基于STEM理念的校本課程開發(fā)
——以“細(xì)菌作畫”為例

牛疊亞

（南京田家炳高級中學(xué) 江蘇南京 210000）

1 課程開發(fā)背景

微生物無處不在，其在食品、環(huán)境保護(hù)等領(lǐng)域服務(wù)人類，對人類的生命安全和身體健康至關(guān)重要。所以對微生物的學(xué)習(xí)也是當(dāng)今教育的重點(diǎn)。雖然人教版高中生物《選修1·生物技術(shù)實(shí)踐》中“微生物的實(shí)驗(yàn)室培養(yǎng)與應(yīng)用”實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容有涉及微生物的相關(guān)理論知識和實(shí)驗(yàn)技能，但很多高中學(xué)校沒有條件或者時(shí)間系統(tǒng)地開展有關(guān)微生物的相關(guān)實(shí)驗(yàn)。因此，我校生物教師結(jié)合這部分內(nèi)容，基于STEM教育理念開發(fā)了“細(xì)菌作畫”課程，旨在倡導(dǎo)以工程設(shè)計(jì)過程為主導(dǎo)，以學(xué)生實(shí)踐為中心，通過合作完成真實(shí)情景中的學(xué)習(xí)。該課程豐富了高中實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，增強(qiáng)了學(xué)生學(xué)習(xí)生物的興趣，更好地培養(yǎng)了學(xué)生的生物學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)。學(xué)生在習(xí)得微生物的相關(guān)實(shí)驗(yàn)技能的同時(shí)，增強(qiáng)了對微生物的認(rèn)識。

2 課程目標(biāo)

基于STEM教育，校本課程“細(xì)菌作畫”的課程目標(biāo)見表1。

表1 校本課程“細(xì)菌作畫”的課程目標(biāo)

3 課程安排

本課程的具體內(nèi)容見表2。每節(jié)課都旨在讓學(xué)生在學(xué)習(xí)微生物學(xué)基礎(chǔ)知識的前提下，啟發(fā)學(xué)生通過思考、動(dòng)手達(dá)到多角度調(diào)動(dòng)學(xué)生的學(xué)習(xí)思維和學(xué)習(xí)行為的目的，真正落實(shí)生物學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)的培養(yǎng)?！凹?xì)菌作畫”課程主題明確，活動(dòng)之間具有系統(tǒng)性，學(xué)生通過本課程的學(xué)習(xí)，能在掌握微生物知識和實(shí)驗(yàn)技能基礎(chǔ)上完成“細(xì)菌畫”作品。

表2 校本課程“細(xì)菌作畫”的課程內(nèi)容

4 教學(xué)過程

下面以第六講“以細(xì)菌為‘顏料’，培養(yǎng)基為‘畫板’的藝術(shù)與科學(xué)之旅”為例，介紹課程的設(shè)計(jì)和實(shí)施過程。

4.1 “細(xì)菌作畫”具體實(shí)驗(yàn)過程

（1）準(zhǔn)備細(xì)菌畫“顏料”：了解常用的菌種及其菌落對應(yīng)顏色，如大腸桿菌為乳白色、金黃色葡萄球菌為黃色、海水芽孢桿菌的不同型號顏色不同，有黃色不透明、橙紅不透明等、枯草芽孢桿菌為灰白色或微黃色。學(xué)生根據(jù)自己需要的顏色，利用滅菌后的牛肉膏蛋白胨液體培養(yǎng)基大量培養(yǎng)對應(yīng)的細(xì)菌備用。

（2）制作細(xì)菌畫“畫板”：配制牛肉膏蛋白胨瓊脂培養(yǎng)基。采取的配方：牛肉膏3 g、蛋白胨10 g、NaCl5 g、瓊脂15-20 g、水1000 mL，pH為7.4-7.6。將配置好的牛肉膏蛋白胨培養(yǎng)基進(jìn)行高壓蒸汽滅菌后備用。

（3）準(zhǔn)備細(xì)菌畫“畫筆”：準(zhǔn)備不同粗細(xì)的棉簽、牙簽、接種環(huán)等滅菌備用。為了精確選用“畫筆”需要做預(yù)實(shí)驗(yàn)，學(xué)生要準(zhǔn)確把握不同材質(zhì)的工具繪制出的線條效果，保證繪制的美觀性和科學(xué)性；并通過調(diào)整菌液濃度與繪制線條的粗細(xì)關(guān)系，達(dá)到理想繪制效果。

（4）設(shè)計(jì)圖稿并作畫：圖稿相當(dāng)于微生物作畫的底稿，學(xué)生可以選擇直接繪制和電腦繪制兩種方案。由于配置的培養(yǎng)基幾乎是透明的，可以將培養(yǎng)皿大小的圖稿放在培養(yǎng)皿下方。此時(shí)，菌液畫過之后幾乎沒有痕跡，位于皿底下方的底稿便于用接近無色菌液繪制的時(shí)定位。在酒精燈火焰旁或無菌實(shí)驗(yàn)室中，選取合適的“畫筆”以及“顏料”，左手將“畫板”皿蓋打開約45°縫，右手將沾有“顏料”的“畫筆”透過培養(yǎng)基按照皿底下的圖稿繪制。

（5）培養(yǎng)并觀察：將培養(yǎng)皿底部做好標(biāo)記，置于35℃恒溫培養(yǎng)箱中培養(yǎng)24 h。觀察作品，根據(jù)作品情況，修正實(shí)驗(yàn)方案，直至“細(xì)菌畫”的效果達(dá)到和底稿很高的相似度。

