張恒澤

(江蘇省鹽城市亭湖高級中學 鹽城 224005)

起源于美國的STEAM教育理念，其內(nèi)涵在于集科學、技術(shù)、工程、藝術(shù)和數(shù)學的有機整合和綜合教育，提高學生解決實際問題和探究新問題的能力。近兩年來江蘇省為推進中小學教育改革與創(chuàng)新，實施了STEAM課程。本文以人教版高中生物學教材中的幾個實驗為例，闡述如何在常見學生實驗或演示實驗教學中，注重對學生STEAM思維及其能力的培養(yǎng)，提升創(chuàng)新素養(yǎng)；注重在實踐中創(chuàng)新設(shè)計，解決現(xiàn)實問題[1]。

1 創(chuàng)新實驗流程，提升科學素養(yǎng)

科學實驗是通過探索和觀察科研對象，通過人工控制和干預(yù)科研對象，從而能夠掌握有關(guān)機制和規(guī)律，最終實現(xiàn)預(yù)期的目的?？茖W實驗中使用的儀器多，會使人獲得更精確、更豐富的感性材料。人教版高中生物學教材中的許多實驗都能夠展現(xiàn)完整、豐富和真實的探究場景，學生可以獨立設(shè)計實驗、分析思路，還可以自主選擇課題。

例如，人教版選修1“酵母細胞固定化”的實驗可以采用“項目創(chuàng)新導(dǎo)學”，即以項目為主線、教學目標為指向，通過項目實施來組織課堂實驗教學。指導(dǎo)學生進行項目實踐： ①擬定項目課題(酵母細胞固定化的制備)，②對項目任務(wù)進行設(shè)計(海藻酸鈉的配置、活化酵母細胞、如何固定化、如何混合、發(fā)酵的條件、對實驗結(jié)果進行觀察)，③對項目實施的推進(課前對實驗的準備、對該項目進行導(dǎo)學案的編制、項目團隊的構(gòu)成)，④項目評價的實施(組與組之間的互評、組內(nèi)個人自評、最終的綜合評價)。讓學生在體驗中成長，在收獲中學習“酵母細胞固定化制備”的理論知識和操作要點，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？為什么對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？”等科學問題。在利用“項目創(chuàng)新”進行實驗導(dǎo)學時，學生可以根據(jù)凝膠珠的顏色和形態(tài)來進一步理解操作的要領(lǐng)，摒棄傳統(tǒng)的“重過程、輕結(jié)果”課堂實驗教學模式，啟發(fā)和引領(lǐng)學生自主實驗，提升學生的科學探究實驗的能力、協(xié)作和創(chuàng)新能力，培養(yǎng)學生的項目創(chuàng)新意識。

2 視頻展示指導(dǎo)，提升技術(shù)素養(yǎng)

科學探究的基礎(chǔ)是以規(guī)范的實驗操作為前提。如何規(guī)范學生的技術(shù)操作，在較短的時間內(nèi)能夠讓實驗成功具有說服力呢？除了按照教材提供的實驗步驟進行操作外，還要對實驗過程中可能出現(xiàn)的問題進行預(yù)設(shè)。教師課堂進行演示實驗雖然直觀，但可控性不強，可見度和預(yù)想的差距明顯。

例如，在“比較H2O2在不同條件下的分解”的實驗中，學生在具體的操作中會碰到許多操作上的問題和實驗現(xiàn)象上的疑惑，筆者將以往學生、實驗員或任課教師的正確規(guī)范的操作過程分內(nèi)容拍成微視頻給學生播放： 如滴加新鮮肝臟研磨液和FeCl3溶液同時進行有利于氣泡產(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)果會怎樣？如果選用的肝臟研磨液不新鮮會影響實驗效果嗎？實驗操作過程中試管的干凈程度、底物量的多少、反應(yīng)的時間的長短等對實驗的結(jié)果有影響嗎？用兩支帶火星的衛(wèi)生香分別同時插入兩支試管，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對實驗結(jié)果帶來意想不到的結(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)生香熄滅還會導(dǎo)致實驗順利進行嗎？依照對照實驗中單因子變量的原則實驗中用兩支帶火星的衛(wèi)生香是否合適？怎樣設(shè)計一種對兩支試管中產(chǎn)生的氣體的濃度進行同步定性比較的裝置等？同時應(yīng)給予學生充分思考的時間。由于微視頻具有直觀、形象和生動的特點，可將實驗的步驟和細節(jié)精準地呈現(xiàn)于課堂，打破了時空的局限，是課堂教學質(zhì)量提升的有益補充。

用“微”視頻代替操作要求高、相對抽象的實驗，在進行課堂實驗教學時除了能夠提供真實的實驗氛圍，還能夠變抽象為直觀，變繁瑣為簡單，突破實驗教學的難點，提升學生的獲得感，利于在生物學課堂實驗教學中提升技術(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，是工程實踐的專業(yè)技術(shù)人員在活動時所具備的適應(yīng)性和潛能。它是具備工程實踐操作能力、工程知識素養(yǎng)并以正確思維為導(dǎo)向的能力。

