STEM理念下的高中生物实验教学

王磊

实验教学是高中生物教学的重要组成部分，在实验中，学生可以更深入地了解生物学知识和原理，而且可以增长实验技能，锻炼观察能力，为未来的科学研究和创新发展打下基础。而STEM理念强调学生的主体地位和实践创新，这一理念下的高中生物实验教学可以为学生提供更多的实践机会，使他们接触不同领域的知识，并利用这些知识解决实际问题，从而不断提高自主探究能力和创新能力。为此，教师要做好教学内容整合，鼓励学生创新思考，以促进学生全面发展。

一、STEM理念下的高中生物实验教学的特点

（一）强调跨学科整合

STEM理念强调科学、技术、工程和数学这四个学科的跨学科整合。在生物实验教学中，这种跨学科整合体现在实验设计和实验操作中，学生不仅需要理解和运用生物学知识，还需要运用数学、物理、工程等方面的知识来解决实验中的问题。

（二）注重实践和创新

STEM理念注重实践性和创新性，强调学生在实践中学习，通过实践来培养创新能力和解决问题的能力。在生物实验教学中，学生需要在教师的指导下，通过动手操作实验设备、观察实验现象、记录实验数据等实践活动培养实践能力和创新精神。同时，教师需要通过创新性的实验设计和教学方法激发学生的创新思维。

二、STEM理念下的高中生物实验教学的关键

（一）学生主体

在STEM理念下，学生是生物实验教学的主体，教师则是引导者和辅助者。学生需要在教师的指导下自主设计实验方案、操作实验设备、观察实验现象、记录实验数据等，通过亲身实践来掌握生物学知识。同时，教师需要尊重学生的主体地位，激发学生的主动性和创造性，培养学生的独立思考能力和解决问题的能力。

（二）强调实用性和生活化

在STEM理念下，高中生物实验教学需要注重实验的实用性和生活化。实用性是指实验内容要与实际生活和生产密切相关，使学生感受到生物学的实际应用价值。生活化是指实验内容要与学生的日常生活相联系，使学生能够通过实验来了解生物学知识在生活中的作用和意义。例如，在探究细胞呼吸作用的实验中，教师可以引导学生联系生活中的实例，如酸奶的制作、水果保鲜等，来理解细胞呼吸作用的过程和原理。

三、STEM理念下的高中生物实验教学策略

（一）注重知识提炼，科学设计实验目标

1.结合重要概念和原理，明确实验目的。

在STEM理念下的高中生物实验教学中，教师明确实验目的可以帮助学生理解实验的意义和价值，激发他们的学习兴趣。同时，明确实验目的可以指导学生有针对性地回顾相关知识点，加深学生对生物学概念和原理的理解。

比如，针对“用高倍镜观察线粒体和叶绿体”这一实验，教师可以通过以下方式来明确实验目的：首先，教师向学生解释线粒体和叶绿体在细胞中的重要功能，以及它们与能量转化和光合作用的关系。通过讲解这些重要概念，学生能够理解为什么需要观察线粒体和叶绿体的形态结构，从而明确实验目的；其次，教师提出一些问题，引导学生思考实验的目的和意义，如“我们为什么要观察线粒体和叶绿体的形态结构？”“观察线粒体和叶绿体的形态结构对我们了解细胞的功能有什么帮助？”引导学生从工程学的角度思考，从而促使其更深入地理解实验的目的；最后，教师还可以设计一些问题，让学生在实验过程中思考。这些问题可以涉及实验目的、预期结果以及相关概念和原理的应用，如“你观察到的线粒体和叶绿体的形态结构是否符合我们的预期？为什么？”“你在实验中遇到了哪些困难？是如何解决的？”

总之，在STEM理念下的高中生物实验教学中，教师明确实验目的对学生的学习效果和发展至关重要。通过结合重要概念和原理、引导学生思考问题以及设计相关问题等方式，教师可以帮助学生明确实验目的，提高他们的学习动力，促进他们对生物学知识的深入理解和应用。

2.安排实验时间和流程，细化实验步骤。

在生物实验教学中，教师安排好实验时间和流程能够保证实验顺利进行，确保每个学生都能按照规定的步骤进行实验操作。另外，安排好实验时间和流程可以避免学生在实验过程中出現混乱或浪费时间的情况，更好地规划实验操作，防止出现无效操作或重复操作，这有助于提高实验效率。

例如，针对“观察植物细胞的质壁分离和复原”实验，这一实验的目的是让学生观察植物细胞的质壁分离和复原现象，理解植物细胞的渗透作用，学习植物细胞的结构和功能特点，以及植物细胞的渗透原理，教师可以这样安排实验时间和流程：

