基于STEM理念的高中生物學(xué)實(shí)驗教學(xué)實(shí)踐與思考

劉閃閃 何榮江

摘要總結(jié)了基于STEM理念的高中生物學(xué)實(shí)驗教學(xué)思路，并結(jié)合案例分析了“基于STEM理念拓展教材實(shí)驗”“基于STEM理念進(jìn)行項目研究”等將STEM融入實(shí)驗教學(xué)的途徑，引導(dǎo)學(xué)生在解決實(shí)際問題的實(shí)驗過程中提升生物學(xué)核心素養(yǎng)。

關(guān)鍵詞 STEM 高中生物實(shí)驗 教學(xué)思路 案例分析

中圖分類號G633. 91文獻(xiàn)標(biāo)志碼B

《普通高中生物學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版）》明確要求學(xué)生“能夠?qū)TEM知識和能力綜合運(yùn)用在實(shí)踐活動中，解決生活中的實(shí)際問題”。STEM教育目標(biāo)是整合各領(lǐng)域知識、技能，強(qiáng)調(diào)以“實(shí)際生活”為基礎(chǔ)，以“解決問題”為導(dǎo)向，通過科學(xué)探究的實(shí)踐解決實(shí)際問題。因此，開展基于STEM理念的實(shí)驗教學(xué)與課程標(biāo)準(zhǔn)中的要求高度契合。

1教學(xué)思路

在教學(xué)設(shè)計中，教師以問題為出發(fā)點(diǎn)，引導(dǎo)學(xué)生分析STEM要素并設(shè)計方案解決實(shí)際問題。根據(jù)已有的研究經(jīng)驗及自身多次教學(xué)實(shí)踐，筆者總結(jié)出如圖1所示的教學(xué)思路。

2案例呈現(xiàn)

2.1基于STEM理念拓展教材實(shí)驗——以“植物向光性的探究實(shí)驗”為例

2.1.1創(chuàng)設(shè)情境，提出問題

在“植物生長素”的教學(xué)過程中，教師引導(dǎo)學(xué)生評價科學(xué)家的實(shí)驗，學(xué)生提出拜爾的實(shí)驗中將切除的尖端放在胚芽鞘一側(cè)的操作難度較大，并對溫特實(shí)驗中切除尖端的胚芽鞘不能生長提出質(zhì)疑。教師展示胚芽鞘切除尖端后再生長的圖片，以肯定學(xué)生的質(zhì)疑。經(jīng)資料查閱與討論后，學(xué)生提出以下探究問題：①如何簡化拜爾的實(shí)驗方案？②初始長度對胚芽鞘切除尖端后的再生長有無影響？

2.1.2STEM要素分析

學(xué)生以小組為單位，分別從科學(xué)、技術(shù)、工程和數(shù)學(xué)4個維度分析實(shí)驗過程中涉及的SETM要素（表1），以確定實(shí)驗步驟、實(shí)驗數(shù)據(jù)的檢測方法等，為設(shè)計實(shí)驗方案做好準(zhǔn)備。

2.1.3合作探討，設(shè)計方案

結(jié)合STEM要素分析，學(xué)生逐步確定實(shí)驗材料、自變量、因變量、實(shí)驗分組、處理條件和檢測指標(biāo)，設(shè)計了2個實(shí)驗方案（表2、表3）。

2.1.4實(shí)施方案，匯報交流

根據(jù)實(shí)驗方案1，學(xué)生選擇直徑約1 cm的玉米胚芽鞘，分別切除胚芽鞘尖端左、右側(cè)5 mm，并置于不透光紙箱中黑暗處理5 h。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，切除右側(cè)尖端的胚芽鞘彎向右側(cè)生長，切除左側(cè)尖端的胚芽鞘彎向左側(cè)生長。因此，單側(cè)切除胚芽鞘尖端可以使尖端產(chǎn)生的影響在尖端以下部位分布不均勻，從而引起胚芽鞘向切除側(cè)彎曲生長。此方案操作簡單，實(shí)驗現(xiàn)象明顯，實(shí)驗周期短，可做為拜爾實(shí)驗的簡化方案。

