基于STEAM教育理念的教學(xué)設(shè)計(jì)

張美杰 趙艷紅

摘 要：隨著科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展，人們迎來了人工智能時(shí)代。在這個(gè)科技日新月異的大環(huán)境下，只有在學(xué)習(xí)階段注重綜合能力的培養(yǎng)，才能更好地適應(yīng)當(dāng)今社會(huì)的發(fā)展。STEAM教育就是在這種環(huán)境下誕生的。STEAM教育是集科學(xué)、技術(shù)、工程、藝術(shù)和數(shù)學(xué)于一體的多學(xué)科交叉的綜合性教育理念。將STEAM教育理念運(yùn)用到高中生物學(xué)教學(xué)過程中，呈現(xiàn)本課程的特色教學(xué)方法，為高中生物學(xué)教學(xué)增光添彩。

關(guān)鍵詞：高中生物學(xué);STEAM教育理念;教學(xué)設(shè)計(jì)

一、STEAM教育理念的介紹

STEAM即科學(xué)（Science）、技術(shù)（Technology）、工程（Engineering）、藝術(shù)（Arts）和數(shù)學(xué)（Mathematics）單詞首字母的縮寫。STEAM教育是培養(yǎng)學(xué)生多學(xué)科交叉的綜合性教育[1]。2001年，Judith A. Ramaley提出了STEM一詞。隨后，Georgette Yakman將人文藝術(shù)加入STEM中，開展STEAM教育培訓(xùn)認(rèn)證，從更廣的角度認(rèn)識(shí)不同學(xué)科間的聯(lián)系，培養(yǎng)學(xué)生的綜合能力[2]。2013年我國出版了《STEM項(xiàng)目學(xué)生研究手冊(cè)》的譯著[3]。2015年，趙中建團(tuán)隊(duì)翻譯出版了中小學(xué)STEM教育叢書《美國STEM教育政策進(jìn)展》[4]。高云峰等人將STEAM教育與創(chuàng)客教育相融合，在北京中學(xué)等多所學(xué)校開展教育活動(dòng)，真正實(shí)現(xiàn)培養(yǎng)學(xué)生跨學(xué)科創(chuàng)新的STEAM素養(yǎng)[5]。2018年，張海銀等出版了從幼兒園到初三年級(jí)的12冊(cè)《STEAM課例精編》。

隨著科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展，人類迎來了人工智能時(shí)代。這就要求人們?cè)趯W(xué)習(xí)階段進(jìn)行綜合能力的培養(yǎng)，才能更好地適應(yīng)當(dāng)今社會(huì)的發(fā)展。而STEAM教育就是在這種環(huán)境下誕生的。近幾年來，伴隨著高考改革，高中生物學(xué)對(duì)學(xué)生的綜合能力要求越來越高。STEAM這種具有多學(xué)科交叉特點(diǎn)的綜合性教學(xué)理念，適合應(yīng)用到高中生物學(xué)課堂中。如何以STEAM教育理念為指導(dǎo)，開展高中生物學(xué)教學(xué)活動(dòng)，需要一個(gè)探索的過程。本文在STEAM教育理念下，設(shè)計(jì)“蛋白質(zhì)是生命活動(dòng)的主要承擔(dān)者”的生物學(xué)教學(xué)流程，使STEAM教育理念在高中生物學(xué)教學(xué)中發(fā)揮作用。

二、將STEAM教育理念引入高中生物學(xué)課堂教學(xué)設(shè)計(jì)

人教版高中生物學(xué)必修1第二章第四節(jié)“蛋白質(zhì)是生命活動(dòng)的主要承擔(dān)者”主要講解了蛋白質(zhì)的功能、基本組成單位、結(jié)構(gòu)及其多樣性。按照STEAM教育理念設(shè)計(jì)，S（科學(xué)）來源于蛋白質(zhì)的相關(guān)知識(shí)，T（技術(shù)）體現(xiàn)在信息的搜索和運(yùn)用，E（工程）表現(xiàn)在模型制作，在制作過程中如何設(shè)計(jì)出外觀精美的模型體現(xiàn)了A（藝術(shù)），如何計(jì)算出肽鏈形成過程中失掉的水分子數(shù)等則體現(xiàn)了M（數(shù)學(xué)）。

