STEAM教育在高校生物實驗課的教學(xué)改革與實踐

余春紅 馬小英 生悅 呂沫

[摘 要] STEAM教育是跨學(xué)科整合的一種綜合教育模式。該教學(xué)項目從不同的角度，將STEAM教育理念融入生物學(xué)實驗教學(xué)方法的設(shè)計中，使學(xué)生在理解生物學(xué)知識的基礎(chǔ)上，體會藝術(shù)與科學(xué)的交叉融合，體驗科學(xué)實驗的樂趣。不僅有助于加深理解和掌握相關(guān)的生物學(xué)知識，也能提高教學(xué)語言的藝術(shù)性，活躍學(xué)生的學(xué)習(xí)思維，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，增強教學(xué)效果。該教學(xué)方法的改革實踐受到同行和學(xué)生的好評，收到良好的教學(xué)效果，同時也提升了學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)。

[關(guān)鍵詞] 生物學(xué);高校實驗教學(xué);STEAM教育

[基金項目] 2017年度南方科技大學(xué)教育教學(xué)改革項目“MOOC環(huán)境下的微生物學(xué)實驗教學(xué)微課程建設(shè)研究”（JG201703）;2017年度廣東省級本科高校質(zhì)量工程項目“南方科技大學(xué)生命科學(xué)實驗教學(xué)中心”（SJZLGC201701）;2018年度南方科技大學(xué)質(zhì)量工程項目“微生物實驗SPOC翻轉(zhuǎn)課堂”（XJZLGC201802）

[作者簡介] 余春紅（1977—），女，江西德安人，理學(xué)博士，南方科技大學(xué)生物系教學(xué)工程師，主要從事生物實驗教學(xué)與研究;呂沫（1982—），女，黑龍江哈爾濱人，理學(xué)博士，南方科技大學(xué)生物系教學(xué)工程師（通信作者），主要從事生物實驗教學(xué)與研究。

[中圖分類號] G642.0? ?[文獻(xiàn)標(biāo)識碼] A? ? [文章編號]1674-9324（2021）02-0065-04? ?[收稿日期] 2020-04-21

中國文化源遠(yuǎn)流長，詩詞和音樂都是中華古典文學(xué)的瑰寶，包含深刻的文化底蘊，而且有些詩詞中也蘊藏著豐富的生物學(xué)知識。STEAM教育就是將科學(xué)（Science）、技術(shù)（Technology）、工程（Engineering）、藝術(shù)（Art）及數(shù)學(xué)（Mathematics）五個學(xué)科的相互整合的綜合性教育方式。當(dāng)下，STEAM教育在教育教學(xué)的發(fā)展中提升了科技發(fā)展的競爭力，強調(diào)對學(xué)生綜合素養(yǎng)和能力的培養(yǎng)。本教師團(tuán)隊在生物學(xué)的課堂教學(xué)中，將生物學(xué)知識與詩詞文化和音樂巧妙結(jié)合，不僅有助于加深理解和掌握相關(guān)的生物學(xué)知識，也能提高教學(xué)語言的藝術(shù)性，有利于活躍學(xué)生的學(xué)習(xí)思維，激發(fā)學(xué)生們的學(xué)習(xí)興趣，增強教學(xué)效果。這類實踐目前有見于理論課教學(xué)，且以引用古詩詞為主[1]。本文結(jié)合該教學(xué)團(tuán)隊近幾年在生物實驗課程中的教學(xué)改革與實踐，淺談一些根據(jù)實驗課程內(nèi)容引用和自編詩詞兼用，并且配以音樂制作短視頻的教學(xué)實踐方法。

