STEAM教育在高中生物實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的探索
——以“果酒制作”實(shí)驗(yàn)為例

邱玲燕

（桐鄉(xiāng)第一中學(xué) 浙江桐鄉(xiāng) 314500）

《普通高中生物課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版）》中指出“注意學(xué)科間的聯(lián)系:加強(qiáng)學(xué)科間的橫向聯(lián)系，有利于學(xué)生理解科學(xué)的本質(zhì)，科學(xué)的思想方法和跨學(xué)科的科學(xué)概念和過(guò)程，這將有利于建立科學(xué)的生命觀，逐步形成正確的世界觀，發(fā)展生物學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)”。STEAM教育起源于美國(guó)，指將科學(xué)（Science）、技術(shù)（Technology）、工程（Engineering）、藝術(shù)（Arts）、數(shù)學(xué)（Mathematics）融合在一起的跨學(xué)科教學(xué)，它以STS教育為基礎(chǔ)、STEM為前身、PBL為形式，強(qiáng)調(diào)多學(xué)科的交叉融合。在STEAM教育理念下，學(xué)生運(yùn)用各種學(xué)科知識(shí)，通過(guò)對(duì)某一問(wèn)題的系統(tǒng)研究、動(dòng)手實(shí)踐，最終解決問(wèn)題或研制出某種產(chǎn)品，從而鍛煉了學(xué)生的創(chuàng)新實(shí)踐能力和綜合解決問(wèn)題能力。探究性實(shí)驗(yàn)是通過(guò)探究來(lái)解決一個(gè)感興趣的問(wèn)題，激發(fā)學(xué)生的好奇心，培養(yǎng)科學(xué)探究能力。目前STEAM教育在高中生物探究實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的實(shí)踐較少，可以借鑒的經(jīng)驗(yàn)不多。下面以“果酒制作”實(shí)驗(yàn)為例，探討如何利用STEAM教育模式開展高中生物探究性實(shí)驗(yàn)。

1 開展探究性實(shí)驗(yàn)的準(zhǔn)備

1.1 課題選擇

探究性學(xué)習(xí)的核心是讓學(xué)生自主地參與獲得知識(shí)，重視探究過(guò)程，不僅應(yīng)滿足于學(xué)生動(dòng)手實(shí)驗(yàn)，還應(yīng)創(chuàng)設(shè)問(wèn)題情境讓學(xué)生自行設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，在探究性實(shí)驗(yàn)活動(dòng)中發(fā)展學(xué)生的發(fā)散性思維。在選擇探究課題時(shí)，教師可以通過(guò)問(wèn)題引導(dǎo)，引導(dǎo)學(xué)生確定不同的課題，按照實(shí)驗(yàn)選題、方案設(shè)計(jì)、實(shí)驗(yàn)探索、結(jié)果分析、展示交流等程序開展實(shí)驗(yàn)研究。這種方法大大地激發(fā)了學(xué)生的探索興趣，提高了實(shí)驗(yàn)的效果。

教材實(shí)驗(yàn)“果酒制作”的教學(xué)目標(biāo)是讓學(xué)生體驗(yàn)果酒的制作過(guò)程，教材沒有設(shè)置探究環(huán)節(jié)，但教師可以引導(dǎo)學(xué)生挖掘探究因素。“果酒制作”第一課時(shí)，教師可以創(chuàng)設(shè)情境:請(qǐng)學(xué)生品嘗四種果酒并說(shuō)出果酒名稱:紅葡萄酒、蘋果酒、桑葚酒、楊梅酒。由此，教師提出“關(guān)于果酒制作的研究與實(shí)驗(yàn)”這個(gè)總課題，引導(dǎo)全班學(xué)生思考。學(xué)生通過(guò)對(duì)果酒的品嘗與比較，對(duì)相關(guān)知識(shí)的搜集和學(xué)習(xí)，從而提出了一系列的探究子課題:不同水果的果酒制作、影響果酒口感的因素探索實(shí)驗(yàn)、果酒制作裝置的設(shè)計(jì)與制作、果酒制作過(guò)程的控制因素探索等。

