指尖的植物世界：STEAM视阈下的初中生物学校本实践

徐益苗 赵晓燕 张 烨

（江苏省南京市科利华中学 江苏南京 210009）

本文是全国教育信息技术研究2017年度重点课题“基于初中智慧校园建设创设优良学习生态的校本研究”（课题立项号为173220010）和江苏省中小学教学研究第十二期立项课题“初中化学数字化实验校本课程研发与实施研究”（课题立项号2017JK12-L001）的研究成果。

在提高学生解决实际问题能力需求的驱动下，现代教育越来越强调对学生应用能力的培养。STEM教育在这一领域发挥了重要的作用，在此基础上加入其他学科，如艺术（Art），就形成了STEAM。当今国内越来越重视STEM/STEAM教育，在《义务教育小学科学课程标准（2017年版）》和《普通高中生物学课程标准（2017年版）》中都对STEM进行了解释，并倡导跨学科的学习。同时，跨学科资源的开发也逐渐成为我国教育改革的趋势和潮流。

1 指尖的植物世界：基于生物素材开发的校本实践课程

“指尖的植物世界”是一门多学时，具有完整工艺流程，融合生物学、化学、工程、信息技术、艺术等多学科的STEAM类课程。该课程的开发主要是为了丰富学生的课外生物学实践体验，提升生物学学习的兴趣和信心，增强其探究意识等。在课程中，学生分小组，根据不同的主题，选择收集相应的植物素材，而后汇报所收集植物的分类特点和价值。学习时，学生们可以走进公园、植物园、花店、水果店，也可对身边的植物进行观察和收集。通过吊牌、“形色”APP、上网查阅资料或询问教师、专家等多种方式认识所收集的植物素材，使本组的汇报更加准确。通过分组学习，使成果呈现更加多元化的同时，也促进了学生的学习热情。学生收集的植物素材将用于各种各样的手工制品，如生物手工皂、人工琥珀等的制作。学生在实践过程中不断发现问题，并在团队合作中解决问题，这也是STEAM教育特别重视的内涵。

2 生物手工皂制作：课程实施框架和主要内容

“指尖的植物世界”作为基于STEAM的校本实践类课程，致力于通过学生动手实践，实现生物学核心素养发展和跨学科能力的提高。图1是本课程的实施框架，具体呈现了课程实施过程中的主体和各要素之间如何相互作用来实现最终课程目标：“工艺优化”环节的目标指向发展生物学核心素养中的“科学思维”水平与“科学探究”能力；通过小组中个人的“责任担当”，模拟了在社会环境下的“社会责任”。

“生物手工皂制作”是“指尖的植物世界”中的一个内容，是从学生采集、处理植物素材，直到制作生物手工皂的全过程。本课题在具体的实施过程中主要分为5个步骤，分别是植物素材的准备、天然色素的制备、皂基的制备、模具的3D打印和生物手工皂的制作。下面以生物手工皂制作为例，介绍该课程实施的主要内容。

2.1 植物素材的准备

学生以小组为单位，领取本组的主题（如植物的叶、果实、花等），在主题范围内收集素材不少于6种，为后续手工皂制作留存多样化的原材料。收集素材后，以小组为单位，介绍本组收集的多种植物的形态结构特点、分布情况和相关人文知识。同时，考虑到是为手工皂制作储备素材，因此该类素材不宜过大或者过厚，对过大或过厚的材料进行相应处理。在讨论中，有学生表示从收集到制作仍有相当长的一段时间，进而提出了植物素材的保存问题。学生在尝试干燥和真空等处理方法后，最终发现：干燥处理不仅解决了植物素材的保存问题，还提高了其热稳定性，使其在后续手工皂制作环节中有着更好的表现。干燥处理的具体方法为：取合适大小、厚度的植物素材（大而厚的果实类素材可以用切片器将其切成薄片），将其放置于烘干机中，表面压上塑料隔层防止植物素材因失水发生卷曲，设置温度为40～50°C，放置6～10 h后取出。取出后，有条件可以真空压平保存，确保植物素材能得到更好、更长时间的保存。

2.2 天然色素的制备

生物手工皂可以有绚烂的颜色，而五彩缤纷的植物世界正是天然色素的宝库。在色素制备环节，以苏教版实验“绿叶在光下产生淀粉”中“酒精脱色”为例，引导学生思考并设计色素制备的方法。学生通过课外资料查阅，了解到常见的植物色素中叶绿素、柑橘皮黄等溶于酒精（乙醇），苋菜红、桑葚红等易溶于水。各小组针对所需的不同颜色，采取不同的手段进行简单的色素制备。