1.創(chuàng)設(shè)情境，激趣引思

有的媽媽生寶寶做剖宮產(chǎn)手術(shù)時(shí)，要先把皮膚、子宮肌層等割開后縫合。在拆藥線時(shí)，肚皮上的藥線可直接拆去，子宮上邊的藥線如何處理呢？學(xué)生討論后，教師解釋子宮不用拆藥線，因?yàn)橛玫氖悄z原蛋白縫合線。該線是用獺貍肌腱做成的，抗拉性強(qiáng)，有完全吸收等特點(diǎn)。那么這種線為什么可被吸收？被吸收時(shí)發(fā)生了什么變化？帶著這些問題來學(xué)習(xí)今天的課程，使學(xué)生從感性上認(rèn)識(shí)蛋白質(zhì)對(duì)人類生活的重要性。

2.講述功能，據(jù)理導(dǎo)思

引導(dǎo)學(xué)生閱讀課本，各小組以表格的形式總結(jié)出蛋白質(zhì)的功能與實(shí)例。分組討論蛋白質(zhì)功能多樣性和結(jié)構(gòu)多樣性的關(guān)系。人的胰島細(xì)胞和淋巴細(xì)胞的主要成分都是蛋白質(zhì)，但這兩種細(xì)胞的功能卻完全不同，原因是什么？從而起到知識(shí)與實(shí)際相聯(lián)系的目的。

3.深入細(xì)節(jié)，科學(xué)探微

攝入的蛋白質(zhì)能直接被吸收嗎？引出蛋白質(zhì)和氨基酸的關(guān)系。氨基酸具有什么樣的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)？如何去判斷是不是氨基酸？讓學(xué)生觀察課件中氨基酸分子的結(jié)構(gòu)式，分組討論其結(jié)構(gòu)通式。教師對(duì)該通式進(jìn)行難點(diǎn)講解：首先，核心碳元素可用甲烷的模型來展示;其次，氨基用氨氣來解釋，羧基用羧酸來解釋;最后，把人形象地比喻成氨基酸的結(jié)構(gòu)通式，把左手、右手、雙腿、軀干和頭分別比作氨基酸的氨基、羧基、H原子、中心C原子和R基，而21種氨基酸的不同之處就在于這個(gè)“R”基的不同。

4.總結(jié)規(guī)律，尋思究理

氨基酸通過什么機(jī)理構(gòu)成蛋白質(zhì)？課件展示氨基酸的脫水縮合。學(xué)生以小組的形式，分別制作彩色卡紙折疊模型，并在全班演示氨基酸脫水縮合形成肽鍵的過程（如下圖）。教師過渡：兩個(gè)氨基酸形成二肽，再加一個(gè)氨基酸形成三肽……多肽通常呈鏈狀結(jié)構(gòu)。肽鏈通過盤曲、折疊等形成具備空間結(jié)構(gòu)的蛋白質(zhì)。由于氨基酸排列順序不同、肽鏈盤曲折疊方式不同以及空間結(jié)構(gòu)千變?nèi)f化，構(gòu)成了蛋白質(zhì)的多樣性。

在講解肽鏈形成時(shí)，氨基酸數(shù)目與肽鍵個(gè)數(shù)的關(guān)系如何？讓學(xué)生分組制作3個(gè)、5個(gè)和7個(gè)氨基酸各自形成一條肽鏈。然后讓學(xué)生直觀地?cái)?shù)出肽鍵個(gè)數(shù)。再引導(dǎo)思考，假設(shè)上述有3和5、3和7以及5和7個(gè)氨基酸的兩條肽鏈分別形成一個(gè)蛋白質(zhì)分子，則其中氨基酸、肽鏈和肽鍵的關(guān)系如何？經(jīng)過小組討論，總結(jié)出規(guī)律：肽鍵數(shù)=氨基酸數(shù)-肽鏈數(shù)。在制作彩色卡紙折疊模型和總結(jié)肽鍵數(shù)計(jì)算公式的過程中，讓學(xué)生對(duì)這些問題理解得更加形象、深刻，而且還獲得了成功的體驗(yàn)。