例如，在“酵母細胞固定化”的實驗中，實驗步驟包括： 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。這些操作看起來相對容易，實際上學生對“融化的程度、怎么加熱、怎么攪拌、實驗操作的順序、注射器推動時間間隔、凝膠珠在CaCl2溶液中的時間”等會出現(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，給定容帶來困難；部分小組的學生海藻酸鈉濃度太大，易成團不能分散，也難以估算，結(jié)果出現(xiàn)了蝌蚪狀的凝膠珠；也有小組學生的凝膠珠的顏色過淺呈現(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；有些小組學生在酵母細胞和海藻酸鈉還沒有充分混勻的時候，就馬上轉(zhuǎn)移到注射器中了；有的小組的學生加入活化的酵母細胞之前海藻酸鈉溶液還沒有冷卻至室溫，有小組的學生注射器推得太慢，有的推得太快……出現(xiàn)錯誤反映了課堂實踐操作的真實狀況，教師可以引導(dǎo)學生直面錯誤，思考如何改進，這時可以把主動權(quán)交給學生，在學生交流總結(jié)反思的基礎(chǔ)上，教師再播放一些關(guān)鍵的微視頻，鼓勵學生“識錯、探錯、改錯”在走向柳暗花明的過程中破解難點，汲取教訓，收獲喜悅，在重復(fù)實驗時挖掘潛能。

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

4 借助模型展示，提升藝術(shù)素養(yǎng)

高中生物學課堂實驗教學中所呈現(xiàn)藝術(shù)形式的主體是學生，應(yīng)關(guān)注學生對自然界的感悟力、對人與自然的思考。學生可以通過實物模型來展示他們思考和探索的過程，模型呈現(xiàn)的過程需邏輯連貫、條理清晰，生物學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實驗?zāi)Ｐ偷哪繕恕?/p>

例如，在必修2講完DNA的結(jié)構(gòu)和特性后，讓學生設(shè)計“DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)”模型時，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(按照堿基互補配對原則制成相應(yīng)的帶缺口的長方形)，剩下的1種顏色代表磷酸(制成圓形)，用鐵絲代表化學鍵。可以直觀理解DNA分子的兩條鏈反向平行，按照堿基互補配對原則形成規(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，遺傳信息的實質(zhì)指的是什么，進一步思考“親子鑒定”中為什么可以借助DNA來協(xié)助作出判斷。學生自己動手制作出的模型一目了然，培養(yǎng)動手能力和運用知識解決新問題的能力，也能獲得藝術(shù)感的喜悅。信息化時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、傳感器和激光切割機等?？稍谀Ｐ椭屑尤腴_源電子原型平臺Arduino、自動化裝置和簡易編程工具Scratch,讓學生的創(chuàng)意可視化。呈現(xiàn)作品的同時，要求學生配合講解“DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)”的特點，也是學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)計模型，教師要鼓勵學生大膽嘗試，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教育理念強調(diào)分析和解決問題的能力，在教學中多讓學生思考實際生活中的問題。思考問題的角度不局限在科學與技術(shù)的范圍，力求找到最佳解決問題的方案。

5 探究改進實驗，提升數(shù)學素養(yǎng)

數(shù)學思維能力是一種解決問題的能力，是用數(shù)學的觀點去思考和解決問題的能力。數(shù)學學科知識具有高度的抽象性和邏輯性。對實驗數(shù)據(jù)運算、統(tǒng)計利于培養(yǎng)學生的數(shù)學思維能力和數(shù)學感知。

例如，在必修1“洋蔥質(zhì)壁分離與復(fù)原的實驗”中，教材直接給出的濃度是0.3 g/mL的蔗糖溶液,可以考慮把驗證性實驗改成探究性實驗，探究哪種蔗糖溶液更適合做質(zhì)壁分離的濃度，讓學生思考自己去解決問題，有學生提出應(yīng)該圍繞0.3 g/mL的蔗糖濃度而展開，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4張裝片的樣品進行引流操作，同時拍攝錄像，持續(xù)15 min，結(jié)果如表1；再對上述4張裝片用蒸餾水進行引流操作，同時拍攝錄像，持續(xù)10 min，結(jié)果如表2。通過兩個表格可以看出： 0.4 g/mL的蔗糖溶液才是該實驗的最佳濃度。表面上看是解決了實驗中的實際問題，實際上是對實驗的拓展、規(guī)范和改進，學生通過親自操作和體驗，使原本一節(jié)課解決不了的問題，利用數(shù)學思維方式和富有創(chuàng)造力的改進與探究得以解決。

表1 不同濃度蔗糖溶液處理15 min中細胞質(zhì)壁分離情況

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

教師在課堂實驗教學中，要讓學生融入實驗的改進與設(shè)計中，培養(yǎng)學生帶著問題去實驗操作、收集、整理、記錄、分析、處理實驗數(shù)據(jù)，可以通過曲線圖、表格、文字表述等定量完成實驗結(jié)果。在實驗教學中通過學生之間、教師和學生之間對實驗數(shù)據(jù)的探究與對話，用數(shù)學思維去理解生物學的核心概念，去構(gòu)建高中生物學實驗知識的網(wǎng)絡(luò)。