應(yīng)用高中生物學(xué)教科書(shū)插圖開(kāi)展STEAM 教育

鄭曉花 高 壯

（1.三明第九中學(xué)，福建 三明 365001；2.福清元洪高級(jí)中學(xué)，福建 福清 350300）

STEAM 教育強(qiáng)調(diào)多學(xué)科融合。［1］研究表明STEAM教育模式有助于提升學(xué)生的想象力、發(fā)散思維能力及綜合運(yùn)用多學(xué)科知識(shí)解決問(wèn)題能力。［2］STEAM 教育與核心素養(yǎng)培育相結(jié)合是我國(guó)基礎(chǔ)教育改革的必然趨勢(shì)。［3］2019 年版人民教育出版社普通高中教科書(shū)《生物學(xué)》（下文簡(jiǎn)稱教科書(shū)）具有豐富的插圖，在一定程度上蘊(yùn)含科學(xué)、技術(shù)、工程、藝術(shù)與數(shù)學(xué)等STEAM 教育因素。筆者嘗試應(yīng)用這些插圖開(kāi)展STEAM 教育，促進(jìn)學(xué)生發(fā)展生物學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)。

一、應(yīng)用教科書(shū)插圖提升學(xué)生生物科學(xué)素養(yǎng)

以學(xué)生作為探究性學(xué)習(xí)主體是STEAM 教育理念之一。教學(xué)過(guò)程中結(jié)合教科書(shū)插圖，鼓勵(lì)學(xué)生對(duì)相關(guān)主題進(jìn)行探究性學(xué)習(xí)，促進(jìn)學(xué)生掌握生物學(xué)科思想、觀點(diǎn)與方法，發(fā)展生物科學(xué)素養(yǎng)。例如，在豌豆雜交實(shí)驗(yàn)中，孟德?tīng)枌?duì)遺傳規(guī)律的研究是建立在正確的研究方法和有力證據(jù)的基礎(chǔ)上。應(yīng)用教科書(shū)插圖，以孟德?tīng)枌?duì)遺傳性狀的研究過(guò)程為教學(xué)“明線”，以科學(xué)研究方法——假說(shuō)演繹法為教學(xué)“暗線”，引導(dǎo)學(xué)生開(kāi)展下列4 個(gè)環(huán)節(jié)學(xué)習(xí)。一是應(yīng)用教科書(shū)中“高莖豌豆和矮莖豌豆的雜交實(shí)驗(yàn)示意圖”，引導(dǎo)學(xué)生說(shuō)出孟德?tīng)柕陌l(fā)現(xiàn)，F(xiàn)1總是高莖，F(xiàn)1自交后代F2則表現(xiàn)為3 高莖∶1矮莖，并遷移至其他6 對(duì)性狀的研究。二是要求學(xué)生說(shuō)出孟德?tīng)枌?duì)分離現(xiàn)象的解釋。根據(jù)該解釋，嘗試應(yīng)用圖示表示豌豆雜交實(shí)驗(yàn)過(guò)程，并應(yīng)用教科書(shū)中的“高莖豌豆和矮莖豌豆的雜交實(shí)驗(yàn)的分析圖解”進(jìn)行分析與交流。三是創(chuàng)設(shè)問(wèn)題情境：孟德?tīng)柕臏y(cè)交實(shí)驗(yàn)結(jié)果和預(yù)期一致嗎？說(shuō)明什么問(wèn)題？引導(dǎo)學(xué)生結(jié)合“一對(duì)相對(duì)性狀測(cè)交實(shí)驗(yàn)的分析圖解”討論孟德?tīng)栐O(shè)計(jì)測(cè)交實(shí)驗(yàn)的目的、內(nèi)容及預(yù)期結(jié)果。四是要求學(xué)生從親本產(chǎn)生配子、配子結(jié)合形成后代兩個(gè)方面概括分離定律內(nèi)容，總結(jié)假說(shuō)演繹法的一般步驟。

遵循教科書(shū)內(nèi)容的內(nèi)在邏輯及學(xué)生認(rèn)知規(guī)律，應(yīng)用教科書(shū)插圖創(chuàng)設(shè)系列問(wèn)題情境，引導(dǎo)學(xué)生從“現(xiàn)象”到“本質(zhì)”，深入分析與探究，促進(jìn)學(xué)生理解與應(yīng)用科學(xué)研究方法，深刻認(rèn)識(shí)科學(xué)本質(zhì)。