一、與詩詞相結(jié)合的生物學(xué)知識授課

以普通生物學(xué)實驗課中的一節(jié)“校園植物多樣性”為例。實驗?zāi)康氖钦J(rèn)識校園中的代表性植物，感受校園風(fēng)光。在這節(jié)課里，教師精心策劃了人文和詩詞的導(dǎo)入，通過人文和古詩詞中的故事情節(jié)引入要講授的課程內(nèi)容，將生物學(xué)知識和人文知識相結(jié)合，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，啟發(fā)學(xué)生思考。例如，在介紹木棉（木棉科）時，引用清代詩人陳恭尹的《木棉花歌》，第一句“粵江二月三月天，千樹萬樹朱花開”。啟發(fā)學(xué)生觀察木棉花開的季節(jié)和花的形態(tài)特征，然后再切入主題，引發(fā)學(xué)生思考木棉的開花時期。下一句“覆之如鈴仰如爵，赤瓣熊熊星有角”引發(fā)學(xué)生觀察木棉花的特有形狀，像5個角的鈴鐺。再有“愿為飛絮衣天下，不道邊風(fēng)朔雪寒”指的是木棉花落結(jié)果，果莢開裂釋放的棉絮可以做織衣的用途和奉獻(xiàn)精神，進(jìn)而展開介紹木棉花作為中國近代和現(xiàn)代革命的策源地——廣州的市花，也叫英雄樹，象征著廣州蓬勃向上的事業(yè)和生機，激勵著人們報效祖國的豪情壯志。講完《木棉花歌》之后，為加固學(xué)生對木棉形狀特征和所蘊含精神的理解，教學(xué)團(tuán)隊拍攝校園內(nèi)的木棉圖，配以自編詩詞：“滿眼一園綠，獨見一樹紅。形如鈴角散，魂譽烈英忠。雖妍無千媚，英氣蓋皓穹?；ㄇ案柙诙?，何處覓英雄？”通過誦讀詩歌加深學(xué)生印象。

除了木棉，校園中還有很多植物，如鐵樹、紫薇、荷花、刺桐等，有很多古詩詞都是描述它們的特征和美態(tài)，而且在這些詩詞中也寄托了詩人的情思，將它們引入教學(xué)中，可以激發(fā)學(xué)生的思考和對大自然的贊美之情。但有時候，古詩詞中的情思不足以滿足課程教學(xué)的導(dǎo)向。為此，教學(xué)團(tuán)隊的教師自編了些拙詩小詞分享給學(xué)生，既描述植物又適當(dāng)加入一些愛學(xué)生、愛校園的教師情懷。例如介紹校園中一棵百年小葉榕時，自編詩詞《百年古榕》，前四句描述小葉榕的枝繁葉茂和百年滄桑，后四句“今逢盛世聆書聲，靜看高教改革興。盼見桃李譽天下，榕下共敘母校情”，形容百年古榕見證母校高等教育改革的成功，盼著學(xué)子們成才。

在課堂教學(xué)中加入這些詩詞，大大增強了學(xué)生們的學(xué)習(xí)興趣。教學(xué)團(tuán)隊的教師拍攝了校園植物不同生長時期的照片，把植物照片按照花、葉的形態(tài)和樹木的生理特性分成三組，第一組圖片介紹校園里可以開花的植物，主題為“亂花漸欲迷人眼”（詩詞出自白居易的《錢塘湖春行》），向?qū)W生介紹多姿多彩的開花植物。第二組圖片介紹校園里不同葉型的植物，主題為“百葉繽紛斗芳菲”，介紹植物葉片不同的形狀特征，近距離觀察校園中植物葉片形狀的千姿百態(tài)，借此機會可以讓每天刻苦學(xué)習(xí)的學(xué)生近距離感受植物細(xì)微的美，享受大自然的美。第三組圖片介紹不同種類的樹木，主題為“樹有千姿各不同”，校園里有很多很美的熱帶樹木，通過觀察和欣賞這些樹木，可以隱隱感受到夏天的炎熱與樹下的清涼。最后，綜合校園內(nèi)各種植物的景色，配上詩詞和古典輕音樂，制作成音樂視頻課件，播放給學(xué)生欣賞。在視頻的末尾，特別地用一首自編的如夢令“今日南科信步，暫別墨香書蠹。喜小溪清幽，細(xì)潤芳菲一路。且住，且住，凝聽樹語花賦！”開啟徒步校園實地辨認(rèn)植物之旅。雖然自編的詩詞水平比不上古詩詞，但是這種寓詩于教，用音樂視頻做教學(xué)展示的教學(xué)方式很受學(xué)生歡迎，營造了輕松且具有古典韻味的校園意境。學(xué)生評價說“每天都要走過的校園從現(xiàn)在起感覺再不一樣了”。此課件參加“2016年南科大青年教師授課競賽”，獲得實驗組特等獎，有評委說“雖然天天走在校園里，但第一次感覺到校園里的詩情畫意”。通過幾年的教學(xué)實踐和學(xué)生、評委的評價，客觀地反映出這種教學(xué)模式改革初步的成功。

二、與詩詞相結(jié)合的學(xué)生實驗結(jié)果引導(dǎo)

