趙小珍 韋艷艷

摘要：以生物學(xué)科學(xué)方法、實(shí)驗(yàn)操作技能、動手實(shí)踐環(huán)節(jié)、課堂教學(xué)技能、數(shù)學(xué)模型與STEAM教育的五個領(lǐng)域相結(jié)合，以實(shí)際課堂案例分析高中生物教師應(yīng)該如何在生物學(xué)課堂中運(yùn)用STEAM教育。

關(guān)鍵詞：STEAM教育;生物學(xué);課堂教學(xué);生物學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)

中圖分類號：G633.91 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B

STEAM教育是一種綜合性教育，融合了科學(xué)（Science）、技術(shù)（Technology）、工程（Engineering）、藝術(shù)（Art）、數(shù)學(xué)（Mathematics）多門學(xué)科，多強(qiáng)調(diào)以問題解決為動力，以學(xué)生為中心，以跨學(xué)科知識為核心。在生物學(xué)課堂教學(xué)中融入STEAM教育，以生物學(xué)科學(xué)方法提高學(xué)生的科學(xué)思維，在探究實(shí)驗(yàn)、實(shí)踐活動中增強(qiáng)科學(xué)探究能力，對落實(shí)提高學(xué)生的生物學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)具有一定的實(shí)踐意義。

1利用生物學(xué)科學(xué)方法理解STEAM教育的科學(xué)性

科學(xué)方法是指人們采用一些手段和方法來獲得科學(xué)知識，可以用來探索真理，也是獲得新知識的工具，在科學(xué)研究中經(jīng)常用到。教師在生物課堂中如果用到生物科學(xué)方法，學(xué)生的思維、科學(xué)探索能力會得到很大的提高。常用的生物學(xué)科學(xué)方法有實(shí)驗(yàn)法、觀察法、調(diào)查法、定性和定量分析方法等。圖1、圖2為各種生物科學(xué)方法在必修課程中的使用情況。

從圖中，可以看出必修課程中運(yùn)用得最多的是分析法和模型法，其次是實(shí)驗(yàn)法、觀察法等。高中生物教材必修部分包括“分子與細(xì)胞”和“遺傳與進(jìn)化”兩個模塊。必修課程是現(xiàn)代生物學(xué)的核心內(nèi)容，是高中學(xué)生必須掌握的基礎(chǔ)內(nèi)容，同時是學(xué)習(xí)選擇性必修和選修課程的基礎(chǔ)。因此，教師在必修課程中利用生物科學(xué)方法，讓學(xué)生對生物學(xué)產(chǎn)生濃厚的興趣是至關(guān)重要的。關(guān)于生物科學(xué)方法是如何滲透進(jìn)生物學(xué)教學(xué)中的，如圖3所示。

人教版高中生物新課標(biāo)教材中的科學(xué)方法內(nèi)容豐富，并且根據(jù)不同模塊教學(xué)內(nèi)容特點(diǎn)和學(xué)生認(rèn)知規(guī)律進(jìn)行了整體化的設(shè)計(jì)和編排。教師在教學(xué)過程中，應(yīng)當(dāng)對整套教材的科學(xué)方法體系了然于胸，有計(jì)劃、有步驟地進(jìn)行科學(xué)方法內(nèi)容的教學(xué)，不斷提高學(xué)生的科學(xué)探究能力。這很好地體現(xiàn)了STEAM教育的科學(xué)性在生物學(xué)科中的應(yīng)用，促進(jìn)了學(xué)生學(xué)科核心素養(yǎng)的養(yǎng)成，對學(xué)生今后的發(fā)展起著至關(guān)重要的作用。除了利用生物科學(xué)方法來理解STEAM教育的科學(xué)理念，教師還可以通過生物科學(xué)史以及生物最新熱點(diǎn)等來促進(jìn)學(xué)生加深理解。

2掌握操作技能理解STEAM教育的技術(shù)性

實(shí)驗(yàn)是生物學(xué)教學(xué)的重要環(huán)節(jié)?？茖W(xué)實(shí)驗(yàn)要求有一定的技術(shù)性，必須按照實(shí)驗(yàn)規(guī)范進(jìn)行操作，因?yàn)橛械膶?shí)驗(yàn)過程較繁瑣，必須有專門的實(shí)驗(yàn)人員在旁指導(dǎo)。學(xué)生必須具備一定的生物實(shí)驗(yàn)技能和實(shí)驗(yàn)方法，技術(shù)在生物教學(xué)中應(yīng)用十分廣泛，包含常見的生物技術(shù)手段（如PCR技術(shù)、植物組織培養(yǎng)技術(shù)等）、生物技術(shù)工具或儀器（如血液透析儀、超凈工作臺、離心機(jī)等），還包含一定的信息技術(shù)（如辦公軟件的應(yīng)用、spss、nvivo等量化及質(zhì)化研究數(shù)據(jù)處理軟件）。

