基于STEM理念的高中生物学实验教学实践与思考

刘闪闪 何荣江

摘要总结了基于STEM理念的高中生物学实验教学思路，并结合案例分析了“基于STEM理念拓展教材实验”“基于STEM理念进行项目研究”等将STEM融入实验教学的途径，引导学生在解决实际问题的实验过程中提升生物学核心素养。

关键词 STEM 高中生物实验 教学思路 案例分析

中图分类号G633. 91文献标志码B

《普通高中生物学课程标准（2017年版）》明确要求学生“能够将STEM知识和能力综合运用在实践活动中，解决生活中的实际问题”。STEM教育目标是整合各领域知识、技能，强调以“实际生活”为基础，以“解决问题”为导向，通过科学探究的实践解决实际问题。因此，开展基于STEM理念的实验教学与课程标准中的要求高度契合。

1教学思路

在教学设计中，教师以问题为出发点，引导学生分析STEM要素并设计方案解决实际问题。根据已有的研究经验及自身多次教学实践，笔者总结出如图1所示的教学思路。

2案例呈现

2.1基于STEM理念拓展教材实验——以“植物向光性的探究实验”为例

2.1.1创设情境，提出问题

在“植物生长素”的教学过程中，教师引导学生评价科学家的实验，学生提出拜尔的实验中将切除的尖端放在胚芽鞘一侧的操作难度较大，并对温特实验中切除尖端的胚芽鞘不能生长提出质疑。教师展示胚芽鞘切除尖端后再生长的图片，以肯定学生的质疑。经资料查阅与讨论后，学生提出以下探究问题：①如何简化拜尔的实验方案？②初始长度对胚芽鞘切除尖端后的再生长有无影响？

2.1.2STEM要素分析

学生以小组为单位，分别从科学、技术、工程和数学4个维度分析实验过程中涉及的SETM要素（表1），以确定实验步骤、实验数据的检测方法等，为设计实验方案做好准备。

2.1.3合作探讨，设计方案

结合STEM要素分析，学生逐步确定实验材料、自变量、因变量、实验分组、处理条件和检测指标，设计了2个实验方案（表2、表3）。

2.1.4实施方案，汇报交流

根据实验方案1，学生选择直径约1 cm的玉米胚芽鞘，分别切除胚芽鞘尖端左、右侧5 mm，并置于不透光纸箱中黑暗处理5 h。结果发现，切除右侧尖端的胚芽鞘弯向右侧生长，切除左侧尖端的胚芽鞘弯向左侧生长。因此，单侧切除胚芽鞘尖端可以使尖端产生的影响在尖端以下部位分布不均匀，从而引起胚芽鞘向切除侧弯曲生长。此方案操作简单，实验现象明显，实验周期短，可做为拜尔实验的简化方案。

根据实验方案2，学生分别选择1、1.5、2、2.5 cm的小麦胚芽鞘各4个，切除尖端5 mm后，置于不透光纸箱中暗处理12 h，用直尺测量切除尖端部位以上的生长长度，记录数据并进行统计分析。结果发现，初始长度分别为1、1.5、2、2.5 cm的小麦胚芽鞘切除尖端暗处理12 h后，生长长度分别约为0.3、0.5、3.3、5.8 mm。1～1.5 cm的小麦胚芽鞘切除尖端后生长长度显著低于2～2.5 cm的小麦胚芽鞘。因此，小麦胚芽鞘切除尖端后暗处理过程中的生长与胚芽鞘初始长度有关，在胚芽鞘初始长度1～2.5 cm范围内，切除尖端后暗处理过程中的生长长度随胚芽鞘初始长度的增长而增加。

此外，教师也可以通过对教材实验的改编实现基于STEM理念对教材实验的拓展。教师可以把教材中的验证性实验改编成探究性实验，如把“光合色素的提取与分离实验”改编成“探究温度对光合色素含量的影响”，把“果汁中的果胶和果胶酶”改编成“探究温度对果胶酶的影响”；也可以把教材中的定性实验改编成定量实验，如把“模拟尿糖的检测”改编成“模拟检测尿液中还原糖的含量”，把“检测生物组织中的蛋白质”改编成“检测不同生物组织中蛋白质的含量”，利用O2、CO2浓度传感器检测光合强度、呼吸速率，利用光电比色法定量检测酶、果胶、总蛋白等物质的含量，等等。