“生活中不是缺少美，而是缺少發(fā)現(xiàn)美的眼睛”。生物實驗不是枯燥的，只是缺乏挖掘的角度。教學(xué)團(tuán)隊的教師從不同的角度，將詩詞融入實驗教學(xué)方法的設(shè)計中，引發(fā)學(xué)生從不同的視角去進(jìn)行實驗操作和分析實驗結(jié)果。同一個實驗結(jié)果，經(jīng)過教師對教學(xué)模式的巧妙設(shè)計，使學(xué)生在做實驗的同時，也體驗到實驗的樂趣。以本校大學(xué)二年級生物系開放的微生物學(xué)實驗課為例，學(xué)生需要使用接菌環(huán)進(jìn)行實驗操作，而且接菌環(huán)必須要通過酒精燈火焰燒紅才能達(dá)到消毒殺菌的效果，燒紅之后的接種環(huán)很燙，直接接種容易燙死實驗菌株，因此必須要放涼至室溫才能繼續(xù)進(jìn)行下一步的實驗操作，并且實驗操作的全過程需要在酒精燈旁完成，學(xué)生很容易漏掉其中幾個環(huán)節(jié)。因此，教師自編詩詞“紅透環(huán)絲須放涼，輕輕劃線倚火旁”。學(xué)生通過記住詩詞從而記住實驗操作的要點。通過觀察，學(xué)生的實驗結(jié)果出現(xiàn)錯誤的情況逐漸減少，說明這種詩詞相結(jié)合的實驗教學(xué)模式可以達(dá)到良好的教學(xué)效果，是一種教學(xué)模式的創(chuàng)新。

還有一節(jié)課是講解革蘭氏染色的方法，革蘭氏染色是鑒別革蘭氏陽性細(xì)菌和陰性細(xì)菌的常用實驗方法[2]。通過詩詞相結(jié)合的教學(xué)方式也收到了不錯的教學(xué)效果。染色流程是細(xì)菌樣品先經(jīng)過結(jié)晶紫初染和革蘭氏碘液媒染，結(jié)晶紫與碘的復(fù)合物在細(xì)胞壁內(nèi)形成和沉積，然后再經(jīng)乙醇脫色、番紅復(fù)染。革蘭氏陽性菌由于細(xì)胞壁中肽聚糖層厚、交聯(lián)致密，脂質(zhì)含量低，在遇乙醇脫色時細(xì)胞壁脫水，網(wǎng)孔因失水縮小，結(jié)晶紫與碘復(fù)合物被留在壁內(nèi)，最終結(jié)果細(xì)菌呈現(xiàn)出藍(lán)紫色。而革蘭氏陰性菌因其細(xì)胞壁肽聚糖層薄、外膜層類脂含量高、在遇乙醇脫色后，結(jié)晶紫與碘復(fù)合物易于溶出，后經(jīng)番紅復(fù)染，最終結(jié)果細(xì)菌呈現(xiàn)出紅色。學(xué)生在做這個實驗時，經(jīng)常由于錯誤的實驗操作導(dǎo)致結(jié)果失敗。比如，在顯微鏡下觀察發(fā)現(xiàn)細(xì)菌樣品被染成一半藍(lán)一半紅，顏色邊界涇渭分明，出現(xiàn)“半江瑟瑟半江紅”的畫面（詩詞出自白居易《暮江吟》）如圖1。根據(jù)這個實驗結(jié)果，教師引導(dǎo)學(xué)生分析實驗失敗的原因，可能是由于染色時結(jié)晶紫染液未完全覆蓋細(xì)菌樣品，被結(jié)晶紫染液覆蓋的樣品著色成藍(lán)紫色;未覆蓋染液結(jié)晶紫的樣品沒有被著色，后續(xù)樣品經(jīng)過媒染、脫色、復(fù)染等步驟，最后被番紅染成紅色，因此造成一半樣品為藍(lán)紫色，另一半樣品為紅色的錯誤結(jié)果。除了上述描述的原因之外，學(xué)生分析也可能是用95%乙醇脫色處理時脫色不均勻，造成這樣顏色不均一的現(xiàn)象。雖然這是一次錯誤的實驗結(jié)果，但是顯微鏡下美麗的畫面卻能引發(fā)學(xué)生獨立思考科學(xué)原理，分析可能造成實驗失敗的種種原因，那么當(dāng)學(xué)生再次重復(fù)實驗操作的時候，就會避免類似的錯誤發(fā)生，做出相對完美的正確結(jié)果。所以，教學(xué)實驗的最終目的不是以做出正確結(jié)果為結(jié)尾，關(guān)鍵在于引導(dǎo)學(xué)生的科研思維和鍛煉學(xué)生的動手操作能力，這才是微生物實驗課所期望達(dá)到的最終培養(yǎng)目的。