（6）展示作品：小組以PPT匯報(bào)的方式，講解自己作品的設(shè)計(jì)理念和學(xué)習(xí)所得，并評價(jià)和交流各組的實(shí)驗(yàn)作品。

4.2 問題分析與解決

學(xué)生在實(shí)踐過程中會(huì)產(chǎn)生很多問題。各小組在教師的指導(dǎo)下，討論、解決問題。

①20 h培養(yǎng)后細(xì)菌線條過細(xì)。學(xué)生猜測：如果用濃度高的菌液畫，細(xì)菌的菌落是否會(huì)長得更茂盛呢？如果這個(gè)猜想成立，學(xué)生就可以在畫作上控制細(xì)菌的疏密分布了。一開始，學(xué)生打算靜置沉淀后，吸取上層清液再搖勻使菌液濃度增加，但怎么沉淀也不見效果。教師提議用采用離心機(jī)。學(xué)生查閱資料后，在教師的指導(dǎo)下，首先設(shè)置將離心機(jī)設(shè)置為2 000 r/min，但2 min后并沒有離心成功。學(xué)生將轉(zhuǎn)速增加到4000r/min，2 min后得到了分層的菌液，利用移液槍吸取上層適量清液，并將剩下清液和沉淀搖勻。為了檢測效果，學(xué)生用等量的高濃度菌液和正常濃度菌液做對比實(shí)驗(yàn)，出現(xiàn)截然不同的線條。

②細(xì)菌實(shí)際長出后，從涂色范圍略向外延伸，導(dǎo)致邊緣不規(guī)整或相鄰部分連成一片。操作的過程中，學(xué)生發(fā)現(xiàn)細(xì)菌實(shí)際長出后，會(huì)從涂色范圍略向外延伸，導(dǎo)致大范圍地涂色后，在一些連接處，菌會(huì)長成一塊，或者涂色部位的邊緣很不整齊。于是，學(xué)生決定用燒紅的接種環(huán)來殺死細(xì)菌。進(jìn)行試驗(yàn)后，發(fā)現(xiàn)燙過的地方確實(shí)不容易聯(lián)成一塊。解決這個(gè)問題之后，畫作里的各個(gè)相同顏色的部分辨析度就更大了，邊緣也更加平滑了。

4.3 成果評價(jià)展示

細(xì)菌作畫的成果有火炬圖（手持火炬冉冉升起的火焰），寓意“永不熄滅的科學(xué)之光”；伏羲女媧圖（伏羲女媧螺旋的尾部類似雙螺旋的DNA分子），寓意“古老的傳說與科技的結(jié)合，華夏文明的古老與科學(xué)”；京劇臉譜圖，寓意“文化與科技的結(jié)合”；星間飛行圖（圖1）。

圖1 細(xì)菌作畫作品“星間飛行圖”

結(jié)合學(xué)生的作品，教師利用一節(jié)課進(jìn)行作品展示與匯報(bào)。每組學(xué)生介紹作品的制作過程、感悟、作品寓意等，小組內(nèi)部、小組之間和教師對學(xué)生實(shí)驗(yàn)過程的表現(xiàn)和實(shí)驗(yàn)的匯報(bào)情況進(jìn)行評價(jià)，以幫助學(xué)生更好的總結(jié)自己的學(xué)習(xí)成果，清楚自己學(xué)習(xí)過程的優(yōu)勢和不足。表3為“細(xì)菌作畫”的作品評價(jià)表。

表3 “細(xì)菌作畫”作品評價(jià)表

5 “細(xì)菌作畫”課程開發(fā)后的反思

5.1 成功的經(jīng)驗(yàn)

利用我校擁有無菌室、高壓蒸汽滅菌鍋等資源，結(jié)合教學(xué)經(jīng)驗(yàn)開展的“細(xì)菌作畫”校本課程，是在一種開放的系統(tǒng)中進(jìn)行的生物實(shí)驗(yàn)，可以作為國家課程的互補(bǔ)，避免學(xué)生知識和技能獲得的單向性。細(xì)菌畫創(chuàng)始人扎查利·科普菲爾曾說：“科學(xué)的世界永遠(yuǎn)是一個(gè)充滿詩情畫意的美麗地方，比起我所知道的其他任何領(lǐng)域都更有藝術(shù)性?！痹诩?xì)菌畫的創(chuàng)作中，學(xué)生在美術(shù)老師的指導(dǎo)下，懂得了對稱性、留白性以及作圖要具有主題性等繪圖美觀性的原則，從而更好地欣賞美；在生物老師的指導(dǎo)下發(fā)現(xiàn)科學(xué)的殿堂，在科學(xué)知識和技能掌握過程去發(fā)現(xiàn)、解決問題。我校開展的科學(xué)與藝術(shù)結(jié)合的“細(xì)菌作畫”校本課程，可以提升學(xué)生的跨學(xué)科素養(yǎng)、生物科學(xué)素養(yǎng)和審美情趣。

5.2 不足的反思

細(xì)菌的種類繁多，環(huán)繞在人們周圍，學(xué)生還可以研究身邊的物品如手機(jī)、實(shí)驗(yàn)室空氣中微生物的種類和對應(yīng)菌落的顏色等等，進(jìn)一步豐富校本課程的資源。這也是我?！凹?xì)菌作畫”校本課程進(jìn)一步探索的方向。另外，關(guān)于校本課程的評價(jià)也可以更多樣化，如討論實(shí)錄、科技論文、攝影、攝像或者短視頻的記錄實(shí)驗(yàn)過程等展示觀察發(fā)現(xiàn)結(jié)果可以發(fā)展學(xué)生其他技能。