2.2基于STEM理念开展项目研究——以“低糖高甜果茶的研制”为例

2.2.1创设情境，提出问题

在学习“血糖平衡与调节”时，教师介绍糖尿病的类型及病因：糖尿病患者需严格控制糖类摄入量，因此少了很多品味“甜”的幸福感。有没有什么食品既能满足糖尿病人对甜度的需求，又不增加血糖浓度？学生提出STEM研究项目：研制一款适合糖尿病人的低糖高甜果茶。

2.2.2STEM要素分析

以小组为单位，分别从科学、技术、工程和数学四个维度分析实验过程中涉及的SETM要素（表4），以确定原材料、实验方法、实验步骤等，为设计研究方案做好准备。

2.2.3合作探讨，设计方案

学生经查阅资料及小组讨论后，确定以西柚、绿茶和甜叶菊为原材料，其中甜叶菊含有低热量、高甜度的甜菊糖苷，是一种合适的代糖，可以满足糖尿病人对甜度的需求且不会增加血糖浓度。将西柚榨汁，分别用热水浸提綠茶和甜叶菊获得茶汤；将三者按一定比例混合后，初步进行感官评定（汤色、香气与滋味各10分，共30分）；根据分值初步筛选合适配比。在单因素基础上，确定正交试验的三因素与三水平，开展正交试验，筛选出最佳配比，测定茶多酚、可溶性固形物及pH等指标，经灭菌后装瓶，并通过取果茶培养后统计总菌落数确定产品货架期。最后，设计产品包装，获得成品。

2.2.4实施方案，汇报交流

根据研究方案，学生首先确定了茶汤浸提工艺，然后初步对7组不同配比的果茶进行感官评定（表5），根据分值初步筛选合适配比，然后通过正交实验确定最佳配比，以下为部分实验结果。

根據表5，确定以西柚汁、甜叶菊茶汤、绿茶茶汤配比0.4∶3.5∶1设置正交试验的三因素三水平（表6），由正交试验结果（表7）可知，各因素对复合果茶感官品质的影响次序为甜叶菊茶汤>西柚汁>绿茶茶汤，以A1B2C3组合为最佳配比（即西柚汁0.3 g、甜叶菊茶汤3.5 g、绿茶茶汤1.2 g）。

根据最佳配比配制果茶后，首先进行感官评定，分值为29.1，因此获得了较理想的果茶配比。然后，灭菌与装瓶，检测产品安全性及营养成分，设计产品包装，获得低糖西柚果茶成品（图5）。请多位糖尿病人饮用该果茶后，发现患者的血糖浓度无明显升高。

由以上实验结果可知，采用甜叶菊作为代糖，与绿茶、西柚汁按3.5∶1.2∶0.3的配比获得的果茶，可以满足糖尿病人对甜度需求的同时又不增加血糖浓度，适合糖尿病人饮用。

此外，教师也可以引导学生思考与环境、健康、作物产量等相关的生活中的实际问题，鼓励学生开展STEM项目研究。例如，在学习“泡菜的腌制和亚硝酸盐的测定”时，学生曾提出：哪种泡菜更健康？不同泡菜亚硝酸盐含量随时间变化趋势一样吗？教师没有直接给出这些问题的答案，而是引导学生开展项目探究，从实验中寻找答案。学生开展探究活动后，发现，白菜制作的泡菜亚硝酸盐含量较低，白萝卜制作的泡菜亚硝酸盐峰值早于胡萝卜，三种泡菜在腌制8 d以后亚硝酸盐含量均较低（图6）。

3总结与反思

将STEM理念融入高中生物学实验的途径有很多。教师可以由学生的问题与质疑鼓励学生开展探究，可以通过对教材实验的改编拓展教材实验，也可以引导学生根据所学知识及原理，从现实生活中发现问题，开展STEM项目研究。当然，不同的实验可能侧重于STEM中的某一个或某几个要素，且不同类型的实验对学生能力的要求不同，教师应根据学生的层次做好分组，引导学生查阅资料解决一些超出其知识范围的技术方法等难题，积极关注实验过程中出现的新问题并给予正确引导，提醒学生设置平行重复实验，指导学生对数据进行处理与分析、得出科学的结论，并将多元化的评价贯穿始终。基于STEM理念开展高中生物实验教学可以引发生生之间与师生之间思维的碰撞，学生在解决问题的探究过程中思维得以启迪，能力得到锻炼，生物学学科核心素养得以提升。

参考文献：

[1]中华人民共和国教育部.普通高中生物学课程标准（2017年版）[S].北京：人民教育出版社，2018：53.

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[4]石进德，谢雪锦.基于生物学深度学习的STEM项目学习设计[J].中学生物学，2020，36（10）：65-67.