STEAM教育在高中生物实验教学中的探索——以“果酒制作”实验为例

邱玲燕

（桐乡第一中学 浙江桐乡 314500）

《普通高中生物课程标准（2017年版）》中指出“注意学科间的联系:加强学科间的横向联系，有利于学生理解科学的本质，科学的思想方法和跨学科的科学概念和过程，这将有利于建立科学的生命观，逐步形成正确的世界观，发展生物学学科核心素养”。STEAM教育起源于美国，指将科学（Science）、技术（Technology）、工程（Engineering）、艺术（Arts）、数学（Mathematics）融合在一起的跨学科教学，它以STS教育为基础、STEM为前身、PBL为形式，强调多学科的交叉融合。在STEAM教育理念下，学生运用各种学科知识，通过对某一问题的系统研究、动手实践，最终解决问题或研制出某种产品，从而锻炼了学生的创新实践能力和综合解决问题能力。探究性实验是通过探究来解决一个感兴趣的问题，激发学生的好奇心，培养科学探究能力。目前STEAM教育在高中生物探究实验教学中的实践较少，可以借鉴的经验不多。下面以“果酒制作”实验为例，探讨如何利用STEAM教育模式开展高中生物探究性实验。

1 开展探究性实验的准备

1.1 课题选择

探究性学习的核心是让学生自主地参与获得知识，重视探究过程，不仅应满足于学生动手实验，还应创设问题情境让学生自行设计实验，在探究性实验活动中发展学生的发散性思维。在选择探究课题时，教师可以通过问题引导，引导学生确定不同的课题，按照实验选题、方案设计、实验探索、结果分析、展示交流等程序开展实验研究。这种方法大大地激发了学生的探索兴趣，提高了实验的效果。

教材实验“果酒制作”的教学目标是让学生体验果酒的制作过程，教材没有设置探究环节，但教师可以引导学生挖掘探究因素。“果酒制作”第一课时，教师可以创设情境:请学生品尝四种果酒并说出果酒名称:红葡萄酒、苹果酒、桑葚酒、杨梅酒。由此，教师提出“关于果酒制作的研究与实验”这个总课题，引导全班学生思考。学生通过对果酒的品尝与比较，对相关知识的搜集和学习，从而提出了一系列的探究子课题:不同水果的果酒制作、影响果酒口感的因素探索实验、果酒制作装置的设计与制作、果酒制作过程的控制因素探索等。

1.2 时间安排

教学时间的安排既要保证能完成教学目标，也要保证探究性实验的顺利开展。“果酒制作”实验所需时间零碎但历时较长，而高中生物的教学课时少，所以教师在课前要做好详细的计划。具体教学课时安排两节甚至更多:探究实验的课题确立、步骤设计和初步操作1课时；成果汇报展示和讨论1课时；中间的果酒发酵、观察、记录、数据分析、展板制作等操作利用课余时间完成。

1.3 过程管理

完成探究实验的关键在于实验过程的管理，使学生真正进行实验的探索。那么，对实验过程的管理显得尤为重要，在此过程中，教师应设计好相关表册或由学生自行设计相应表册，用于实验过程的记录，以显现研究的过程，在实验成果呈现时上交相应的记录，作为评价的依据。

2 在实验中渗透STEAM教育的实践

STEAM教育的本质是在众多孤立的学科中建立一个新的桥梁为学生提供整体认识世界的机会，通过将这四种学科整合到一种教学范例中，把学生零碎知识的学习变成一个互相联系统一整体的过程，这就消除了各门学科中传统的学习障碍，是一种跨学科的学习方法。

2.1 S：厘清发酵原理

浙科版高中生物《选修1·生物技术实践》中的实验“果酒制作”是必修1“细胞呼吸”相关知识的应用，是必修1“乙醇发酵实验”和必修3“探究培养液中酵母菌种群数量的动态变化”实验的应用。在“果酒制作”实验中的科学涉及生物、化学、物理三方面。生物方面要了解“果酒发酵”实验中依靠的微生物主要是酵母菌，利用酵母菌在无氧环境下的厌氧呼吸产生酒精的原理。在学习该课题时，学生先着手查阅相关资料，了解发酵过程、原理，并查阅酿酒的相关装置。

广义的发酵概念是通过微生物的培养来大量生产微生物菌体各种代谢产物的过程，包括有氧发酵（如醋酸发酵、谷氨酸发酵）和无氧发酵（如酒精发酵）。狭义的是指微生物的无氧呼吸（包括酒精发酵、乳酸发酵等）。所以，发酵≠无氧呼吸。