三、教學(xué)反思

學(xué)生在學(xué)習(xí)本節(jié)課的同時(shí)，也接受了一場(chǎng)全面的STEAM教育。S（科學(xué)）來源于蛋白質(zhì)的功能、基本單位、結(jié)構(gòu)及其多樣性，同時(shí)也培養(yǎng)了學(xué)生的發(fā)散性思維和邏輯性思維。在學(xué)習(xí)生物學(xué)知識(shí)的同時(shí)，自然地融入了技術(shù)手段、工程原理和數(shù)學(xué)知識(shí)。T（技術(shù)）體現(xiàn)在信息的搜索和運(yùn)用，E（工程）表現(xiàn)在氨基酸脫水縮合形成蛋白質(zhì)的建構(gòu)模型，在制作模型時(shí)展現(xiàn)了A（藝術(shù)），塑造了學(xué)生的審美能力。如何計(jì)算出肽鏈形成過程中失掉的水分子數(shù)、肽鍵數(shù)等則體現(xiàn)了M（數(shù)學(xué)）。本節(jié)課使科學(xué)、技術(shù)、工程、數(shù)學(xué)和藝術(shù)有機(jī)地結(jié)合起來，強(qiáng)調(diào)了學(xué)科之間的融合和知識(shí)的應(yīng)用，培養(yǎng)了學(xué)生的綜合性能力。通過本節(jié)課的學(xué)習(xí)，學(xué)生的生物學(xué)核心素養(yǎng)也得到了很好的培養(yǎng)。本節(jié)課著重體現(xiàn)結(jié)構(gòu)與功能觀的生命觀念。訓(xùn)練學(xué)生的模型建構(gòu)、科學(xué)推理等科學(xué)思維。在探究活動(dòng)中著重培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)踐、創(chuàng)新能力，增加動(dòng)手實(shí)踐的活動(dòng)。社會(huì)責(zé)任集中在科學(xué)精神和科學(xué)價(jià)值觀等方面重點(diǎn)體現(xiàn)，培養(yǎng)學(xué)生學(xué)科學(xué)、用科學(xué)的能力。

STEAM教育理念的運(yùn)用對(duì)教師的要求相對(duì)較高，教師將此理念應(yīng)用到生物學(xué)教學(xué)過程中，需要提前熟練掌握相關(guān)的知識(shí)，并且對(duì)數(shù)學(xué)、化學(xué)、工程等學(xué)科內(nèi)容能夠靈活運(yùn)用。教師在進(jìn)行STEAM教育時(shí)，教學(xué)資源的選擇要考慮周到，對(duì)所有的教學(xué)環(huán)節(jié)需要提前構(gòu)思好，才能取得更好的教學(xué)成效。

參考文獻(xiàn)：

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[2]趙慧臣，陸曉婷.開展STEAM教育，提高學(xué)生創(chuàng)新能力：訪美國STEAM教育知名學(xué)者格雷特·亞克門教授[J].開放教育研究，2016，22（5）：4-10.

[3]郝瑞輝.STEM項(xiàng)目學(xué)生研究手冊(cè)[J].中國科技教育，2016（5）：13-15.

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[5]高云峰，師保國.跨學(xué)科創(chuàng)新視角下創(chuàng)客教育與STEAM教育的融合[J].華東師范大學(xué)學(xué)報(bào)，2017（4）：47-53，135.

注：本文系2018年河北省教育科學(xué)“十三五”規(guī)劃一般資助課題“基于STEAM理念的高中生物教學(xué)中核心素養(yǎng)培養(yǎng)途徑及提升對(duì)策的研究”（No.1803032）的研究成果。

第一作者及通訊作者簡介：張美杰（1984—），女，中學(xué)一級(jí)教師，博士學(xué)位。