STEAM理念下初中生物學(xué)探究實(shí)驗(yàn)評(píng)價(jià)情境的創(chuàng)設(shè)

張琪 李志興 宋娟

摘要 在初中生物實(shí)驗(yàn)教學(xué)中融合 STEAM 理念，創(chuàng)設(shè)探究實(shí)驗(yàn)評(píng)價(jià)情境，引導(dǎo)學(xué)生在實(shí)驗(yàn)室條件下探究電子煙的成分及其危害，從而提高學(xué)生跨學(xué)科知識(shí)整合的思維能力，培養(yǎng)關(guān)愛(ài)生命的意識(shí)，最終發(fā)展生物學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)。

關(guān)鍵詞 電子煙? STEAM 評(píng)價(jià)情境 創(chuàng)新實(shí)驗(yàn) 核心素養(yǎng)

中圖分類號(hào) G633.91????????????? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼 B

評(píng)價(jià)情境是運(yùn)用學(xué)科內(nèi)容、執(zhí)行學(xué)科任務(wù)、展現(xiàn)學(xué)科核心素養(yǎng)發(fā)展水平的載體，評(píng)價(jià)情境的創(chuàng)設(shè)承擔(dān)著引導(dǎo)學(xué)生核心素養(yǎng)外顯的重任。STEAM 教育是集科學(xué)、技術(shù)、工程、人文和數(shù)學(xué)于一體的多學(xué)科交叉的綜合性教育理念，對(duì)培養(yǎng)學(xué)生的綜合素質(zhì)、創(chuàng)新精神以及實(shí)踐能力有著重要的作用。在初中生物學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，教師以情境作為評(píng)價(jià)背景和載體，將STEAM 教育理念融入到探究實(shí)驗(yàn)評(píng)價(jià)情境中，可改變傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式，激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新思維，促進(jìn)學(xué)生對(duì)知識(shí)的掌握與應(yīng)用，同時(shí)有助于提升學(xué)生的生物學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)。

1 背景

山東科學(xué)技術(shù)出版社七年級(jí)下冊(cè)“選擇健康的生活方式”一節(jié)直觀呈現(xiàn)了傳統(tǒng)香煙煙霧中含有的化學(xué)物質(zhì)及危害，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)探究“煙草浸出液對(duì)水蚤心率的影響”，突出了吸煙對(duì)心血管的不利影響。通過(guò)學(xué)習(xí)，學(xué)生能夠了解并認(rèn)同傳統(tǒng)香煙的危害。電子煙又稱電子尼古丁傳送系統(tǒng)（ENDS），是近年來(lái)發(fā)展最為迅速的一種新型煙草制品。因其具有隱蔽性強(qiáng)、外觀時(shí)尚、口味多樣等特點(diǎn)，不少中小學(xué)生開(kāi)始吸食電子煙。電子煙已然成為青少年健康的新威脅。但是，學(xué)生對(duì)于電子煙的成分及其危害并不了解。因此，本實(shí)驗(yàn)融合STEAM 理念，通過(guò)創(chuàng)設(shè)探究實(shí)驗(yàn)評(píng)價(jià)情境，探究電子煙的成分，并通過(guò)模擬實(shí)驗(yàn)直觀呈現(xiàn)其危害，旨在提升學(xué)生的生物學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)，發(fā)揮生物學(xué)在健康教育領(lǐng)域所具有的天然優(yōu)勢(shì)。

2 教學(xué)目標(biāo)

①通過(guò)觀察實(shí)驗(yàn)的直觀現(xiàn)象，充分了解電子煙的危害，從而樹(shù)立珍惜生命、崇尚健康文明的生活方式。

②基于 STEAM 教育理念，通過(guò)運(yùn)用生物、物理、化學(xué)等知識(shí)和原理，自行設(shè)計(jì)探究實(shí)驗(yàn)方案，增強(qiáng)跨學(xué)科思維及創(chuàng)造性思維。

③運(yùn)用已有知識(shí)，創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)材料與實(shí)驗(yàn)裝置，動(dòng)手完成探究實(shí)驗(yàn)，同時(shí)培養(yǎng)團(tuán)隊(duì)合作的能力。