二、應(yīng)用教科書(shū)插圖體會(huì)技術(shù)對(duì)生物學(xué)發(fā)展的作用

充分挖掘教科書(shū)插圖所蘊(yùn)含的生物科學(xué)技術(shù)因素，有助于學(xué)生認(rèn)識(shí)科學(xué)技術(shù)進(jìn)步對(duì)科學(xué)進(jìn)步、社會(huì)發(fā)展的影響。例如，應(yīng)用教科書(shū)“用臺(tái)盼藍(lán)染液染色后的死細(xì)胞和活細(xì)胞”插圖引導(dǎo)學(xué)生思考：早期對(duì)生物膜的研究為什么是先從生理功能入手的？讓學(xué)生明白：受科學(xué)技術(shù)限制，當(dāng)時(shí)科學(xué)家無(wú)法觀察到生物膜結(jié)構(gòu)，只能以觀察哪些物質(zhì)能透過(guò)生物膜來(lái)研究其功能?？茖W(xué)家歐文頓在大量實(shí)驗(yàn)觀察的基礎(chǔ)上，通過(guò)嚴(yán)謹(jǐn)推理與大膽想象，提出膜是由脂質(zhì)組成的推測(cè)。應(yīng)用教科書(shū)插圖“在水中形成的磷脂雙分子層模式圖”，引導(dǎo)學(xué)生根據(jù)歐文頓研究分析得出：細(xì)胞膜含有脂質(zhì)，磷脂排列為連續(xù)兩層的結(jié)構(gòu)，還附有蛋白質(zhì)。隨著顯微鏡技術(shù)的發(fā)展，羅伯特森利用電子顯微鏡，觀察到細(xì)胞膜“暗—亮—暗”的三層結(jié)構(gòu)。要求學(xué)生應(yīng)用教科書(shū)插圖“細(xì)胞膜結(jié)構(gòu)的電鏡照片”，推斷羅伯特森的假說(shuō)內(nèi)容，并結(jié)合細(xì)胞的功能分析該模型的優(yōu)點(diǎn)與不足，從而引導(dǎo)學(xué)生追尋科學(xué)家的探索足跡，修正并完善細(xì)胞膜的模型。隨著實(shí)驗(yàn)技術(shù)的改進(jìn)和創(chuàng)新，科學(xué)家對(duì)膜結(jié)構(gòu)的研究又找到新的證據(jù)。應(yīng)用教科書(shū)插圖“熒光標(biāo)記的小鼠細(xì)胞和人細(xì)胞的融合實(shí)驗(yàn)示意圖”，學(xué)生寫(xiě)出該實(shí)驗(yàn)過(guò)程的流程圖，分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果、得出實(shí)驗(yàn)結(jié)論：細(xì)胞膜是具有流動(dòng)性的。通過(guò)不同年代多位科學(xué)家的共同努力建立細(xì)胞膜結(jié)構(gòu)的流動(dòng)鑲嵌模型。

通過(guò)探究教科書(shū)插圖所蘊(yùn)含的STS 教育因素，讓學(xué)生明白科學(xué)技術(shù)進(jìn)步促進(jìn)科學(xué)發(fā)展，促進(jìn)學(xué)生綜合應(yīng)用物理、化學(xué)、生物學(xué)等多學(xué)科知識(shí)解決問(wèn)題，這是落實(shí)生物學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)的重要途徑之一。

三、應(yīng)用教科書(shū)插圖引導(dǎo)學(xué)生實(shí)踐建模工程

建構(gòu)模型是一項(xiàng)工程。將靜態(tài)的插圖轉(zhuǎn)化為可操作的建模活動(dòng)，滲透工程學(xué)的教育思想，實(shí)現(xiàn)內(nèi)隱知識(shí)的外顯，有助于學(xué)生深度學(xué)習(xí)，加深對(duì)復(fù)雜概念的深層理解與應(yīng)用，提升科學(xué)實(shí)踐能力。例如，學(xué)習(xí)“DNA 的結(jié)構(gòu)”時(shí)，引導(dǎo)學(xué)生按照DNA 結(jié)構(gòu)發(fā)現(xiàn)史，結(jié)合教科書(shū)中“DNA 的結(jié)構(gòu)模式圖”，先構(gòu)建DNA 的基本單位——脫氧核苷酸模型，再分組構(gòu)建兩條脫氧核苷酸長(zhǎng)鏈模型。建模的同時(shí)，引導(dǎo)學(xué)生思考與討論：堿基是如何配對(duì)的？?jī)蓷l脫氧核苷酸鏈具有方向性嗎？如何體現(xiàn)？最后，請(qǐng)學(xué)生代表展示并講解各自建構(gòu)的DNA 分子模型。通過(guò)“討論—構(gòu)建—傾聽(tīng)—反思—修正”等建?；顒?dòng)，學(xué)生發(fā)現(xiàn)所構(gòu)建的DNA 分子模型主要存在不同的DNA 分子模型長(zhǎng)度不同、堿基數(shù)量不同及堿基對(duì)的排列順序不同等特點(diǎn)。可見(jiàn)DNA 分子結(jié)構(gòu)具有多樣性及特異性。進(jìn)一步引導(dǎo)學(xué)生思考與討論：DNA 結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性體現(xiàn)在哪里？

應(yīng)用教科書(shū)相關(guān)插圖，還可以指導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行細(xì)胞結(jié)構(gòu)、細(xì)胞膜的結(jié)構(gòu)、ATP 的分子結(jié)構(gòu)等建?；顒?dòng)。