1.2 時(shí)間安排

教學(xué)時(shí)間的安排既要保證能完成教學(xué)目標(biāo)，也要保證探究性實(shí)驗(yàn)的順利開展。“果酒制作”實(shí)驗(yàn)所需時(shí)間零碎但歷時(shí)較長(zhǎng)，而高中生物的教學(xué)課時(shí)少，所以教師在課前要做好詳細(xì)的計(jì)劃。具體教學(xué)課時(shí)安排兩節(jié)甚至更多:探究實(shí)驗(yàn)的課題確立、步驟設(shè)計(jì)和初步操作1課時(shí)；成果匯報(bào)展示和討論1課時(shí)；中間的果酒發(fā)酵、觀察、記錄、數(shù)據(jù)分析、展板制作等操作利用課余時(shí)間完成。

1.3 過(guò)程管理

完成探究實(shí)驗(yàn)的關(guān)鍵在于實(shí)驗(yàn)過(guò)程的管理，使學(xué)生真正進(jìn)行實(shí)驗(yàn)的探索。那么，對(duì)實(shí)驗(yàn)過(guò)程的管理顯得尤為重要，在此過(guò)程中，教師應(yīng)設(shè)計(jì)好相關(guān)表冊(cè)或由學(xué)生自行設(shè)計(jì)相應(yīng)表冊(cè)，用于實(shí)驗(yàn)過(guò)程的記錄，以顯現(xiàn)研究的過(guò)程，在實(shí)驗(yàn)成果呈現(xiàn)時(shí)上交相應(yīng)的記錄，作為評(píng)價(jià)的依據(jù)。

2 在實(shí)驗(yàn)中滲透STEAM教育的實(shí)踐

STEAM教育的本質(zhì)是在眾多孤立的學(xué)科中建立一個(gè)新的橋梁為學(xué)生提供整體認(rèn)識(shí)世界的機(jī)會(huì)，通過(guò)將這四種學(xué)科整合到一種教學(xué)范例中，把學(xué)生零碎知識(shí)的學(xué)習(xí)變成一個(gè)互相聯(lián)系統(tǒng)一整體的過(guò)程，這就消除了各門學(xué)科中傳統(tǒng)的學(xué)習(xí)障礙，是一種跨學(xué)科的學(xué)習(xí)方法。

2.1 S：厘清發(fā)酵原理

浙科版高中生物《選修1·生物技術(shù)實(shí)踐》中的實(shí)驗(yàn)“果酒制作”是必修1“細(xì)胞呼吸”相關(guān)知識(shí)的應(yīng)用，是必修1“乙醇發(fā)酵實(shí)驗(yàn)”和必修3“探究培養(yǎng)液中酵母菌種群數(shù)量的動(dòng)態(tài)變化”實(shí)驗(yàn)的應(yīng)用。在“果酒制作”實(shí)驗(yàn)中的科學(xué)涉及生物、化學(xué)、物理三方面。生物方面要了解“果酒發(fā)酵”實(shí)驗(yàn)中依靠的微生物主要是酵母菌，利用酵母菌在無(wú)氧環(huán)境下的厭氧呼吸產(chǎn)生酒精的原理。在學(xué)習(xí)該課題時(shí)，學(xué)生先著手查閱相關(guān)資料，了解發(fā)酵過(guò)程、原理，并查閱釀酒的相關(guān)裝置。

廣義的發(fā)酵概念是通過(guò)微生物的培養(yǎng)來(lái)大量生產(chǎn)微生物菌體各種代謝產(chǎn)物的過(guò)程，包括有氧發(fā)酵（如醋酸發(fā)酵、谷氨酸發(fā)酵）和無(wú)氧發(fā)酵（如酒精發(fā)酵）。狹義的是指微生物的無(wú)氧呼吸（包括酒精發(fā)酵、乳酸發(fā)酵等）。所以，發(fā)酵≠無(wú)氧呼吸。