（1）准备实验材料和器具：选择紫色洋葱鳞片叶外表皮细胞作为实验材料，准备好显微镜、镊子、滴管、载玻片、盖玻片等器具，告知学生将这一环节的操作时间控制在10分钟以内。（2）制作临时装片：用镊子取一小块紫色洋葱鳞片叶外表皮细胞，放在载玻片上，滴一滴清水，用盖玻片将其盖住，制成临时装片。这一环节时间控制在7分钟以内。（3）观察质壁分离现象：将临时装片放在显微镜下观察，可以看到洋葱鳞片叶外表皮细胞呈现紫色，细胞壁和原生质层之间存在空隙，说明已经发生了质壁分离现象。这一环节的时间控制在10分钟以内。（4）观察质壁分离复原现象：将临时装片放在显微镜下观察，可以看到洋葱鳞片叶外表皮细胞的颜色逐渐变浅，细胞壁和原生质层之间的空隙逐渐消失，说明质壁分离复原现象已经发生。这一环节是实验的重点环节，教师可以引导学生从工程学的角度分析细胞质壁分离现象，一方面激发他们的实验兴趣，另一方面促进他们对实验的理解。这一环节时间控制在15分钟以内。（5）整理实验器材：完成实验观察后，学生需要将临时装片取下，用滴管将剩余的水滴吸干，并用镊子将洋葱鳞片叶外表皮细胞取下，放在指定的容器中，同时将载玻片和盖玻片擦拭干净，放回原处。

（二）注重平衡难度，保证学生乐于操作

1.实验前问题难度适中，激发挑战意识。

实验前，教师要提出一些问题来激发学生思考，唤醒他们的思维，使其产生更强烈的探索欲望，从而全身心投入实验中。因此，教师要把控问题的难度，激发学生的挑战意识。

例如，在“探索淀粉酶对淀粉和蔗糖的作用”这一实验中，教师可以结合当下的最新技术提出一些有趣的问题，以激发学生的实验兴趣。在这一过程中，教师要注重问题的难度，使问题符合高中生的认知，可以引入基因编辑技术这一话题。首先，在介绍淀粉酶的生物合成及其作用机制时，教师可以提及一些基因编辑工具，并提问：“我们能否利用基因编辑技术来改造淀粉酶的基因，以优化其对淀粉和蔗糖的分解效率呢？”“我们能否利用基因编辑技术来引入新的淀粉酶基因，以实现对更多类型糖类的分解呢？”其次，教师可以引入生物传感器这一概念。在实验中，教师可以让学生设计一个生物传感器，用于监测淀粉酶对淀粉和蔗糖的作用过程，并提出一些问题，如“我们能否利用生物传感器来实时监测淀粉酶对淀粉和蔗糖的作用过程？”“我们能否通过优化生物传感器的设计，以提高其对淀粉酶活性检测的灵敏度和准确性？”这类问题能够引发学生的学习兴趣，让他们对接下来的实验产生极大的兴趣。最后，在分析实验数据这一环节，教师还可以引入人工智能这一热门技术，可以介绍人工智能在实验数据处理和模式识别方面的优势，并提出一些问题：“我们能否利用人工智能来分析实验数据，以揭示淀粉酶对不同类型糖作用的动力学规律？”“我们能否利用人工智能来预测在不同条件下，淀粉酶对糖的作用效果？”

以上引入最新技术的提问方式可以激发学生的好奇心和求知欲。同时，教师引导学生解决问题的方式可以帮助学生更好地理解实验目的，掌握实验内容。

2.实验中循序渐进引导，促进学生掌握技能。

每个实验项目都需要经历前期准备、实验操作、观察、分析等过程，因此，教师要保证学生在顺利完成实验操作的同时能够掌握更多的实验技能。为此，教师要循序渐进地引导，通过逐步增加问题难度的方式来引导学生进行梯度思考，从而不断提高实验操作水平。

