STEAM理念下高中生物實驗課堂教學(xué)與反思

STEAM教育是由STEM演變而來的，是科學(xué)（Science）、技術(shù)（Technology）、工程（Engineering）、藝術(shù)（Arts）和數(shù)學(xué)（Mathematics）這五門學(xué)科英文字母的縮寫，是一種跨學(xué)科整合的教育模式。北京師范大學(xué)教育技術(shù)學(xué)院院長余勝泉等認為，STEAM 課程具有跨學(xué)科、趣味性、體驗性、情境性、協(xié)作性、設(shè)計性、藝術(shù)性、實證性和技術(shù)增強性等特點。這種教育模式，可以加強學(xué)科間的相互配合，讓學(xué)生在綜合的環(huán)境中學(xué)習(xí)，在項目探究活動中，應(yīng)用多學(xué)科的知識分析問題、解決問題。

本文以人教版高中生物選修一“土壤中分解尿素的細菌的分離與計數(shù)”為例，嘗試運用STEAM理念，開展項目式探究，以提高學(xué)生的科學(xué)實踐、創(chuàng)新思維、社會責(zé)任等核心素養(yǎng)。本文將按時間順序分步介紹不同探究階段的項目活動和探究過程。

一、前期項目探究

1.教材實驗過程介紹

本次實驗的基本步驟為：土壤取樣→制備培養(yǎng)基→樣品的稀釋→取樣涂布→培養(yǎng)與觀察。

2.前期項目開展

筆者先帶領(lǐng)生物社團的學(xué)生，按教材內(nèi)容開展前期探究。由于開始沒進行預(yù)實驗，選取的稀釋濃度按教材提供的104、105、106，實驗結(jié)果并沒有達到預(yù)期效果，以尿素為唯一氮源的選擇培養(yǎng)基上生長的菌落數(shù)量很少。

3.前期結(jié)果分析

興趣小組查閱了相關(guān)資料，討論分析后得出失敗的原因可能有：小花園中分解尿素的微生物比較少，而且稀釋濃度太高;土壤樣液沒有充分振蕩，導(dǎo)致微生物濃度較低。

二、中期項目探究

此次項目內(nèi)容做了調(diào)整，分解為3個具體任務(wù)：①探究菜園（經(jīng)常施加農(nóng)家肥）的土壤中尿素分解菌的濃度;②探究分離尿素分解菌的最適稀釋度。③探究不同溫度下分解尿素的細菌的生長狀況。本次分了2個小組分別進行探究。

1.實驗步驟的初步改進

在土壤稀釋時土壤樣液用振蕩器充分振蕩30分鐘后再進行分步稀釋，并且本次稀釋度調(diào)整為102、103、104、105、106、107，增加稀釋度的范圍。

2.土樣選取區(qū)域和培養(yǎng)溫度的改變

小組討論決定從經(jīng)常施用農(nóng)家肥的菜園取土樣。增設(shè)了室溫（26℃左右）和恒溫（35℃）做對照。從結(jié)果分析，花園土樣中分解尿素的細菌數(shù)量比校園中的多，且適宜稀釋度應(yīng)在102、103、104。

經(jīng)過小組分析討論、實驗改進和合作探究，微生物數(shù)量顯著提高，項目學(xué)習(xí)初步取得成功。

三、后期項目探究與匯報

后期項目中全班分成8個項目小組，分別進行實驗探究，最后以匯報的形式在班級展示。

1.課堂教學(xué)導(dǎo)入

以教材問題探討帶入課堂，讓同學(xué)們了解分離分解尿素的細菌的實驗重要性和必要性，引起學(xué)生的探究欲望。

2.確定課題設(shè)計思路

展示資料：“黃石公園的熱泉中分離出Taq細菌，從而得到耐高溫的DNA聚合酶”“勝利油田被石油污染的土壤中分離出能降解柴油的酵母菌”，引導(dǎo)學(xué)生總結(jié)得出篩選分離菌株應(yīng)該從其相適應(yīng)的環(huán)境中去尋找。

3.計數(shù)方法的探究

對平板劃線法和稀釋涂布平板法做比較，分析兩者的異同，確定對活菌的計數(shù)要用稀釋涂布平板法。此外，為了遵循實驗的可重復(fù)性原則，防止偶然因素的干擾，每個稀釋度至少涂3個平板。