④樹(shù)立珍愛(ài)生命、遠(yuǎn)離電子煙的意識(shí)，并積極向社會(huì)宣傳電子煙的危害，成為健康中國(guó)的促進(jìn)者和實(shí)踐者。

3 設(shè)計(jì)流程

以發(fā)展學(xué)生的生物學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)為最終目標(biāo)，結(jié)合課程標(biāo)準(zhǔn)，創(chuàng)設(shè)探究實(shí)驗(yàn)評(píng)價(jià)情境，構(gòu)建了如圖1所示的STEAM 實(shí)驗(yàn)教學(xué)設(shè)計(jì)流程。

4 材料與儀器

電子煙，電子煙煙油，小魚(yú)，蒸餾水，高錳酸鉀溶液，斐林試劑，標(biāo)準(zhǔn)鉛溶液（1μg/mL），醋酸鹽緩沖液（pH 為3.5），硫代乙酰胺試液，試管，錐形瓶，移液器，量筒，燒杯，電子控溫加熱器，兩口燒瓶，氣球，溫度計(jì)，水浴加熱裝置，孟氏洗氣瓶，橡膠管，注射器，過(guò)濾器，微孔濾膜（直徑13 mm，孔徑3μm）等。

5 任務(wù)實(shí)施

STEAM 教育倡導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行探究性學(xué)習(xí)。如何激發(fā)學(xué)生的探究欲望？教師課前創(chuàng)設(shè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)評(píng)價(jià)情境：你身邊有人吸食電子煙嗎？你能設(shè)計(jì)探究實(shí)驗(yàn)探究電子煙的成分嗎？你能否通過(guò)模擬實(shí)驗(yàn)，直觀呈現(xiàn)這些成分的危害？學(xué)生以學(xué)習(xí)小組為單位，自主查閱電子煙的相關(guān)資料，明確實(shí)驗(yàn)原理，掌握相關(guān)的實(shí)驗(yàn)操作技術(shù)。課上，各小組根據(jù)所搜集的資料，討論、設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)步驟。各組展示小組的設(shè)計(jì)，相互提出建議。之后，學(xué)生列出所需材料和儀器清單，明確各種試劑的濃度和作用，并在教師引導(dǎo)下分析已有方案，修改細(xì)節(jié)。在完成實(shí)驗(yàn)材料與儀器的準(zhǔn)備工作后，學(xué)生動(dòng)手完成實(shí)驗(yàn)探究，及時(shí)記錄實(shí)驗(yàn)結(jié)果。最后，學(xué)生分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果，得出實(shí)驗(yàn)結(jié)論，形成成果，進(jìn)行推廣。 5.1探究煙油中是否含有煙堿

實(shí)驗(yàn)原理：煙堿能使紫色高錳酸鉀溶液褪色。

實(shí)驗(yàn)過(guò)程：取兩支試管，編號(hào)1號(hào)和2號(hào)，各加入2 mL 高錳酸鉀溶液，之后分別加入1 mL 煙油和1 mL 蒸餾水，充分震蕩混勻。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果：1號(hào)試管中紫色高錳酸鉀溶液紫色褪去，2號(hào)試管無(wú)明顯變化。

由此，學(xué)生得出結(jié)論：電子煙的煙油中含有煙堿成分。

5.2探究煙堿的危害

實(shí)驗(yàn)原理：少劑量煙堿可引起生物體機(jī)體興奮，大劑量可導(dǎo)致生物呼吸麻痹直至死亡。

實(shí)驗(yàn)過(guò)程：準(zhǔn)備5個(gè)燒杯，編號(hào)1-5號(hào)，分別加入清水和體積分?jǐn)?shù)分別為0.2%、0.5%、1.0%和2.0%的煙油溶液各300 mL。之后，同時(shí)各加入5條小魚(yú)并開(kāi)始計(jì)時(shí)。每隔一段時(shí)間觀察小魚(yú)活躍狀態(tài)，記錄小魚(yú)全部死亡所用的時(shí)間。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果：煙油溶液濃度越高，小魚(yú)初始越興奮，由麻痹到死亡也越快（表1）。