比如，在“检测生物组织中的糖类、脂肪和蛋白质”这一实验中，首先，教师要让学生了解实验的基本原理和目的，并掌握基本的实验操作技能，如样品处理、试剂添加、仪器使用等。其次，教师可以引导学生阅读实验指导，并回答一些关于实验步骤和操作技术方面的问题，以确保学生能够正确地掌握实验操作流程，如“为什么我们需要使用不同的试剂来检测糖类、脂肪和蛋白质？这些试剂的工作原理是什么？”“在实验过程中，如何保证实验结果的准确性和可靠性？”再次，为了提高学生的实验技能，教师可以引入一些最新的科技手段，如色谱技术、质谱技术等，并让学生了解这些技术在生物组织分析中的应用。同时教师可以提出一些问题，如“如何利用色谱技术来分离和纯化生物组织中的化合物？”“质谱技术在生物组织分析中有什么优势和局限性？”最后，教师可以引导学生进行一些拓展性的实验，如利用代谢组学和蛋白质组学的方法来研究生物组织中的糖类、脂肪和蛋白质代谢，以帮助学生更深入地了解这些化合物在生物体内的变化过程。

总之，逐步增加问题难度，可以帮助学生更好地掌握实验原理和操作技术，同时教师引入最新的科技手段，能够开阔学生视野，拓展学生知识面。教师还可以引导学生进行一些拓展性的实验，以提高学生的实验技能。

（三）注重链接现实，强调创新意识培养

1.解决生活问题，提高知识应用能力。

生物是一门与现实世界有着紧密联系的学科，不仅解释现实世界的规律，还探索有利于人类社会发展的技术。因此，STEM理念下的高中生物实验教学可以联系生活问题，一方面能够加深学生对知识的理解，另一方面能够促进学生的知识应用。

例如，在“探究酵母菌的呼吸方式”实验中，教师可以联系现实生活和生物发酵工程在农业、工业等领域的应用，如介绍酵母菌在现实生活中的应用。酵母菌是一种天然的微生物，广泛应用于面点、酿酒、发酵乳制品等领域。通过这一实验，学生可以更好地了解酵母菌的呼吸作用和发酵过程，进而理解其在面点、酿酒等制作过程中的作用和原理。此外，教师可以渗透生物发酵工程在农业和工业中的应用，如在农业方面，酵母菌可以用于有机肥料的生产，提高植物的抗病能力，促进植物生长；在工业方面，酵母菌可以用于生产单细胞蛋白、生物柴油等，还可以在污水处理等方面发挥重要作用。在分析这些应用案例的过程中，学生能够进一步了解生物发酵工程的实际应用。教师也可以引导学生思考一些与现实生活相关的问题，如“如何通过控制酵母菌的呼吸方式来提高酿酒的品质和效率？”“如何利用酵母菌来生产具有特定功能的有机肥料？”不仅可以激发学生的学习兴趣，还可以促进他们的知识应用。

2.鼓励创新思考，培养科学探究能力。

在STEM理念下，教師可以在渗透科学、技术、工程等领域的知识时，引导学生进行创新思考，从而培养他们的科学探究能力和创新意识。

比如，针对“探究植物生长调节剂对扦插枝条生根的作用”实验，实验前，教师可以引导学生提出自己的问题，如“哪种植物生长调节剂最有利于扦插枝条生根？”“不同的植物生长调节剂之间有何区别？”“如何最有效地使用这些植物生长调节剂？”这些问题可以鼓励学生积极思考，激发他们的好奇心和探究兴趣。接下来，教师可以让学生自行设计实验方案，包括选择实验材料、设置对照组、确定实验方法和数据分析方法等。学生通过小组讨论和教师指导等方式不断完善实验方案，这可以培养学生的实验设计能力和科学探究能力；在实验过程中，教师鼓励学生仔细观察扦插枝条的变化，并记录每根枝条的生长情况。学生通过拍照、录像等方式记录实验过程，这可以培养学生的观察能力和记录能力。在这一阶段，教师可以渗透植物生长调节剂的最新研究情况，如告知学生植物生长调节剂的最新科学研究糖代谢调控机制是一个正在被广泛探索的领域，而且在使用植物生长调节剂时，应注意其安全性和有效性，因为调节剂本身可能存在的毒副作用引起的安全问题不容忽视。同时，在这一环节进行师生问答活动，如教师提问：“如何控制植物生长调节剂的毒副作用呢？”引发学生创新思考。

四、结语

总而言之，STEM理念下的高中生物实验教学策略旨在通过科学设计实验目标、平衡难度和链接现实，培养学生的科学探究能力和创新意识。在教学中，教师结合重要概念和原理明确实验目的，并安排合理的实验时间和实验流程，细化实验步骤，保证实验有序进行；注重平衡实验难度，让学生积极操作，激发他们的挑战意识，循序渐进地掌握技能；让实验联系现实生活，鼓励学生解决生活问题，促进他们的知识应用，培养他们的创新思考能力和科学探究能力。通过这些策略的实施，相信高中生物实验教学将更加有效，从而更好地促进学生全面发展。