酵母菌是单细胞真菌，属真核生物，细胞大小为1～30 μm，呈圆形、椭圆形等。酵母菌的繁殖方式有出芽生殖、分裂生殖和孢子生殖，但多以出芽方式进行无性生殖。温度低时形成孢子，进入休眠状态，温度适宜时，进行出芽生殖，繁殖速度快。自然界中，酵母菌分布广泛，但多分布在含糖较高的偏酸环境中，如水果、花、树皮上。有些可与昆虫共生，有些使人致病，如白色假丝酵母引发鹅口疮、肺感染。食品中常见的酵母菌有啤酒酵母、葡萄汁酵母、鲁氏酵母（酱油酿造）、球拟酵母属、粉状毕赤氏酵母等。一年四季，土壤始终是酵母菌的大本营。葡萄酒的制作离不开酵母菌。酵母菌是兼性厌氧微生物，在有氧条件下，反应式如下:

在无氧条件下，反应式如下:

酵母菌繁殖的温度范围为18～25℃，最适温度为20℃。酵母菌只能在一定温度下生活。温度低于10℃，酵母菌发育很缓慢。随着温度的升高，繁殖速度加快，20℃时为最佳繁殖温度，此时酵母菌生殖速度快、生活力强。超过35℃，酵母菌生长受到抑制，繁殖速度迅速下降，到40℃酵母菌停止出芽，开始出现死亡。如果想要获得高酒精浓度的发酵液、减少损耗，必须控制好发酵温度。

在这个实验中，控制其他微生物的增殖成了能否成功酿制果酒的关键。如果发酵过程中有醋酸杆菌的需氧呼吸，就会产生醋酸使得果酒发酸；如果有乳酸菌的厌氧呼吸，就会产生乳酸使得果酒变酸；如果有霉菌滋生，就会使得果酒发霉产生霉变味。这就说明发酵装置设计的重要性，在日常生活中一般没有严格意义上的装置，基本上都是用玻璃瓶进行发酵，定期进行放气，这就导致在发酵过程中很难把握，导致发酵效果不好甚至失败。

2.2 T：创新实验技术

科学实验需要学生具备一定的操作技术，学生的操作是否规范、方法是否得当直接决定了实验能否成功。学生在探究过程中，可能受实验条件的限制，需要自行改进实验技术以达到实验目的。在STEAM教育理念下探究实验中的改进过程，就是对探究实验的创新过程，提高了学生的创新能力。

在“果酒制作”的探究实验中，学生通过摸索实践创新了一些实验技术。

创新1:在工业生产葡萄酒时，用低剂量的二氧化硫（SO2）进行消毒，既能控制发酵时间，又能消毒，还能保鲜。但教材中用鲜红紫色的高锰酸钾溶液消毒，但某学习小组不想用二氧化硫（SO2）也不想用高锰酸钾（KMnO4）等消毒药品，想用更安全放心的可食用的材料清洗水果。所以学生主动积极地查资料、联系生活实际等，最后尝试用超市或药店有卖的可食用小苏打（碳酸氢钠），或者用面粉清洗水果。

创新2:清洗干净的水果如果自行晾干的话，需要花费半天的时间。由于课时时间限制，某学习小组用无菌纸巾轻轻吸取原材料表面附着的水。这样既节约了时间，也尽可能地保留了水果表面的野生酵母菌。

创新3:用不同的水果酿酒，处理的方法有所不同。以葡萄为酿酒原料，为提高酒精度，需要把葡萄用榨汁机打成葡萄汁，然后再加适量的蔗糖和酵母菌。由于桑葚、杨梅属于聚花果，果实中的杂菌很难清除，在酿酒的初期要额外添加一些白酒，用以抑制其他杂菌的生长，也增加了果酒的醇香口感。此为浸泡和发酵结合的方法，某学习小组通过实验对比发现效果比较好。

创新4:在过滤果皮果渣时，用普通纱布过滤后果酒的澄清度并不高。某学习小组经过实验对比发现换用致密性好一点的丝巾过滤，可以提高果酒的澄清度。

2.3 E：设计发酵装置

工程学是利用学生的逻辑思维和创造力，以科学为基础，以技术为媒介，以数学为支撑，开发和设计某种装置或产品。在一个好的情境状态下，学生以团队形式分工合作积极参与，动手和动脑同步进行解决“做什么”和“怎么做”，真正实现“学中做”和“做中学”相结合的高效学习模式。

