)生在課程學(xué)習(xí)中創(chuàng)新與創(chuàng)造。

二、用玻璃珠模擬生物學(xué)實(shí)驗(yàn)

（一）模擬標(biāo)志重捕法

標(biāo)志重捕法是調(diào)查動(dòng)物種群密度的一種重要方法，其具體操作過程及計(jì)算方法為：在一定的自然區(qū)域內(nèi)捕獲某種動(dòng)物M 個(gè)，做上標(biāo)記之后放回，一段時(shí)間后進(jìn)行第二次捕獲，第二次捕獲動(dòng)物的數(shù)量為n 個(gè)，其中有標(biāo)記的個(gè)體為m 個(gè)，即可求出該自然區(qū)域內(nèi)該動(dòng)物的總數(shù)（N）為Mn/m 個(gè)。但該方法比較抽象，學(xué)生又很難有機(jī)會(huì)實(shí)地操作。如果利用玻璃珠模擬實(shí)驗(yàn)，學(xué)生通過操作可以輕松地理解和掌握。

1.實(shí)驗(yàn)器材

500ml 的大燒杯一個(gè)，大小和材質(zhì)相同的黃色玻璃珠100 個(gè)、紅色玻璃珠20 個(gè)，記錄用的筆和紙。

2.模擬過程

（1）實(shí)驗(yàn)前準(zhǔn)備：教師隨機(jī)在大燒杯中放入黃色玻璃珠若干，記為N（50 ＜N ＜100）。

（2）第一次抓?。簩W(xué)生隨機(jī)從燒杯中抓取黃色玻璃珠M個(gè)（10 ＜M ＜20），并記錄數(shù)量，然后把抓取的黃色玻璃珠換成紅色，代表對(duì)動(dòng)物做標(biāo)記，然后原數(shù)放回?zé)u勻。

（3）第二次抓?。簩W(xué)生再隨機(jī)抓取玻璃珠n 個(gè)（10 ＜n＜20），記錄數(shù)量，并統(tǒng)計(jì)其中紅色玻璃珠的數(shù)量記為m。

（4）計(jì)算結(jié)果：根據(jù)公式N=Mn/m，計(jì)算出N 的數(shù)量，將數(shù)據(jù)記入表1，并與教師實(shí)際放入的數(shù)量進(jìn)行比較，分析誤差。

表1 標(biāo)志重捕法模擬實(shí)驗(yàn)數(shù)量統(tǒng)計(jì)表

3.注意事項(xiàng)

（1）第一次放入的玻璃珠要盡量多，數(shù)量越多誤差越小。

（2）第二次抓取時(shí)應(yīng)閉上眼睛隨機(jī)抓取，以免人為因素影響實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

（二）模擬分離定律

分離定律又稱孟德爾第一定律，是指控制生物性狀的遺傳因子在體細(xì)胞中成對(duì)存在，形成配子時(shí)遺傳因子發(fā)生分離，進(jìn)入不同的配子中，隨配子遺傳給后代?？捎脽泶菩叟渥拥纳称鞴?，不同顏色的玻璃珠代表含不同遺傳因子的配子，進(jìn)行模擬實(shí)驗(yàn)，取材方便，操作簡(jiǎn)單。

1.實(shí)驗(yàn)器材

500ml 的大燒杯2 個(gè)，紅色和黃色的玻璃珠各20 個(gè)，記錄用的筆和紙。

2.模擬過程

（1）分組編號(hào)：將燒杯分為兩組，編號(hào)甲（♀）、乙（♂），分別在甲、乙兩個(gè)燒杯中放入紅色和黃色的玻璃珠各10 個(gè)并搖勻，其中紅色玻璃珠代表遺傳因子A，黃色玻璃珠代表遺傳因子a。

（2）模擬操作：分別從甲、乙兩個(gè)燒杯中各隨機(jī)抓取玻璃珠一個(gè)，組合并記錄。

（3）重復(fù)實(shí)驗(yàn)：將玻璃珠放回原來的燒杯中，重復(fù)步驟（2）若干次。

（4）統(tǒng)計(jì)結(jié)果：統(tǒng)計(jì)AA、Aa、aa 組合的數(shù)量及比例記入表2。

表2 分離定律模擬實(shí)驗(yàn)結(jié)果統(tǒng)計(jì)表

3.注意事項(xiàng)

（1）每次抓取的玻璃珠一定要放回原來的燒杯中，并搖勻，以保證每次抓取的紅色和黃色玻璃珠的概率相同。

（2）重復(fù)次數(shù)盡量多，數(shù)量越多實(shí)驗(yàn)誤差越小。

（三）模擬自由組合定律

自由組合定律又稱為孟德爾第二大定律，比分離定律更為復(fù)雜和抽象。而且教材上并沒有相關(guān)的模擬實(shí)驗(yàn)，這給學(xué)生的認(rèn)知帶來一定的障礙。通過玻璃珠模擬實(shí)驗(yàn)并動(dòng)手操作，學(xué)生更易理解自由組合定律的實(shí)質(zhì)。

1.實(shí)驗(yàn)器材

500ml 的大燒杯4 個(gè)，紅、黃、藍(lán)、綠四色的玻璃珠各20個(gè)，記錄用的筆和紙。

2.模擬過程

（1）分組編號(hào)：將4 個(gè)燒杯分為甲（♀）、乙（♂）兩大組，每組2 個(gè)。甲組的燒杯編號(hào)為甲1 和甲2，乙組的燒杯編號(hào)為乙1 和乙2。在甲1 和乙1 燒杯中分別放入紅色和黃色的玻璃珠各10 個(gè)，表示遺傳因子A 和a，在甲2 和乙2 燒杯中分別放入藍(lán)色和綠色的玻璃珠各10 個(gè)，表示遺傳因子B 和b，搖勻。

