STEAM教育理念背景下的高中生物学项目式学习

摘 要：本文以STEAM教育理念为背景，根据“项目式学习”的教学方法，以人教版普通高中教科书《生物学·选择性必修3·生物技术与工程》第1章“发酵工程”为主要学习内容，以“如何制作出安全好喝的果酒果醋”为项目主题实施教学，旨在阐明高中生物学项目式学习的策略和方法，进而培养学生综合素养和创新实践能力。

关键词：STEAM教育理念；项目式学习；生物学教学

文章编号：1003-7586（2024）10-0015-03

中图分类号：G633.91

文献标识码：B

STEAM教育是将科学、技术、工程学、艺术、数学多学科融合的综合性课程，强调综合性、实践性、活动性、批判性、创新性。项目式学习（Project-Based Learning，简称PBL）也称专题学习，是让学生围绕真实项目的学习任务，综合各学科知识，在合作学习的环境下，设计并实施一系列探究活动，并把探究成果进行展示和交流的教学模式。项目式学习既是学生对真实复杂问题的探究过程，也是精心设计项目作品、规划和实施项目任务的过程。^［1］两者在跨学科学习和最终的培养目标上相契合，因此，项目式学习是STEAM教育理念常用的教学模式。^［2］

1 “项目式学习”活动的整体设计模式

根据已有的项目式学习模式，通过教学实践，笔者总结出项目式学习活动的设计模式，该模式包括三个阶段：确定项目主题、项目探究过程、项目展示与评价（见图1）。下面笔者以人教版普通高中教科书《生物学·选择性必修3·生物技术与工程》（以下简称“教材”）第1章“发酵工程”的内容作为项目式学习主题来进行教学活动设计，阐明STEAM教育理念背景下的项目式学习在高中生物学教学中的应用。

2 “项目式学习”活动模式的实施

2.1 确定项目主题

教材内容既是对必修课程内容的扩展和应用，又是对生物技术和工程的认识及理解，且更注重实践，非常贴合STEAM教育理念，适合进行项目式学习。其中“发酵工程”与生活生产联系紧密，实验周期短，设施设备简单，实验材料易得，因此笔者将项目式学习主题定为“如何制作出安全好喝的果酒果醋”。根据学习的主题，师生梳理出了一系列问题清单（见图2），并创建项目规划图（见图3）。

2.1.1 什么是安全好喝的果酒果醋？

微生物发酵过程中应尽量避免杂菌污染，同时发酵会产生甲醇、甲醛等有害物质，有害物质含量过高对人体会产生伤害甚至致命。“安全”指的是甲醇等含量控制在食品安全国家标准范围内，且发酵液中优势菌种为发酵菌，杂菌种类和数量控制在食品安全规定范围内。“好喝”没有统一的标准，主要指标为“色、香、味”以及酒精度、甜度、酸碱度等，酿制成功的果酒果醋澄清透明、色泽鲜亮、没有异味、含有果香和酒味、醋味，口感醇香细腻。

2.1.2 指标检测的方法有哪些？

学生通过文献查阅，了解到食品安全国家标准中甲醇、甲醛的检测方法以及检出限与定量限，但是常用于检测的色谱法现阶段难以开展实验。学生通过学习教材了解到微生物计数可使用显微镜直接计数法和稀释涂布平板法，微生物种类的鉴定需要学会微生物的培养分离技术以及菌种鉴定的技术。同时学生了解到重铬酸钾可以与酒精反应变色，并且利用分光光度计可以定量测定酒精含量。但是通过分析有学生提出疑问：果酒成分复杂，且本身具有颜色，能否使用该方法来定量检测酒精含量？学生设计实验并通过实践来解决疑问。

2.1.3 影响指标的因素有哪些？

师生通过讨论得出，影响上述指标的因素主要有水果种类与产地、发酵的条件与装置以及发酵的菌种等。根据这些问题，学生可分组对影响因素进行探究实验，以优化发酵流程。

2.2 项目探究过程

通过讨论，学生最后选择葡萄为材料进行果酒制作，不同小组之间设置不同葡萄品种、是否添加蔗糖、是否接种酵母菌等变量来进行实验。发酵完成后，学生对葡萄酒、葡萄醋的各项指标进行检测并记录。