在“果酒制作”探究实验中，由于学校教学经费限制，没有给学生提供标准的发酵瓶。果酒发酵实验中发酵瓶的设计很重要，最关键是要解决如何保持瓶中气压稳定。因为酵母菌在发酵过程中会产生CO2，使瓶中气压增大，有爆炸的危险。学生自行研制能排气但又不能使O2和其他微生物进入发酵瓶的装置。发酵瓶的材质也有讲究，塑料瓶材质轻巧，取材方便价格便宜，透明可视；玻璃瓶坚固耐用又干净卫生，但价格高且属易碎品；陶罐是传统酿酒器皿，发酵理化性质稳定，缺点是罐身不透明难以让学生观察记录，属易碎品，价格高。所以综合各种因素，有学习小组尝试用无菌的矿泉水瓶作发酵瓶，没有排气管就用不定时稍微旋松瓶盖的方法排气；有学习小组选择用饮料瓶作发酵瓶，因为饮料瓶的瓶盖是切十字口的硅胶塞，可以自动释放产生的CO2。矿泉水瓶或饮料瓶的容积可以选择350 mL、550 mL、1.5 L等，可以进行不同装量对发酵影响的探究实验，如选择不同容积的塑料瓶，或选择同一容积的发酵瓶放入不同量的发酵液。也有学习小组选择到超市购买广口玻璃瓶作发酵瓶，然后对塑料瓶盖用打孔器钻洞，加装弯曲塑料管（用医用输液管连接气门夹实现既防止O2和杂菌进入，又能使发酵产生的CO2气体溢出的目的）。在发酵过程中需要定时摇晃发酵瓶，使得发酵液与酵母菌混合均匀，也有利于CO2气体的排出。发酵装置设计并安装成功后，需要进行气密性检查，以保证发酵过程中一直保持无氧环境，保证发酵实验能够顺利进行。

2.4 A：完美展示成果

探究实验成果展示可以是实验报告、论文、展板、产品等多种形式。学生在完成了实验探究之后，把探究的过程整理出来:撰写实验报告或科技小论文是常见的形式，可以锻炼学生的文字表达能力；制作成图文并茂的PPT或视频，可以提高学生艺术审美能力；制作成展板在班级、校园内进行展示，学生在现场进行解说，可以锻炼学生的口头表达能力。

学生动手实践“果酒制作”探究性实验，观察实验现象并作记录，解决在实验过程中出现的问题，教师组织学生进行实验后的讨论和交流，由学生课后归纳最佳实验设计方案并作评价。“果酒制作”的实验共历时1个月，学生把资料、照片等整理成实验报告，制作成PPT、视频等，在探究实验的第二课时进行了展示。这堂课是由每个学习小组分别选举发言人（人数根据需要而定）上台展示酿酒装置，解析设计的原理和目的，展示酿制的果酒产品，用PPT或视频回顾酿制的过程，及时总结经验和反思失败原因从而吸取教训，其他同学可以当场提出疑问，由每组负责发言的学生回答。最后，根据果酒装置的设计创新性与实用性、果酒的色泽与口感、实验报告的科学性与艺术性、实验汇报的表达能力等方面，由每组的评委打分，评选最佳学习小组。通过这样的形式给学生提供交流讨论、总结提升的平台，引导学生往“如何做得更好”方面思考，提高了学生的审美能力，锻炼了学生的语言表达能力。

2.5 M：构建数学模型

在实验数据的处理上，模型教学是有效的生物学教学方法，教师要引导学生构建各种模型以帮助学习。其中，数学模型是常用的一种用数学语言（如曲线图、柱形图、表格等）描述的生物模型，反映了研究对象的生命本质和规律。

在“果酒制作”探究实验中，学生设计了不同浓度的酵母菌悬液、不同浓度的蔗糖溶液、不同原料的发酵液、不同体积的发酵液等自变量，这些自变量引起的实验结果的不同，可以用曲线图或柱形图呈现。学生利用计算机进行数据处理，绘制图形，用直观的图表呈现实验结果。但是学生得到的数学模型是否符合实际科学原理，可能需要不同学习小组间进行比较、修正，从而使学生意识到模型构建是一个不断发展和完善的过程。学生可以用血细胞计数板法测算发酵液中酵母菌种群数量的变化，绘制酵母菌种群数量的增长曲线；还可以用比浊计估算发酵液中酵母菌种群数量，绘制以浑浊度为横坐标，酵母细胞数为纵坐标的种群数量变化曲线；利用美蓝染色法对发酵液中的酵母菌进行抽样检测，测定酵母菌的死亡率和绘制存活曲线；可以用酒精计测量果酒中的酒精度，分析比较最适宜的酿酒条件（最适温度、pH、蔗糖浓度等），为重复实验提供科学的数据。这些数据的统计分析和处理都离不开数学这门基础学科知识。

3 反思

STEAM教育理念下的生物实验教学关注启发学生的发散思维，不以实验结果出现而结束探究。教师可以再创教学情境，变换思考问题的角度与方式，鼓励学生大胆创新，启发学生更深入地进行探究实验，使他们在实际应用中不仅加深对新知识的理解、知识得到迁移、发展，而且能力也能得到进一步的提高。STEAM教育的实验教学更注重培养学生解决实际问题的能力，比传统课堂教学更加灵活多样，并关注学生的综合能力。教学中运用各种教学措施与策略，将科学、技术、工程、艺术和数学知识和能力综合运用在实验活动中，使科学知识能够广泛迁移。同时，在“果酒制作”的探究实验中，在圆满完成教学目标的基础上，学生又产生了新的实验课题:发酵温度对果酒口感有什么影响？发酵时间应该控制在什么范围内？为什么刚酿制好的果酒不能直接饮用？学生有了自己的想法后，利用假期时间去生物开放实验室做实验，科学思维能力得到了发展延伸。