根據(jù)實(shí)驗方案2，學(xué)生分別選擇1、1.5、2、2.5 cm的小麥胚芽鞘各4個，切除尖端5 mm后，置于不透光紙箱中暗處理12 h，用直尺測量切除尖端部位以上的生長長度，記錄數(shù)據(jù)并進(jìn)行統(tǒng)計分析。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，初始長度分別為1、1.5、2、2.5 cm的小麥胚芽鞘切除尖端暗處理12 h后，生長長度分別約為0.3、0.5、3.3、5.8 mm。1～1.5 cm的小麥胚芽鞘切除尖端后生長長度顯著低于2～2.5 cm的小麥胚芽鞘。因此，小麥胚芽鞘切除尖端后暗處理過程中的生長與胚芽鞘初始長度有關(guān)，在胚芽鞘初始長度1～2.5 cm范圍內(nèi)，切除尖端后暗處理過程中的生長長度隨胚芽鞘初始長度的增長而增加。

此外，教師也可以通過對教材實(shí)驗的改編實(shí)現(xiàn)基于STEM理念對教材實(shí)驗的拓展。教師可以把教材中的驗證性實(shí)驗改編成探究性實(shí)驗，如把“光合色素的提取與分離實(shí)驗”改編成“探究溫度對光合色素含量的影響”，把“果汁中的果膠和果膠酶”改編成“探究溫度對果膠酶的影響”；也可以把教材中的定性實(shí)驗改編成定量實(shí)驗，如把“模擬尿糖的檢測”改編成“模擬檢測尿液中還原糖的含量”，把“檢測生物組織中的蛋白質(zhì)”改編成“檢測不同生物組織中蛋白質(zhì)的含量”，利用O2、CO2濃度傳感器檢測光合強(qiáng)度、呼吸速率，利用光電比色法定量檢測酶、果膠、總蛋白等物質(zhì)的含量，等等。

2.2基于STEM理念開展項目研究——以“低糖高甜果茶的研制”為例

2.2.1創(chuàng)設(shè)情境，提出問題

在學(xué)習(xí)“血糖平衡與調(diào)節(jié)”時，教師介紹糖尿病的類型及病因：糖尿病患者需嚴(yán)格控制糖類攝入量，因此少了很多品味“甜”的幸福感。有沒有什么食品既能滿足糖尿病人對甜度的需求，又不增加血糖濃度？學(xué)生提出STEM研究項目：研制一款適合糖尿病人的低糖高甜果茶。

2.2.2STEM要素分析

以小組為單位，分別從科學(xué)、技術(shù)、工程和數(shù)學(xué)四個維度分析實(shí)驗過程中涉及的SETM要素（表4），以確定原材料、實(shí)驗方法、實(shí)驗步驟等，為設(shè)計研究方案做好準(zhǔn)備。

2.2.3合作探討，設(shè)計方案

學(xué)生經(jīng)查閱資料及小組討論后，確定以西柚、綠茶和甜葉菊為原材料，其中甜葉菊含有低熱量、高甜度的甜菊糖苷，是一種合適的代糖，可以滿足糖尿病人對甜度的需求且不會增加血糖濃度。將西柚榨汁，分別用熱水浸提綠茶和甜葉菊獲得茶湯；將三者按一定比例混合后，初步進(jìn)行感官評定（湯色、香氣與滋味各10分，共30分）；根據(jù)分值初步篩選合適配比。在單因素基礎(chǔ)上，確定正交試驗的三因素與三水平，開展正交試驗，篩選出最佳配比，測定茶多酚、可溶性固形物及pH等指標(biāo)，經(jīng)滅菌后裝瓶，并通過取果茶培養(yǎng)后統(tǒng)計總菌落數(shù)確定產(chǎn)品貨架期。最后，設(shè)計產(chǎn)品包裝，獲得成品。