酵母菌是單細(xì)胞真菌，屬真核生物，細(xì)胞大小為1～30 μm，呈圓形、橢圓形等。酵母菌的繁殖方式有出芽生殖、分裂生殖和孢子生殖，但多以出芽方式進(jìn)行無(wú)性生殖。溫度低時(shí)形成孢子，進(jìn)入休眠狀態(tài)，溫度適宜時(shí)，進(jìn)行出芽生殖，繁殖速度快。自然界中，酵母菌分布廣泛，但多分布在含糖較高的偏酸環(huán)境中，如水果、花、樹皮上。有些可與昆蟲共生，有些使人致病，如白色假絲酵母引發(fā)鵝口瘡、肺感染。食品中常見的酵母菌有啤酒酵母、葡萄汁酵母、魯氏酵母（醬油釀造）、球擬酵母屬、粉狀畢赤氏酵母等。一年四季，土壤始終是酵母菌的大本營(yíng)。葡萄酒的制作離不開酵母菌。酵母菌是兼性厭氧微生物，在有氧條件下，反應(yīng)式如下:

在無(wú)氧條件下，反應(yīng)式如下:

酵母菌繁殖的溫度范圍為18～25℃，最適溫度為20℃。酵母菌只能在一定溫度下生活。溫度低于10℃，酵母菌發(fā)育很緩慢。隨著溫度的升高，繁殖速度加快，20℃時(shí)為最佳繁殖溫度，此時(shí)酵母菌生殖速度快、生活力強(qiáng)。超過(guò)35℃，酵母菌生長(zhǎng)受到抑制，繁殖速度迅速下降，到40℃酵母菌停止出芽，開始出現(xiàn)死亡。如果想要獲得高酒精濃度的發(fā)酵液、減少損耗，必須控制好發(fā)酵溫度。

在這個(gè)實(shí)驗(yàn)中，控制其他微生物的增殖成了能否成功釀制果酒的關(guān)鍵。如果發(fā)酵過(guò)程中有醋酸桿菌的需氧呼吸，就會(huì)產(chǎn)生醋酸使得果酒發(fā)酸；如果有乳酸菌的厭氧呼吸，就會(huì)產(chǎn)生乳酸使得果酒變酸；如果有霉菌滋生，就會(huì)使得果酒發(fā)霉產(chǎn)生霉變味。這就說(shuō)明發(fā)酵裝置設(shè)計(jì)的重要性，在日常生活中一般沒有嚴(yán)格意義上的裝置，基本上都是用玻璃瓶進(jìn)行發(fā)酵，定期進(jìn)行放氣，這就導(dǎo)致在發(fā)酵過(guò)程中很難把握，導(dǎo)致發(fā)酵效果不好甚至失敗。

2.2 T：創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)技術(shù)

科學(xué)實(shí)驗(yàn)需要學(xué)生具備一定的操作技術(shù)，學(xué)生的操作是否規(guī)范、方法是否得當(dāng)直接決定了實(shí)驗(yàn)?zāi)芊癯晒?。學(xué)生在探究過(guò)程中，可能受實(shí)驗(yàn)條件的限制，需要自行改進(jìn)實(shí)驗(yàn)技術(shù)以達(dá)到實(shí)驗(yàn)?zāi)康?。在STEAM教育理念下探究實(shí)驗(yàn)中的改進(jìn)過(guò)程，就是對(duì)探究實(shí)驗(yàn)的創(chuàng)新過(guò)程，提高了學(xué)生的創(chuàng)新能力。

在“果酒制作”的探究實(shí)驗(yàn)中，學(xué)生通過(guò)摸索實(shí)踐創(chuàng)新了一些實(shí)驗(yàn)技術(shù)。

創(chuàng)新1:在工業(yè)生產(chǎn)葡萄酒時(shí)，用低劑量的二氧化硫（SO2）進(jìn)行消毒，既能控制發(fā)酵時(shí)間，又能消毒，還能保鮮。但教材中用鮮紅紫色的高錳酸鉀溶液消毒，但某學(xué)習(xí)小組不想用二氧化硫（SO2）也不想用高錳酸鉀（KMnO4）等消毒藥品，想用更安全放心的可食用的材料清洗水果。所以學(xué)生主動(dòng)積極地查資料、聯(lián)系生活實(shí)際等，最后嘗試用超市或藥店有賣的可食用小蘇打（碳酸氫鈉），或者用面粉清洗水果。