通過詩詞相結(jié)合的教學(xué)模式的教學(xué)引導(dǎo)，將STEAM教學(xué)的概念融入實驗當(dāng)中，為微生物實驗課增加了多姿多彩的“結(jié)果”。比如，淀粉水解實驗，實驗用的培養(yǎng)基為可溶性淀粉培養(yǎng)基，其中含有可溶性淀粉和臺盼藍(lán)（Trypan Blue）等成分，其中臺盼藍(lán)可以和淀粉非共價結(jié)合，臺盼藍(lán)為藍(lán)色的染料，因此培養(yǎng)基呈現(xiàn)藍(lán)色。有些細(xì)菌如Bacillus subtilis能分泌一種胞外酶，即α-淀粉酶[3]。此酶可以將大分子長鏈的淀粉水解為單糖、糊精、麥芽糖和葡萄糖。所以在培養(yǎng)上有淀粉的地方呈現(xiàn)藍(lán)色，如果淀粉被細(xì)菌分泌的α-淀粉酶水解，那么該片區(qū)域不呈現(xiàn)藍(lán)色（圖2）。因此該實驗可用于檢測細(xì)菌是否分泌α-淀粉酶。在實驗過程中，有的學(xué)生發(fā)揮想象，在培養(yǎng)基上用細(xì)菌作畫，畫太陽、星星和月亮等圖案，可謂是“點點菌落譜星陽”，還有畫成星星和心，變成“熠熠生輝照心房”。在實驗結(jié)果中，如果該細(xì)菌可以分泌α-淀粉酶，那么分泌出的α-淀粉酶將附近的淀粉水解，沿細(xì)菌的軌跡形成一個透明的環(huán)。學(xué)生在創(chuàng)作熠熠生輝的太陽或星星等詩意化畫面的同時，觀察到“光圈”的產(chǎn)生也更加深刻地理解了實驗原理。這一實驗結(jié)果得到了美術(shù)系老師的大大贊美。體現(xiàn)了藝術(shù)與科學(xué)的完美結(jié)合。

類似的實驗還有脂肪酶水解實驗。該實驗的目的是檢測可以分泌脂肪酶的細(xì)菌。脂肪酶可以分解培養(yǎng)基中的油脂生成甘油及脂肪酸。脂肪酸使培養(yǎng)基pH下降，油脂培養(yǎng)基中的pH指示劑中性紅呈現(xiàn)出紅色，因此細(xì)菌周圍培養(yǎng)基中的油滴變成紅色[4]（圖3）。在用細(xì)菌接種的時候，學(xué)生充分發(fā)揮了想象，用細(xì)菌描繪出一幅幅培養(yǎng)基上的圖畫，比如下圖中黃色的睫毛和紅色的眼睛，證實了Staphylococcus warneri可以分泌脂肪酶，脂肪酶可以分解培養(yǎng)基中的油脂生成甘油及脂肪酸，最終使細(xì)菌周圍的油滴變色，創(chuàng)作出紅色的眼睛，正好似“畫眸猶如胭脂妝”。

在實驗課的教學(xué)總結(jié)環(huán)節(jié)，教師收集了學(xué)生的這些創(chuàng)意結(jié)果圖，結(jié)合微生物實驗操作的重點和難點，自填詩詞《浣溪沙》：“紅透環(huán)絲須放涼，輕輕劃線倚火旁，點點菌落譜星陽。誰道實驗枯味重？畫眸猶如胭脂妝，枯枝寄花愛未央”。再配以圖片和古典輕音樂，制作出詩意的實驗花絮TV，這樣的教學(xué)形式很受學(xué)生歡迎，在期末評教中，有學(xué)生匿名評價“授課言語生動，化腐朽為神奇，只要有心，什么都可以藝術(shù)化！”。這也證明了將科學(xué)、詩詞和藝術(shù)相融合的教學(xué)改革的成功。

同樣的實驗課教學(xué)方式也應(yīng)用在其他實驗課中。教學(xué)方法還可以根據(jù)該課程的實驗內(nèi)容，用詩意的語言做出精練的回顧性總結(jié)，結(jié)合圖片和音樂，制作出音樂視頻。比如，微生物學(xué)實驗課的回顧總結(jié)，《再見，微生物學(xué)實驗》;植物生理學(xué)實驗課的回顧總結(jié)，《這半年，我們一起做過的實驗》。這種教學(xué)模式，讓學(xué)生輕松愉快地簡短回顧課程內(nèi)容，記憶實驗方法，很受學(xué)生歡迎。