生物實(shí)驗(yàn)中有些實(shí)驗(yàn)由于缺少合適的實(shí)驗(yàn)條件或者實(shí)驗(yàn)儀器非常昂貴，在教學(xué)實(shí)踐中很少有機(jī)會開展，特別是在農(nóng)村或者特困地區(qū)，學(xué)生只能看著教科書，而不能實(shí)際操作，因此對實(shí)驗(yàn)原理、過程不能深入的了解，很容易忘記。教師可據(jù)此，創(chuàng)設(shè)情景，運(yùn)用STEAM理論指導(dǎo)學(xué)生自制實(shí)驗(yàn)裝置，或者改進(jìn)實(shí)驗(yàn)裝置，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新、開展項(xiàng)目研究是非常有意義的。例如，“綠葉中色素的提取和分離”實(shí)驗(yàn)中需要用毛細(xì)血管畫濾液細(xì)線，學(xué)生在畫細(xì)線時，毛細(xì)血管容易弄破，破損的毛細(xì)血管容易劃破濾紙，甚至割傷手。有研究發(fā)現(xiàn)，用小楷毛筆代替毛細(xì)血管，效果依然也是很好的，還節(jié)約了成本。

現(xiàn)代課程提倡充分利用信息技術(shù)提高課堂教學(xué)效率。在高中階段，學(xué)生面臨的學(xué)業(yè)壓力特別大，在教學(xué)中，如果還采用傳統(tǒng)的教師在課堂上講授，學(xué)生課后做作業(yè)，課堂顯然比較枯燥乏味，教學(xué)效果較差。因此，教師可采用以STEAM為代表的技術(shù)教育實(shí)踐取向的課程模式，為生物學(xué)課堂提供了圖片、視頻、模擬實(shí)驗(yàn)等豐富多彩的教學(xué)資源。

3在實(shí)踐環(huán)節(jié)中掌握STEAM教育的3-程性

在高中生物教學(xué)中，STEAM教育的工程性是指將生物科學(xué)知識應(yīng)用于生產(chǎn)生活實(shí)踐中，這樣能很好的滿足生物學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)對教師和學(xué)生的要求。高中生物教材中有很多關(guān)于工程的內(nèi)容，其中包括發(fā)酵工程、基因工程、細(xì)胞工程等。

在發(fā)酵工程中，為促進(jìn)學(xué)生對概念3“發(fā)酵工程利用微生物的特定功能規(guī)?；a(chǎn)對人類有用的產(chǎn)品”的理解，教師可開展以下活動（表1）。

其實(shí)，不止選擇性必修課程模塊3可以融入工程概念，在其他模塊中也有體現(xiàn)。例如，在“探究生長素類似物促進(jìn)插條生根的最適濃度”實(shí)驗(yàn)中，教師引導(dǎo)學(xué)生思考：為什么植物在生長發(fā)育過程中，根總是向著地的方向生長，而莖總是朝著地的反方向生長呢？之后，教師點(diǎn)撥歸納，引導(dǎo)學(xué)生加深理解。同時，聯(lián)系生活實(shí)際，引導(dǎo)學(xué)生思考：①路上的行道樹為什么要切掉頂端的枝條？②在單子葉植物中怎么去除雙子葉植物的雜草？③如何促進(jìn)月季花、玫瑰的插條生根？最后，教師總結(jié)：生活中的很多現(xiàn)象都能用生物學(xué)知識解釋，要善于觀察，然后運(yùn)用生物學(xué)及其他學(xué)科原理去解釋它，如果只是發(fā)現(xiàn)了問題，而不去解決問題，那么學(xué)到的知識很快就會忘記。

4掌握教學(xué)技能理解STEAM教育的藝術(shù)性

美國格雷特.亞克門教授及其團(tuán)隊(duì)在STEM教育的基礎(chǔ)上提出STEAM教育，增加了Art藝術(shù)領(lǐng)域，那藝術(shù)是如何應(yīng)用于生物學(xué)教學(xué)中的呢？許多研究者認(rèn)為是通過課堂導(dǎo)入藝術(shù)、講解藝術(shù)、總結(jié)藝術(shù)等融入藝術(shù)概念的。