創(chuàng)新2:清洗干凈的水果如果自行晾干的話，需要花費(fèi)半天的時(shí)間。由于課時(shí)時(shí)間限制，某學(xué)習(xí)小組用無(wú)菌紙巾輕輕吸取原材料表面附著的水。這樣既節(jié)約了時(shí)間，也盡可能地保留了水果表面的野生酵母菌。

創(chuàng)新3:用不同的水果釀酒，處理的方法有所不同。以葡萄為釀酒原料，為提高酒精度，需要把葡萄用榨汁機(jī)打成葡萄汁，然后再加適量的蔗糖和酵母菌。由于桑葚、楊梅屬于聚花果，果實(shí)中的雜菌很難清除，在釀酒的初期要額外添加一些白酒，用以抑制其他雜菌的生長(zhǎng)，也增加了果酒的醇香口感。此為浸泡和發(fā)酵結(jié)合的方法，某學(xué)習(xí)小組通過(guò)實(shí)驗(yàn)對(duì)比發(fā)現(xiàn)效果比較好。

創(chuàng)新4:在過(guò)濾果皮果渣時(shí)，用普通紗布過(guò)濾后果酒的澄清度并不高。某學(xué)習(xí)小組經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)對(duì)比發(fā)現(xiàn)換用致密性好一點(diǎn)的絲巾過(guò)濾，可以提高果酒的澄清度。

2.3 E：設(shè)計(jì)發(fā)酵裝置

工程學(xué)是利用學(xué)生的邏輯思維和創(chuàng)造力，以科學(xué)為基礎(chǔ)，以技術(shù)為媒介，以數(shù)學(xué)為支撐，開發(fā)和設(shè)計(jì)某種裝置或產(chǎn)品。在一個(gè)好的情境狀態(tài)下，學(xué)生以團(tuán)隊(duì)形式分工合作積極參與，動(dòng)手和動(dòng)腦同步進(jìn)行解決“做什么”和“怎么做”，真正實(shí)現(xiàn)“學(xué)中做”和“做中學(xué)”相結(jié)合的高效學(xué)習(xí)模式。

在“果酒制作”探究實(shí)驗(yàn)中，由于學(xué)校教學(xué)經(jīng)費(fèi)限制，沒有給學(xué)生提供標(biāo)準(zhǔn)的發(fā)酵瓶。果酒發(fā)酵實(shí)驗(yàn)中發(fā)酵瓶的設(shè)計(jì)很重要，最關(guān)鍵是要解決如何保持瓶中氣壓穩(wěn)定。因?yàn)榻湍妇诎l(fā)酵過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生CO2，使瓶中氣壓增大，有爆炸的危險(xiǎn)。學(xué)生自行研制能排氣但又不能使O2和其他微生物進(jìn)入發(fā)酵瓶的裝置。發(fā)酵瓶的材質(zhì)也有講究，塑料瓶材質(zhì)輕巧，取材方便價(jià)格便宜，透明可視；玻璃瓶堅(jiān)固耐用又干凈衛(wèi)生，但價(jià)格高且屬易碎品；陶罐是傳統(tǒng)釀酒器皿，發(fā)酵理化性質(zhì)穩(wěn)定，缺點(diǎn)是罐身不透明難以讓學(xué)生觀察記錄，屬易碎品，價(jià)格高。所以綜合各種因素，有學(xué)習(xí)小組嘗試用無(wú)菌的礦泉水瓶作發(fā)酵瓶，沒有排氣管就用不定時(shí)稍微旋松瓶蓋的方法排氣；有學(xué)習(xí)小組選擇用飲料瓶作發(fā)酵瓶，因?yàn)轱嬃掀康钠可w是切十字口的硅膠塞，可以自動(dòng)釋放產(chǎn)生的CO2。礦泉水瓶或飲料瓶的容積可以選擇350 mL、550 mL、1.5 L等，可以進(jìn)行不同裝量對(duì)發(fā)酵影響的探究實(shí)驗(yàn)，如選擇不同容積的塑料瓶，或選擇同一容積的發(fā)酵瓶放入不同量的發(fā)酵液。也有學(xué)習(xí)小組選擇到超市購(gòu)買廣口玻璃瓶作發(fā)酵瓶，然后對(duì)塑料瓶蓋用打孔器鉆洞，加裝彎曲塑料管（用醫(yī)用輸液管連接氣門夾實(shí)現(xiàn)既防止O2和雜菌進(jìn)入，又能使發(fā)酵產(chǎn)生的CO2氣體溢出的目的）。在發(fā)酵過(guò)程中需要定時(shí)搖晃發(fā)酵瓶，使得發(fā)酵液與酵母菌混合均勻，也有利于CO2氣體的排出。發(fā)酵裝置設(shè)計(jì)并安裝成功后，需要進(jìn)行氣密性檢查，以保證發(fā)酵過(guò)程中一直保持無(wú)氧環(huán)境，保證發(fā)酵實(shí)驗(yàn)?zāi)軌蝽樌M(jìn)行。