（2）模擬操作：從甲1、甲2、乙1、乙2 四個(gè)燒杯中各隨機(jī)抓取玻璃珠一個(gè)，組合并記錄。

（3）重復(fù)試驗(yàn)：將玻璃珠放回原來的燒杯中，重復(fù)步驟（2）若干次。

（4）統(tǒng)計(jì)結(jié)果：統(tǒng)計(jì)AB、Abb、aaB、aabb 組合的數(shù)量及比例記入表3。

表3 自由組合定律模擬實(shí)驗(yàn)結(jié)果統(tǒng)計(jì)表

3.注意事項(xiàng)

（1）每次抓取的玻璃珠一定要放回原來的燒杯中，并搖勻，以保證每次抓取的紅色與黃色、藍(lán)色與綠色的玻璃珠的概率相同。

（2）重復(fù)實(shí)驗(yàn)50 次以上，重復(fù)的次數(shù)越多，實(shí)驗(yàn)結(jié)果越準(zhǔn)確。

三、將STEAM 教育應(yīng)用于生物實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的意義

（一）是時(shí)代發(fā)展的要求

STEAM 教育已經(jīng)成為國(guó)際和國(guó)內(nèi)教育者研究的熱點(diǎn)問題，當(dāng)前學(xué)者研究的主要方向是STEAM 理念的實(shí)踐以及與學(xué)科教學(xué)的深度融合。教育部2016 年印發(fā)的《教育信息化“十三五”規(guī)劃（2016—2020 年）》中，倡導(dǎo)有條件的地區(qū)和學(xué)校要積極探索STEAM 教育、創(chuàng)客教育等新的教育模式的應(yīng)用，促進(jìn)學(xué)生的全面發(fā)展，培養(yǎng)適應(yīng)新時(shí)代的高素質(zhì)人才?！镀胀ǜ咧猩飳W(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017 年版）》也要求，教師要多關(guān)注學(xué)生學(xué)習(xí)過程中的實(shí)踐經(jīng)歷，用科學(xué)的知識(shí)、觀點(diǎn)、思路和方法，通過探究性學(xué)習(xí)或完成工程學(xué)任務(wù)，探討或解決現(xiàn)實(shí)生活中遇到的問題。通過前文分析，科學(xué)地將STEAM 教育理念融入生物學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)來培養(yǎng)學(xué)生的生物學(xué)核心素養(yǎng)是必要且可行的?；赟TEAM 教育理念的生物學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)設(shè)計(jì)，生物學(xué)習(xí)將打破傳統(tǒng)教學(xué)模式，使學(xué)生真正成為學(xué)習(xí)的主人，能更好地達(dá)成培養(yǎng)學(xué)生的生物學(xué)核心素養(yǎng)的目標(biāo)。

（二）是培養(yǎng)學(xué)生核心素養(yǎng)目標(biāo)的要求

STEAM 教育的最終目的是實(shí)現(xiàn)公民終身、全面的發(fā)展，而我國(guó)學(xué)生發(fā)展核心素養(yǎng)目標(biāo)是培養(yǎng)全面發(fā)展的人；STEAM教育強(qiáng)調(diào)跨學(xué)科的融合，而核心素養(yǎng)的培養(yǎng)也離不開多學(xué)科有機(jī)整合；STEAM 教育以實(shí)際生活問題和項(xiàng)目展開探究，而核心素養(yǎng)教育也需要?jiǎng)?chuàng)設(shè)真實(shí)情境；STEAM 教育是以學(xué)科知識(shí)為載體進(jìn)行的多學(xué)科知識(shí)的深層次融合，獨(dú)具教育體系和內(nèi)涵，而生物核心素養(yǎng)的形成同樣依賴于多方面的知識(shí)。STEAM 教育和核心素養(yǎng)教育都強(qiáng)調(diào)學(xué)生的主體地位，教師需進(jìn)行相應(yīng)的引導(dǎo)。生物學(xué)的課程設(shè)計(jì)和實(shí)施，是以學(xué)科核心素養(yǎng)的培養(yǎng)為根本目標(biāo)的，是理論知識(shí)與實(shí)際應(yīng)用的結(jié)合，要引導(dǎo)學(xué)生從生物角度去思考和解決問題，從而認(rèn)識(shí)世界。由此看來，STEAM 教育與核心素養(yǎng)具有很多相似性，利用STEAM 教育理念培養(yǎng)生物核心素養(yǎng)可以更好地落實(shí)新課標(biāo)的教育目標(biāo)。

STEAM 教育已經(jīng)成為當(dāng)前世界各國(guó)教育界實(shí)施與發(fā)展探索的熱點(diǎn)方向，將科學(xué)的STEAM 教育理念融入生物學(xué)科來培養(yǎng)生物核心素養(yǎng)是可行且必要的。在生物教學(xué)中融入STEAM 教育理念，生物學(xué)習(xí)將打破傳統(tǒng)教學(xué)模式，讓學(xué)生真正成為學(xué)習(xí)的主人，能更好地落實(shí)學(xué)生生物核心素養(yǎng)的培養(yǎng)，促進(jìn)學(xué)生的個(gè)人發(fā)展與社會(huì)價(jià)值的實(shí)現(xiàn)。當(dāng)然，要想真正實(shí)現(xiàn)運(yùn)用STEAM 教育理念來培養(yǎng)學(xué)生的生物核心素養(yǎng)，還需要在進(jìn)一步的STEAM 教育和生物學(xué)科的融合與對(duì)接實(shí)踐中完成。