三、與詩詞相結(jié)合的生物實驗教學(xué)改革總結(jié)

通過幾年的詩詞和音樂相結(jié)合的生物實驗教學(xué)實踐，本教師團(tuán)隊形成自己獨特的教學(xué)風(fēng)格，收到同行教師和學(xué)生的好評。學(xué)生匿名評教分?jǐn)?shù)從92～93分升到99分以上（學(xué)校課程評教分?jǐn)?shù)為90分左右）。2017年教師節(jié)授課教師被學(xué)生在《南科新知》上評為“學(xué)堂飛花獎”（可見2017-09-09）。

以上講解的幾個與詩詞和音樂相結(jié)合的實例，說明在生物實驗課授課中可以根據(jù)課程內(nèi)容因勢引導(dǎo)，在理解生物學(xué)知識的基礎(chǔ)上，滲入人文精神，引入詩詞歌賦，提高課堂語言的藝術(shù)性，讓學(xué)生體會詩意的意境美的同時，同時理解科學(xué)的實驗原理與方法。這與當(dāng)下科學(xué)教育領(lǐng)域所提倡的STEAM（科學(xué)、技術(shù)、工程、藝術(shù)、數(shù)學(xué)）教育理念高度吻合，是尋找藝術(shù)和科學(xué)交叉與融合的一種方式。正如學(xué)生匿名評語所言，“總是鼓勵我們在追尋科學(xué)真理的同時也要追求美，給我很大的啟發(fā)?！闭f明該教學(xué)模式已經(jīng)對學(xué)生產(chǎn)生了很大影響。本實驗教學(xué)方法的改革旨在引導(dǎo)學(xué)生既追求科學(xué)與真理，也追求藝術(shù)，陶冶性情。而且，科學(xué)與藝術(shù)的融通，是一種時代的要求，也是人類自身發(fā)展的需求。

高校培養(yǎng)學(xué)生核心素養(yǎng)的終極目標(biāo)是培養(yǎng)全面發(fā)展的人才?？茖W(xué)的核心素養(yǎng)涵蓋了科學(xué)思維和科學(xué)態(tài)度，這些是無法像知識那樣直接“教”給學(xué)生，需要學(xué)生自己理解和感悟，需要教師的認(rèn)知和引導(dǎo)。因此本教師團(tuán)隊通過結(jié)合詩詞和音樂的生物實驗課的教學(xué)改革與實踐，使學(xué)生逐步領(lǐng)會科學(xué)的本質(zhì)，樂于探究，熱愛科學(xué);也使學(xué)生學(xué)會用科學(xué)的思維方式分析實驗結(jié)果;同時也啟發(fā)學(xué)生感受和體驗藝術(shù)的美，通過自己創(chuàng)作，真正提升了學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)。所以，本教師團(tuán)隊希望將這一科學(xué)的高校實驗教學(xué)方法推廣，讓更多的學(xué)科采用，啟發(fā)更多的學(xué)生。

參考文獻(xiàn)

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[2]Moyes RB. Reynolds J. Breakwell DP. Differential staining of bacteria： gram stain[J].Current protocols in microbiology， 2009，（1）：Appendix 3C1-3C8.

[3]馬向東，馬立新，薛征峰.周俊初.一種鑒定α-淀粉酶活性及其產(chǎn)生菌的新方法[J].華中農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報，2000（5）：456-460.

[4]錢存柔，黃儀秀.微生物學(xué)實驗教程[M].北京：北京大學(xué)出版社，2008：114-116.

Teaching Reform and Practice of STEAM Education in Biology Experiment Course

in Colleges and Universities

YU Chun-hong1，2， MA Xiao-ying1，2， SHENG Yue1，2， L？譈 Mo1，2

（1.Department of Biology， Southern University of Science and Technology，Shenzhen， Guangdong 518055， China;2.Life Science Experimental Teaching Demonstration Center，? Shenzhen， Guangdong 518055， China）

Abstract：STEAM education is a kind of comprehensive education model of interdisciplinary integration. From different angles， this project integrates STEAM education concept into the design of biological experiment teaching methods， so that students can understand the fusion of art and science and experience the fun of scientific experiments on the basis of understanding biological knowledge. It not only helps to deepen the understanding and grasp relevant biological knowledge， but also improves the artistic quality of the teaching language， activates students' learning thinking， stimulates students' learning interest， and enhances the teaching effect. The reform practice of this teaching? method has been well received by peers and students， and has received good teaching effect， which has really improved students' scientific literacy.

Key words：biology; experimental teaching in colleges and universities; STEAM education