4.小組匯報分析

各小組對實驗過程和注意事項進行了分析、反思后，最終以視頻和圖片等形式進行匯報。

①土壤取樣：取樣同學(xué)視頻演示了取土過程，并強調(diào)指出，取樣的工具（鏟子和信封）需要滅菌，且要從潮濕的距地表3—8cm處，不同區(qū)域取樣實驗結(jié)果會有差別。如菜園土樣中稀釋度為102分別計數(shù)為241、223、229;花園土樣則為103、88、92

②制備培養(yǎng)基：基本步驟為計算→稱量→熔化→滅菌→倒平板。學(xué)生特別強點了牛肉膏的稱取方法，錄制播放了操作視頻，生動地演示了操作過程中的窘態(tài)和無奈。此外，倒平板時溫度不能太低，否則培養(yǎng)基會凝固，還有培養(yǎng)基不能太多也不能太少。學(xué)生視頻演示了倒平板的規(guī)范操作，強調(diào)在火焰旁操作，并且要注意培養(yǎng)皿打開一條縫隙而不要完全打開。

③樣品的稀釋：學(xué)生視頻演示操作過程，強調(diào)稱量土壤需在酒精燈旁，稀釋前樣液需要充分震蕩，試管要做好標記，移液槍的槍頭要滅菌，由于從高濃度到低濃度稀釋，需要換槍頭。

④取樣涂布：學(xué)生視頻演示規(guī)范的操作過程，本次可以從低濃度向高濃度取樣，不必換槍頭。同學(xué)們反思了操作時的錯誤步驟，⑤微生物的培養(yǎng)觀察與計數(shù)：小組討論決定實驗設(shè)置兩個溫度，分別是室溫和恒溫（35℃），每隔培養(yǎng)24小時觀察一次，室溫下的繼續(xù)培養(yǎng)3—5天，觀察霉菌的生長情況。待菌落數(shù)目穩(wěn)定后，計數(shù)并做好記錄。

記錄數(shù)據(jù)時，我們發(fā)現(xiàn)有的實驗組數(shù)據(jù)差距很大，比如：104實驗組的數(shù)據(jù)是：83、77、301，還有的組發(fā)現(xiàn)，選擇培養(yǎng)基中細菌的數(shù)目比牛肉膏蛋白胨的大，可能是哪些原因造成的？實驗數(shù)據(jù)應(yīng)該如何處理呢？學(xué)生們在記錄和處理數(shù)據(jù)時發(fā)現(xiàn)實驗成果的來之不易，從而提升了學(xué)生對生命科學(xué)的認知和科學(xué)探索的精神。

5.小組發(fā)問討論

經(jīng)過實踐活動和小組的匯報分析，學(xué)生對實驗的操作過程和方法已熟練掌握，關(guān)于本課題還有哪些疑惑呢？下一個環(huán)節(jié)就是學(xué)生發(fā)問，互相討論，最后總結(jié)歸納得出結(jié)論。

最后老師引導(dǎo)學(xué)生查閱資料，搜索到了自己感興趣的方向，繼續(xù)關(guān)注和實踐探究。

四、反思和展望

本實驗運用STEAM理念和方法，以項目設(shè)計為主題，以學(xué)生實踐為中心，以小組分工合作為學(xué)習(xí)形式，將科學(xué)實驗、行為和語言、數(shù)學(xué)、視覺、聽覺進行融合，比傳統(tǒng)生物教學(xué)更能激發(fā)學(xué)生對生物科學(xué)的學(xué)習(xí)興趣。學(xué)生在科學(xué)探究的過程中，不斷地發(fā)現(xiàn)問題、解決問題、再發(fā)現(xiàn)問題、再解決問題，逐步提升了實踐能力、創(chuàng)新思維、合作探究等生物學(xué)科素養(yǎng)。在學(xué)習(xí)成果的分享展示環(huán)節(jié)中也可以讓學(xué)生有被肯定的滿足感和成就感。

STEAM教育是科技發(fā)展的需求。當下，生物實驗課堂教學(xué)的主要問題是實驗室條件不足和實驗時間的限制。相信只要我們不斷地探究、實踐和總結(jié)，在不久的將來一定會完善出一套適合中國教育國情的STEAM教育體系，培養(yǎng)出更多的新時代發(fā)展所需要的綜合性人才。

天津市武清區(qū)楊村第三中學(xué) 呂紅梅