2.4 A：完美展示成果

探究實(shí)驗(yàn)成果展示可以是實(shí)驗(yàn)報(bào)告、論文、展板、產(chǎn)品等多種形式。學(xué)生在完成了實(shí)驗(yàn)探究之后，把探究的過(guò)程整理出來(lái):撰寫實(shí)驗(yàn)報(bào)告或科技小論文是常見的形式，可以鍛煉學(xué)生的文字表達(dá)能力；制作成圖文并茂的PPT或視頻，可以提高學(xué)生藝術(shù)審美能力；制作成展板在班級(jí)、校園內(nèi)進(jìn)行展示，學(xué)生在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行解說(shuō)，可以鍛煉學(xué)生的口頭表達(dá)能力。

學(xué)生動(dòng)手實(shí)踐“果酒制作”探究性實(shí)驗(yàn)，觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象并作記錄，解決在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中出現(xiàn)的問(wèn)題，教師組織學(xué)生進(jìn)行實(shí)驗(yàn)后的討論和交流，由學(xué)生課后歸納最佳實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方案并作評(píng)價(jià)。“果酒制作”的實(shí)驗(yàn)共歷時(shí)1個(gè)月，學(xué)生把資料、照片等整理成實(shí)驗(yàn)報(bào)告，制作成PPT、視頻等，在探究實(shí)驗(yàn)的第二課時(shí)進(jìn)行了展示。這堂課是由每個(gè)學(xué)習(xí)小組分別選舉發(fā)言人（人數(shù)根據(jù)需要而定）上臺(tái)展示釀酒裝置，解析設(shè)計(jì)的原理和目的，展示釀制的果酒產(chǎn)品，用PPT或視頻回顧釀制的過(guò)程，及時(shí)總結(jié)經(jīng)驗(yàn)和反思失敗原因從而吸取教訓(xùn)，其他同學(xué)可以當(dāng)場(chǎng)提出疑問(wèn)，由每組負(fù)責(zé)發(fā)言的學(xué)生回答。最后，根據(jù)果酒裝置的設(shè)計(jì)創(chuàng)新性與實(shí)用性、果酒的色澤與口感、實(shí)驗(yàn)報(bào)告的科學(xué)性與藝術(shù)性、實(shí)驗(yàn)匯報(bào)的表達(dá)能力等方面，由每組的評(píng)委打分，評(píng)選最佳學(xué)習(xí)小組。通過(guò)這樣的形式給學(xué)生提供交流討論、總結(jié)提升的平臺(tái)，引導(dǎo)學(xué)生往“如何做得更好”方面思考，提高了學(xué)生的審美能力，鍛煉了學(xué)生的語(yǔ)言表達(dá)能力。

2.5 M：構(gòu)建數(shù)學(xué)模型

在實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的處理上，模型教學(xué)是有效的生物學(xué)教學(xué)方法，教師要引導(dǎo)學(xué)生構(gòu)建各種模型以幫助學(xué)習(xí)。其中，數(shù)學(xué)模型是常用的一種用數(shù)學(xué)語(yǔ)言（如曲線圖、柱形圖、表格等）描述的生物模型，反映了研究對(duì)象的生命本質(zhì)和規(guī)律。