2.2.4實(shí)施方案，匯報交流

根據(jù)研究方案，學(xué)生首先確定了茶湯浸提工藝，然后初步對7組不同配比的果茶進(jìn)行感官評定（表5），根據(jù)分值初步篩選合適配比，然后通過正交實(shí)驗確定最佳配比，以下為部分實(shí)驗結(jié)果。

根據(jù)表5，確定以西柚汁、甜葉菊茶湯、綠茶茶湯配比0.4∶3.5∶1設(shè)置正交試驗的三因素三水平（表6），由正交試驗結(jié)果（表7）可知，各因素對復(fù)合果茶感官品質(zhì)的影響次序為甜葉菊茶湯>西柚汁>綠茶茶湯，以A1B2C3組合為最佳配比（即西柚汁0.3 g、甜葉菊茶湯3.5 g、綠茶茶湯1.2 g）。

根據(jù)最佳配比配制果茶后，首先進(jìn)行感官評定，分值為29.1，因此獲得了較理想的果茶配比。然后，滅菌與裝瓶，檢測產(chǎn)品安全性及營養(yǎng)成分，設(shè)計產(chǎn)品包裝，獲得低糖西柚果茶成品（圖5）。請多位糖尿病人飲用該果茶后，發(fā)現(xiàn)患者的血糖濃度無明顯升高。

由以上實(shí)驗結(jié)果可知，采用甜葉菊作為代糖，與綠茶、西柚汁按3.5∶1.2∶0.3的配比獲得的果茶，可以滿足糖尿病人對甜度需求的同時又不增加血糖濃度，適合糖尿病人飲用。

此外，教師也可以引導(dǎo)學(xué)生思考與環(huán)境、健康、作物產(chǎn)量等相關(guān)的生活中的實(shí)際問題，鼓勵學(xué)生開展STEM項目研究。例如，在學(xué)習(xí)“泡菜的腌制和亞硝酸鹽的測定”時，學(xué)生曾提出：哪種泡菜更健康？不同泡菜亞硝酸鹽含量隨時間變化趨勢一樣嗎？教師沒有直接給出這些問題的答案，而是引導(dǎo)學(xué)生開展項目探究，從實(shí)驗中尋找答案。學(xué)生開展探究活動后，發(fā)現(xiàn)，白菜制作的泡菜亞硝酸鹽含量較低，白蘿卜制作的泡菜亞硝酸鹽峰值早于胡蘿卜，三種泡菜在腌制8 d以后亞硝酸鹽含量均較低（圖6）。

3總結(jié)與反思

將STEM理念融入高中生物學(xué)實(shí)驗的途徑有很多。教師可以由學(xué)生的問題與質(zhì)疑鼓勵學(xué)生開展探究，可以通過對教材實(shí)驗的改編拓展教材實(shí)驗，也可以引導(dǎo)學(xué)生根據(jù)所學(xué)知識及原理，從現(xiàn)實(shí)生活中發(fā)現(xiàn)問題，開展STEM項目研究。當(dāng)然，不同的實(shí)驗可能側(cè)重于STEM中的某一個或某幾個要素，且不同類型的實(shí)驗對學(xué)生能力的要求不同，教師應(yīng)根據(jù)學(xué)生的層次做好分組，引導(dǎo)學(xué)生查閱資料解決一些超出其知識范圍的技術(shù)方法等難題，積極關(guān)注實(shí)驗過程中出現(xiàn)的新問題并給予正確引導(dǎo)，提醒學(xué)生設(shè)置平行重復(fù)實(shí)驗，指導(dǎo)學(xué)生對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理與分析、得出科學(xué)的結(jié)論，并將多元化的評價貫穿始終?；赟TEM理念開展高中生物實(shí)驗教學(xué)可以引發(fā)生生之間與師生之間思維的碰撞，學(xué)生在解決問題的探究過程中思維得以啟迪，能力得到鍛煉，生物學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)得以提升。

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