小组分享汇报结果，发现并提出了一系列问题：葡萄醋的pH与葡萄酒相似，甚至略高，与预期不符；利用血细胞计数板对发酵液中酵母菌进行计数时，无法通过形态准确判断酵母菌的状态；不同葡萄酒中酵母菌的浓度和形态有较大的差异；醋酸菌菌体更加微小，难以在显微镜下观察和区分等。师生讨论后对问题提出了很多假设以及验证假设的方法，形成进一步探究的问题及方案规划（见图4），其中培养基的配制、倒平板等环节可让学生课后操作。

学生通过学习微生物培养的基础知识，配制PDA培养基和LB琼脂培养基，分别对葡萄酒中的真菌和葡萄醋中的细菌进行培养与观察。学生用PDA培养基对葡萄酒发酵液进行涂布，发现第二小组涂布的三个平板中只有一个平板上长了两个菌落，第四小组涂布的三个平板上均没有长出菌落，其他小组的培养结果与预期相符，均形成了一定数量的酵母菌落。学生经过讨论，提出几种可能的原因：实验误差；取样前没有振荡混匀；发酵充分导致发酵液条件不利于菌体生长，使其处于休眠状态甚至死亡。于是学生提议重复实验，同时将葡萄酒发酵液转移至液体培养基进行扩大培养，72h后进行涂布，观察结果来验证自己的假设。扩大培养72h并涂布后，第二小组发现酵母菌数量大大增加，而第四小组的平板上始终没有出现菌落。学生对出现的实验结果进行分析，获得初步结论。

学生在实验过程中不断体验“观察现象—提出问题—提出假说—设计实验—验证假说”的科学研究流程。在制酒的过程中，学生学习并实践酵母菌的代谢类型、影响因素、传统发酵技术以及微生物的分离培养与计数方法等内容，真正做到理论联系实际，在探究式的主动学习中发展自身的生物学学科核心素养。

学生用LB琼脂培养基对果醋进行涂布后培养，发现不同小组的培养基上生长的醋酸菌菌落形态有较大差异，甚至同一个平板上的菌落形态也有很大差异（见图5）。于是学生又提出新的问题：不同形态的菌落是同一种菌还是不同的菌？如何进一步鉴别？教师讲解这需要将菌种进一步分离纯化后使用分子鉴定的原理和方法，即对细菌的16S rRNA基因进行检测与鉴定。

2.3 项目展示与评价

该项目活动的成果展示除了制作出安全好喝的葡萄酒之外，还要设计酒瓶以及广告语来推广产品。学生发挥自己的才能，分工合作，提交作品。最后小组交流汇报整个项目的实施过程以及收获与感悟。教师对该项目式学习过程中学生的评价，除纸笔测验以外，从参与小组讨论、设计实验方案、实验操作表现，到递交实验报告、汇报交流实践成果，从制得葡萄酒到设计酒瓶、广告词，以及采用自评、互评、小组评与教师评相结合的形式，真正实现了多元评价方式。

反思项目活动，教师针对STEAM教学目标评估目标实现情况，部分教学目标如表1所示。

3 总结

笔者以“发酵工程”为项目式学习的主题，使零碎的知识串联并进行学科融合，让学生的实验技能和生活技能得到锻炼，在解决问题的过程中实现科学思维和创新能力的提升。新课程改革呼吁课堂教学模式的转变，STEAM是一种教育理念，有别于传统的单学科、重书本知识的教育方式，它注重思考方法而不是知识点，它注重团队合作而不是单打独斗，它注重创新能力的培养而不是简单的实验技巧训练。项目式学习模式是一种非预期、非线性的生成课堂模式，充满了创新与改进。教师以项目式的学习模式，运用生物学观念，将科学、技术、工程学、艺术和数学融入课堂教学，以帮助学生解决真实情境中的问题。

参考文献

［1］郑葳.中国STEAM教育发展报告［M］.北京：科学出版社，2018.

［2］钱雨.项目课程的内涵、特征与生成［J］.全球教育展望，2022，51（8）：15-27.