在“果酒制作”探究實(shí)驗(yàn)中，學(xué)生設(shè)計(jì)了不同濃度的酵母菌懸液、不同濃度的蔗糖溶液、不同原料的發(fā)酵液、不同體積的發(fā)酵液等自變量，這些自變量引起的實(shí)驗(yàn)結(jié)果的不同，可以用曲線圖或柱形圖呈現(xiàn)。學(xué)生利用計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，繪制圖形，用直觀的圖表呈現(xiàn)實(shí)驗(yàn)結(jié)果。但是學(xué)生得到的數(shù)學(xué)模型是否符合實(shí)際科學(xué)原理，可能需要不同學(xué)習(xí)小組間進(jìn)行比較、修正，從而使學(xué)生意識(shí)到模型構(gòu)建是一個(gè)不斷發(fā)展和完善的過(guò)程。學(xué)生可以用血細(xì)胞計(jì)數(shù)板法測(cè)算發(fā)酵液中酵母菌種群數(shù)量的變化，繪制酵母菌種群數(shù)量的增長(zhǎng)曲線；還可以用比濁計(jì)估算發(fā)酵液中酵母菌種群數(shù)量，繪制以渾濁度為橫坐標(biāo)，酵母細(xì)胞數(shù)為縱坐標(biāo)的種群數(shù)量變化曲線；利用美藍(lán)染色法對(duì)發(fā)酵液中的酵母菌進(jìn)行抽樣檢測(cè)，測(cè)定酵母菌的死亡率和繪制存活曲線；可以用酒精計(jì)測(cè)量果酒中的酒精度，分析比較最適宜的釀酒條件（最適溫度、pH、蔗糖濃度等），為重復(fù)實(shí)驗(yàn)提供科學(xué)的數(shù)據(jù)。這些數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)分析和處理都離不開數(shù)學(xué)這門基礎(chǔ)學(xué)科知識(shí)。

3 反思

STEAM教育理念下的生物實(shí)驗(yàn)教學(xué)關(guān)注啟發(fā)學(xué)生的發(fā)散思維，不以實(shí)驗(yàn)結(jié)果出現(xiàn)而結(jié)束探究。教師可以再創(chuàng)教學(xué)情境，變換思考問(wèn)題的角度與方式，鼓勵(lì)學(xué)生大膽創(chuàng)新，啟發(fā)學(xué)生更深入地進(jìn)行探究實(shí)驗(yàn)，使他們?cè)趯?shí)際應(yīng)用中不僅加深對(duì)新知識(shí)的理解、知識(shí)得到遷移、發(fā)展，而且能力也能得到進(jìn)一步的提高。STEAM教育的實(shí)驗(yàn)教學(xué)更注重培養(yǎng)學(xué)生解決實(shí)際問(wèn)題的能力，比傳統(tǒng)課堂教學(xué)更加靈活多樣，并關(guān)注學(xué)生的綜合能力。教學(xué)中運(yùn)用各種教學(xué)措施與策略，將科學(xué)、技術(shù)、工程、藝術(shù)和數(shù)學(xué)知識(shí)和能力綜合運(yùn)用在實(shí)驗(yàn)活動(dòng)中，使科學(xué)知識(shí)能夠廣泛遷移。同時(shí)，在“果酒制作”的探究實(shí)驗(yàn)中，在圓滿完成教學(xué)目標(biāo)的基礎(chǔ)上，學(xué)生又產(chǎn)生了新的實(shí)驗(yàn)課題:發(fā)酵溫度對(duì)果酒口感有什么影響？發(fā)酵時(shí)間應(yīng)該控制在什么范圍內(nèi)？為什么剛釀制好的果酒不能直接飲用？學(xué)生有了自己的想法后，利用假期時(shí)間去生物開放實(shí)驗(yàn)室做實(shí)驗(yàn)，科學(xué)思維能力得到了發(fā)展延伸。