下面以發(fā)酵工程中的一個案例來體會STEAM教育的提問技能的藝術(shù)性。在發(fā)酵工程中的“微生物的培養(yǎng)和應(yīng)用”一節(jié)，教師在授課中可以運(yùn)用一些問題形成問題串來吸引學(xué)生的興趣：什么是培養(yǎng)基？根據(jù)物理形態(tài)不同，培養(yǎng)基可分為哪幾種？液體培養(yǎng)基中通常要加入什么物質(zhì)才可制成固體培養(yǎng)基？培養(yǎng)基中通常含有哪4類營養(yǎng)物質(zhì)？除提供上述主要營養(yǎng)物質(zhì)外，培養(yǎng)基還需滿足微生物生長繁殖的哪些需求？通過思考這一系列的問題，學(xué)生可以形成自主探究的能力。當(dāng)然，教師一定要引導(dǎo)學(xué)生形成科學(xué)探究的能力，不能憑空產(chǎn)生答案，必須結(jié)合教科書知識以及小組討論得出結(jié)論，最后通過實(shí)驗(yàn)來驗(yàn)證，從而使學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中養(yǎng)成良好的生物學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)。近年來逐漸被引起關(guān)注的PBL（Problem BasedLearning）模式就是一種以問題為基礎(chǔ)的教學(xué)模式。

生物學(xué)中融入的藝術(shù)還不止這些，通過教師的言行舉止以及學(xué)生的動手操作都能體現(xiàn)STEAM教育的藝術(shù)性。例如，在上課前教師需要準(zhǔn)備PPT或者模具，都需要教師用心去制作，如果幻燈片制作得太簡陋或太花哨，或者模具不夠精美，都會影響到學(xué)生上課的積極性。

5運(yùn)用數(shù)學(xué)知識及建構(gòu)模型掌握STEAM教育的數(shù)學(xué)性

運(yùn)用數(shù)學(xué)知識解決生物學(xué)問題，是教育教學(xué)改革以來，學(xué)生需要掌握的一種能力。常見的運(yùn)用數(shù)學(xué)知識解決生物學(xué)問的有：計(jì)算氨基酸形成肽鏈脫去的水分子數(shù)和形成的肽鍵數(shù)、計(jì)算呼吸作用和光合作用中所需的能量、計(jì)算形成的精子和卵細(xì)胞的種類、計(jì)算DNA分子中的堿基數(shù)目、計(jì)算某種遺傳病的發(fā)病率、計(jì)算種群密度、計(jì)算各環(huán)節(jié)的能量利用和散失比例、計(jì)算第n代細(xì)菌數(shù)量等。高考中的重點(diǎn)和難點(diǎn)內(nèi)容遺傳學(xué)問題，經(jīng)常需要運(yùn)用數(shù)學(xué)思維去解題，如依據(jù)數(shù)學(xué)完全平方公式原理解決基因型頻率問題，依據(jù)數(shù)學(xué)組合原理解決基因自由組合定律問題等。

數(shù)學(xué)模型在生物教學(xué)中運(yùn)用的也比較多，最常見的生物數(shù)學(xué)模型是種群增長的“J”型和“S”型曲線、影響酶活性的條件、環(huán)境因素對光和作用強(qiáng)度的影響等，在光合作用中，運(yùn)用曲線圖表示光照與植物光合速率的關(guān)系，就能很好的理解光飽和點(diǎn)和光補(bǔ)償點(diǎn)以及光合作用強(qiáng)度隨光照強(qiáng)度的變化規(guī)律。

亞克門教授在接受訪談時提到：STEAM教育不是將重點(diǎn)放在某個學(xué)科上，而是放在引導(dǎo)學(xué)生采用學(xué)科融合的學(xué)習(xí)方式，運(yùn)用跨學(xué)科思維解決現(xiàn)實(shí)問題。這顯然是將五個領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)了不同程度的聯(lián)系，也體現(xiàn)了學(xué)科之間的交叉融合。在教育教學(xué)改革背景下，越來越多的學(xué)科實(shí)現(xiàn)了融合，如生物與數(shù)學(xué)、化學(xué)、藝術(shù)等學(xué)科的交叉，生物學(xué)中的跨學(xué)科是指把其他學(xué)科知識運(yùn)用到生物學(xué)教學(xué)中，以提高學(xué)生的綜合能力，更加適應(yīng)高考。