2.2.1 叶绿素、柑橘皮黄等色素的制备

取整个植物材料（如绿叶），或将植物材料剪碎（如橘皮）并加入二氧化硅研磨，同时加入适量酒精，水浴加热一段时间，视颜色深度足够后静置取上清，或过滤后使用。

2.2.2 苋菜红、桑葚红等色素的制备

取易出颜色的植物材料（如苋菜、桑葚、红心火龙果等），直接或捣碎后加入适量水并加热，待颜色足够深后取上清液，或过滤后使用。

2.3 皂基的制备

基于初中学生化学基础普遍薄弱的特点，在皂基制作前，教师就皂化反应的原理进行适当的介绍，同时也可以引导学生通过资料查阅主动寻找皂基制作的方法。皂基制备是一项具有一定技术要求的工艺，制作过程中温度、时间、乙醇用量等因素都影响着最后的产品质量。实验室制备生物手工皂皂基采用的反应体系见表1。油、乙醇和碱在75°C条件下搅拌（1 500～2 100 rpm）完全反应60 min，该过程使用加热型磁力搅拌设备，随后加入甘油和蔗糖，在6℃充分溶解，最后加入钙皂分散剂（AES、BS-12）等其他原料，低温（0℃以下）快速冷却即完成制备。制作好的皂基放置2周左右时间，待水与酒精适当蒸发后再使用。使用前将其切小，以免重新塑形时出现受热不均匀的现象。

表1 生产1000g透明皂基使用的原料表

2.4 模具的3D打印

学生可以从网络上下载各类3D资源进行二次加工，也可以利用多种3D建模类软件实现简单的手工皂模具的建模。以SketchUp Pro（Trimble Navigation）为例，介绍模具建模过程中模具中空操作的实现。在安装好软件后，通过“文件”、“新建”操作来新建一个窗口，如窗口内有默认图形则选中按键盘“Delete”删除。以矩形模具建模为例介绍操作方法：（1）点击快捷工具栏中的“矩形”，在xy轴（红线和绿线）方向拉出一个大小合适的矩形，大小可以在界面右下角数值中显示；（2）点击快捷工具栏中的“推/拉”，以刚建立的矩形为起点，向z轴（蓝线）正方向拉出高度，这样就完成了一个长方体（立方体）的构建；（3）点击快捷工具栏中的“偏移”按钮，在立体图形的顶面上拉出一个比顶面略小的矩形；（4）点击选中“推/拉”，以刚建立的内部小矩形为起点，沿z轴（蓝线）负方向向下拉出深度。至此，模具的主体就构建完成。学生可以通过类似的方法制作出各种形状、各种造型的模具，并可以在底部实现字体浮雕等个性化修饰。SketchUp Pro制作出的模型不能直接打印，需要通过MeshLab、3D Max等转换成stl文件后方可连接3D打印机进行打印。

2.5 生物手工皂制作

在准备好前期材料后，就可以进行生物手工皂制作。首先，加热将皂基重新熔化，将熔化后的皂液分给每组学生。学生可以根据喜好，向皂液中添加适量的香精，使得手工皂具有一定的香味。在染色过程中有两种可选的方法：①均匀染色，将前期制作好的色素加入皂液中，搅拌均匀后将皂液倒入模具中；②渐变染色，将皂液倒入模具中后再加入色素，搅拌约10 s。由于皂液密度较大，这样操作使得色素易浮于皂液表面，导致手工皂由下至上呈现出颜色深度逐渐变化的效果。在搅拌的过程中易出现泡沫，用刮子刮可以有效去除表面泡沫，使手工皂表面平滑美观。最后，将之前准备好的植物素材直接或经过适当剪切后置于皂液上层，从艺术感与美学的角度摆出之前设计好的造型。皂液在冷却后可定形。冷却操作可以将模具放置于冰箱中约15 min或冷水中约25 min，轻轻晃动待观察到表面无流动感后，即可将手工皂从模具中取出。至此，一枚精美的手工皂制作完成（图2）。

3 实践：课程最美的语言

校本课程区别于国家课程，其在目标上更侧重学生生物学兴趣的培养和个性的彰显，更注重于学生思维、意志和情感的发展；在内容上强调参与性、探究性和实践性。“指尖的植物世界”就是在这一理念下设计的STEAM实践类校本课程：通过学生选课，对生物学或手工制作感兴趣的学生作为出发点；在相同兴趣的基础上，学生以小组的形式参与了户外生物素材收集、辨识和后续针对制作流程中各环节的体验和优化。在历经近半学期的课程活动后，当最终作品得以呈现的那一时刻，学生收获的不仅是欣喜与快乐，更多的是亲身的付出，和在此过程中生物学核心素养的发展与跨学科能力的提高。

实践，是课程最美的语言：只有当师生们参与进来，动起手来，才能不断发现问题，才会迸发出更多的智慧，才造就了更好的作品和灵魂。