由此，學(xué)生得出結(jié)論：煙堿對(duì)生物個(gè)體有嚴(yán)重危害，并且濃度越高，危害越嚴(yán)重。

5.3探究電子煙煙油加熱后產(chǎn)生的有害物質(zhì)

學(xué)生查閱資料，得知：煙油在加熱的過(guò)程中形成的煙霧，其成分主要除了有煙堿，還有一些揮發(fā)性有機(jī)化合物、致癌化學(xué)品以及重金屬等，如丙二醇和丙三醇在高溫下可生成甲醛、乙醛等醛類物質(zhì)。

實(shí)驗(yàn)原理：斐林試劑與醛可以生成磚紅色沉淀。

實(shí)驗(yàn)過(guò)程：取一個(gè)兩口燒瓶，一口連一支溫度計(jì)，另一口固定一只氣球（防止煙霧揮發(fā)并起到緩沖作用）。將裝有5 mL 電子煙煙油的燒瓶放入電子控溫加熱器中，300℃加熱5 s，冷卻備用。取3支試管，分別編號(hào)1、2、3號(hào)，各加入3 mL 斐林試劑，再分別加入1 mL加熱后的煙油、未加熱的煙油、蒸餾水，充分震蕩混勻，于沸水浴中3min，觀察現(xiàn)象。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果：1號(hào)試管中出現(xiàn)磚紅色沉淀，其他兩支試管無(wú)明顯變化。

學(xué)生由此得出結(jié)論：煙油加熱后會(huì)產(chǎn)生醛類物質(zhì)，對(duì)人體有嚴(yán)重危害。

5.4探究電子煙煙霧中含有重金屬

實(shí)驗(yàn)原理：硫代乙酰胺在弱酸性條件下水解，產(chǎn)生硫化氫，與重金屬離子生成黃色到棕黑色的硫化物混懸液，用微孔濾膜濾過(guò)，重金屬硫化物沉集于濾膜形成色斑，與標(biāo)準(zhǔn)鉛斑比較，可半定量測(cè)定重金屬含量，并且檢測(cè)靈敏度較高。

實(shí)驗(yàn)過(guò)程：（1）收集煙霧。取孟氏洗氣瓶1個(gè)，一端連接裝有1 mL 煙油的電子煙，另一端連接注射器，往洗氣瓶中加蒸餾水至8 mL（圖2），抽動(dòng)注射器，模擬吸煙過(guò)程并收集煙霧直至煙油耗盡。洗氣結(jié)束后，加蒸餾水至10 mL，得樣品，備用。

（2）制備梯度標(biāo)準(zhǔn)鉛斑。準(zhǔn)備4個(gè)錐形瓶，分別移取標(biāo)準(zhǔn)鉛溶液（1μg /mL）0、2、4、6 mL，再加蒸餾水到10 mL，即每支試管中的含鉛量等于0μg、2μg、4μg、6μg。加入pH約3.5醋酸鹽緩沖液2 mL與硫代乙酰胺試液1 mL，搖勻，放置10min。用50 mL注射器，分別將各梯度標(biāo)準(zhǔn)液轉(zhuǎn)移至微孔濾膜過(guò)濾器中，緩緩進(jìn)行壓濾，濾畢，取下濾膜，放在濾紙上干燥，即得梯度標(biāo)準(zhǔn)鉛斑：0μg對(duì)應(yīng)的濾膜上無(wú)鉛斑，2μg、4μg、6μg分別對(duì)應(yīng)的濾膜鉛斑顏色由黃色到棕黑色，依次加深（圖3）。

（3）比色。依照標(biāo)準(zhǔn)鉛斑的制備，將步驟（1）中所得樣品進(jìn)行壓濾，10 min 內(nèi)將生成的斑點(diǎn)與標(biāo)準(zhǔn)鉛斑進(jìn)行比色。