四、應(yīng)用教科書(shū)插圖引領(lǐng)生命藝術(shù)之欣賞

在高中生物學(xué)教學(xué)中引領(lǐng)學(xué)生欣賞生命藝術(shù)之美，有助于讓生物學(xué)教育與人文科學(xué)教育相融合，促進(jìn)學(xué)生全面發(fā)展。例如，“細(xì)胞器之間的分工合作”這一節(jié)內(nèi)容中的“植物細(xì)胞和動(dòng)物細(xì)胞亞顯微結(jié)構(gòu)模式圖”“分泌蛋白運(yùn)到細(xì)胞外的過(guò)程示意圖”及“內(nèi)質(zhì)網(wǎng)膜與細(xì)胞膜、核膜的聯(lián)系”等插圖，展示細(xì)胞結(jié)構(gòu)復(fù)雜、精細(xì)巧妙的生命系統(tǒng)之美；體現(xiàn)歷經(jīng)幾十億年的演變，細(xì)胞進(jìn)化出的各種結(jié)構(gòu)彼此分工又緊密合作，保障生命活動(dòng)在變化的環(huán)境中有條不紊地進(jìn)行，這是生命活動(dòng)的和諧之美。教科書(shū)中“植物細(xì)胞有絲分裂的過(guò)程”“動(dòng)物細(xì)胞有絲分裂模式圖”“哺乳動(dòng)物精子的形成過(guò)程示意圖”及“減數(shù)分裂示意圖”等有關(guān)細(xì)胞分裂插圖，讓學(xué)生領(lǐng)悟染色體運(yùn)動(dòng)的行為美、遺傳分離比的簡(jiǎn)約美。教科書(shū)“科學(xué)家訪談”欄目中“與袁隆平院士一席談”插圖，展示袁隆平院士在田間查看水稻生長(zhǎng)情況，體現(xiàn)袁院士吃苦耐勞、勇于探索、甘于奉獻(xiàn)的人格美。

同時(shí)，這些插圖還能讓學(xué)生直觀地體會(huì)自然、科學(xué)與人文的和諧美。

五、應(yīng)用教科書(shū)插圖促進(jìn)學(xué)會(huì)以數(shù)學(xué)語(yǔ)言揭示生命規(guī)律

《普通高中生物學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017 年版2020 年修訂）》對(duì)學(xué)生解讀數(shù)學(xué)模型提出更高的要求：能應(yīng)用坐標(biāo)圖表達(dá)相關(guān)結(jié)論。教師應(yīng)重視應(yīng)用教科書(shū)插圖，指導(dǎo)學(xué)生運(yùn)用數(shù)學(xué)模型揭示生命規(guī)律、解決實(shí)際問(wèn)題，培養(yǎng)學(xué)生圖文、數(shù)形轉(zhuǎn)化能力。例如，學(xué)習(xí)有關(guān)“主動(dòng)運(yùn)輸”知識(shí)時(shí)，學(xué)生容易受“自由擴(kuò)散”和“協(xié)助擴(kuò)散”的濃度差及其運(yùn)輸速率關(guān)系等影響，認(rèn)為細(xì)胞主動(dòng)運(yùn)輸時(shí)物質(zhì)運(yùn)輸速率與物質(zhì)的濃度差也是成正比關(guān)系。教師可以嘗試引導(dǎo)學(xué)生運(yùn)用數(shù)學(xué)模型探究、解決這一問(wèn)題。首先，指導(dǎo)學(xué)生分析“主動(dòng)運(yùn)輸”實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)及其之間的關(guān)系，以曲線圖（即數(shù)學(xué)模型）的形式呈現(xiàn)實(shí)驗(yàn)結(jié)論。其次，分析協(xié)助擴(kuò)散與主動(dòng)運(yùn)輸所需的條件，以曲線圖表達(dá)對(duì)協(xié)助擴(kuò)散與主動(dòng)運(yùn)輸?shù)恼J(rèn)識(shí)。有的學(xué)生沒(méi)有考慮到協(xié)助擴(kuò)散中載體數(shù)目會(huì)限制運(yùn)輸速率；還有的學(xué)生對(duì)如何繪制主動(dòng)運(yùn)輸曲線圖產(chǎn)生“思維碰撞”，對(duì)物質(zhì)運(yùn)輸速率與物質(zhì)的濃度差的關(guān)系有不同意見(jiàn)。教師可以請(qǐng)不同觀點(diǎn)的學(xué)生代表分別闡述理由，繪出物質(zhì)進(jìn)出細(xì)胞的曲線圖，其他同學(xué)補(bǔ)充、質(zhì)疑，并展示主動(dòng)運(yùn)輸實(shí)驗(yàn)的相關(guān)數(shù)據(jù)，進(jìn)一步解釋主動(dòng)運(yùn)輸?shù)奈镔|(zhì)運(yùn)輸速率與物質(zhì)的濃度差的關(guān)系。

引導(dǎo)學(xué)生運(yùn)用數(shù)學(xué)模型對(duì)生命現(xiàn)象進(jìn)行探究，促進(jìn)學(xué)生真切地體會(huì)：只有嚴(yán)謹(jǐn)分析實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，才能真實(shí)揭示生命科學(xué)規(guī)律及其本質(zhì)。