本課程中學(xué)生研究了3份電子煙樣品。結(jié)果顯示，樣品1的濾膜鉛斑顏色介于標(biāo)準(zhǔn)鉛斑的0～2μg之間，樣品2的濾膜鉛斑顏色接近2μg ，樣品3的濾膜鉛斑顏色介于4～6μg 之間，即3份樣品均含有一定量的重金屬。由此學(xué)生得出結(jié)論：電子煙煙霧中含有重金屬，對(duì)人體有害。

5.5了解電子煙調(diào)味劑的危害

教師提問(wèn)：實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，除了看到、聽(tīng)到、摸到，你還有什么感官能獲得信息？學(xué)生回答：聞到香味。教師告知學(xué)生電子煙中起調(diào)味作用的物質(zhì)——雙乙酰，會(huì)導(dǎo)致“爆米花肺”，同時(shí)播放相關(guān)視頻，提醒學(xué)生警惕并拒絕“二手電子煙”。

6 成果推廣

學(xué)生自行總結(jié)電子煙的危害，并討論實(shí)驗(yàn)收獲。教師課后舉辦“拒絕電子煙，養(yǎng)成好習(xí)慣”倡議簽名活動(dòng)，并將實(shí)驗(yàn)成果在全校范圍內(nèi)推廣，呼吁師生摒棄吸煙文化，體現(xiàn)中學(xué)生物課程的人文關(guān)懷。

7 項(xiàng)目評(píng)價(jià)

“探究電子煙的危害”項(xiàng)目是綜合了科學(xué)、創(chuàng)新、技術(shù)和人文等因素的探究任務(wù)評(píng)價(jià)情境，能使學(xué)生真實(shí)地展現(xiàn)自己的核心素養(yǎng)發(fā)展水平，實(shí)現(xiàn)激勵(lì)學(xué)生學(xué)習(xí)和改進(jìn)教師教學(xué)的評(píng)價(jià)目的。項(xiàng)目評(píng)價(jià)需要從科學(xué)性、創(chuàng)新性、過(guò)程性和推廣性4方面進(jìn)行。評(píng)價(jià)量規(guī)見(jiàn)表2。

8 教學(xué)反思

預(yù)防青少年吸煙是學(xué)校教育的重要組成部分，但以往的教育實(shí)踐活動(dòng)多以電子煙成分與危害的科普介紹為主，學(xué)生很難深刻認(rèn)識(shí)到電子煙的毒性。本研究以此情境作為評(píng)價(jià)背景和載體，與生物學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)的評(píng)價(jià)有機(jī)結(jié)合，在STEAM 教育理念的基礎(chǔ)上，引導(dǎo)學(xué)生自行查閱資料、制訂并實(shí)施計(jì)劃，在實(shí)驗(yàn)室條件下親自驗(yàn)證了電子煙的危害。探究實(shí)驗(yàn)評(píng)價(jià)情境的創(chuàng)設(shè)充分提升了生物學(xué)科的育人價(jià)值，為教學(xué)評(píng)價(jià)注入了新元素，是對(duì)當(dāng)前教學(xué)評(píng)價(jià)理論的創(chuàng)造性拓展，也將對(duì)生物學(xué)科教學(xué)評(píng)價(jià)體系的創(chuàng)新和發(fā)展產(chǎn)生積極的影響。

參考文獻(xiàn)：

[1]閆白洋.融入 STEAM 理念的研究型課程的實(shí)施路徑[J].生物學(xué)教學(xué)，2021，46（5）：66-68.

[2]王明霞，張書(shū)銘，竇玉青，李波.電子煙安全性研究進(jìn)展[J].中國(guó)煙草科學(xué)，2020，41（3）：88-92.

[3]王寧寧.生物學(xué)教學(xué)中滲透心理健康教育的可行性研究[J].中學(xué)生物教學(xué)，2021（9）：7-9.

[4]陳萍萍，何裕麗，舒琥.在生物學(xué)探究實(shí)驗(yàn)中開(kāi)展STEAM 教育嘗試[J].中學(xué)生物教學(xué)，2021（2）：62-64.