STEM理念下高中生物學(xué)實驗教學(xué)策略

摘" 要：STEM理念是一種新型的教育理念，其是對科學(xué)、技術(shù)、工程、數(shù)學(xué)四大學(xué)科教學(xué)特色的融合，提倡培養(yǎng)學(xué)生的綜合思維能力和自主探究能力，對強化學(xué)生的理論學(xué)習(xí)與實踐應(yīng)用水平有重要意義。在高中生物學(xué)實驗教學(xué)中引入STEM理念，教師需要注重對STEM理念核心內(nèi)容的把握，重視培養(yǎng)學(xué)生的實驗?zāi)芰?，發(fā)展學(xué)生的生物學(xué)核心素養(yǎng)。對此，文章以STEM理念為基礎(chǔ)，從教學(xué)目標(biāo)、教學(xué)思路、探究任務(wù)、教學(xué)評價四個方面探究具體的生物學(xué)實驗教學(xué)策略。

關(guān)鍵詞：高中生物學(xué)；STEM理念；實驗教學(xué)

在傳統(tǒng)的生物學(xué)實驗教學(xué)中，教師一般是以教材為基本教學(xué)內(nèi)容、以知識復(fù)習(xí)為課程導(dǎo)入方式、以單向灌輸為教學(xué)方式來開展教學(xué)。相較于傳統(tǒng)課堂，當(dāng)下的生物學(xué)實驗教學(xué)更加重視從學(xué)生的角度出發(fā)開展教學(xué)活動，重視學(xué)生對知識的系統(tǒng)思考、自主探究。STEM理念本身具備的情境性、個性化、多樣性特征符合當(dāng)下生物學(xué)實驗教學(xué)的需要。下面以人教版《普通高中教科書·生物學(xué)》必修1第2章中的“探究·實踐" 檢測生物組織中的糖類、脂肪和蛋白質(zhì)”為例，具體介紹STEM理念下的生物學(xué)實驗教學(xué)策略。

一、基于STEM理念，設(shè)定生物學(xué)實驗教學(xué)目標(biāo)

在生物學(xué)實驗教學(xué)中，教學(xué)目標(biāo)是教師組織學(xué)生開展實驗教學(xué)的重要引領(lǐng)，是學(xué)生掌握實驗核心內(nèi)容的關(guān)鍵。為此，在設(shè)定生物學(xué)實驗教學(xué)目標(biāo)時，教師應(yīng)該基于STEM理念，將生物學(xué)實驗內(nèi)容與科學(xué)、技術(shù)、工程、數(shù)學(xué)等領(lǐng)域的知識相結(jié)合，在保證教學(xué)目標(biāo)有效性的同時，讓學(xué)生能夠在實驗教學(xué)中提高能力。

例如，通過對“檢測生物組織中的糖類、脂肪和蛋白質(zhì)”實驗的分析，學(xué)生需要完成三個實驗內(nèi)容，而這三個實驗內(nèi)容除了個別的使用材料存在區(qū)別，實驗思路、實驗過程、實驗操作等都有一定的相似之處?；诖?，教師可以分別設(shè)定綜合性的教學(xué)目標(biāo)和各個實驗的具體目標(biāo)。綜合性教學(xué)目標(biāo)如下：學(xué)生應(yīng)該學(xué)會運用科學(xué)、專業(yè)的生物學(xué)知識解釋現(xiàn)實生活中的現(xiàn)象（科學(xué)素養(yǎng)）；學(xué)生應(yīng)該嘗試使用多種生物學(xué)實驗方法檢測化合物（技術(shù)素養(yǎng)）；學(xué)生能夠依據(jù)生活現(xiàn)象提出問題、作出假設(shè)、設(shè)計與分析實驗，保證探究生物學(xué)實驗的邏輯性（工程素養(yǎng)）；學(xué)生應(yīng)該對生物學(xué)實驗使用的材料、試劑等有具體的把握（數(shù)學(xué)素養(yǎng)）。生物學(xué)實驗具體目標(biāo)以“檢測生物組織中的糖類”為例，學(xué)生應(yīng)該達成如下目標(biāo)：掌握生物組織中常見的糖類；掌握具體檢測生物組織中還原糖的實驗步驟；掌握檢測生物組織中的糖類的實驗原理；準(zhǔn)確記錄實驗結(jié)果。按照上述兩個維度的目標(biāo)開展生物學(xué)實驗教學(xué)，學(xué)生能夠形成對生物學(xué)實驗的整體與具體認(rèn)知，進而做到按照實驗步驟完成對生物學(xué)實驗知識的理解與掌握。

在STEM理念的引導(dǎo)下，教師完成了設(shè)定生物學(xué)實驗教學(xué)目標(biāo)的任務(wù)，并從綜合與具體兩個角度進一步明確了學(xué)生應(yīng)該達成的目標(biāo)，讓學(xué)生能夠以目標(biāo)為引領(lǐng)，完成對生物學(xué)實驗知識的學(xué)習(xí)，做到對生物學(xué)實驗的熟練掌握。

二、基于STEM理念，厘清生物學(xué)實驗教學(xué)思路

在落實STEM理念的過程中，為了讓生物學(xué)實驗課堂更具有邏輯性，凸顯STEM理念的核心內(nèi)容，教師需要厘清生物學(xué)實驗教學(xué)思路。從生物學(xué)實驗教學(xué)的角度來看，厘清教學(xué)思路可以讓課堂教學(xué)過程更為流暢、完整，而且學(xué)生也能在教師的引導(dǎo)下做到系統(tǒng)思考生物學(xué)實驗內(nèi)容，可見厘清教學(xué)思路對生物學(xué)實驗教學(xué)的重要性。

例如，在“檢測生物組織中的糖類、脂肪和蛋白質(zhì)”實驗教學(xué)中，教師可以按照“導(dǎo)入新課—課前預(yù)實驗—課上做實驗—質(zhì)疑拓展”的整體邏輯厘清教學(xué)思路。在新課導(dǎo)入環(huán)節(jié)，教師可以由對生活中常見食物的猜測，引發(fā)學(xué)生對新知識的思考，讓學(xué)生意識到可以采取有機物檢測的方式，完成對猜測內(nèi)容的驗證。在課前預(yù)實驗環(huán)節(jié)，教師可以采取演示實驗、課前預(yù)習(xí)等方式，引導(dǎo)學(xué)生發(fā)現(xiàn)生物學(xué)實驗中存在的問題，并組織學(xué)生依據(jù)STEM理念思考改進措施，在合作探究中達成培養(yǎng)學(xué)生能力的目標(biāo)。在課上做實驗環(huán)節(jié)，教師需要按照“探究實驗步驟—實施實驗—檢測有機物成分—得出實驗結(jié)論”的邏輯步驟完成實驗探究，促使學(xué)生掌握課程知識、理解重點和難點內(nèi)容。在質(zhì)疑拓展環(huán)節(jié)，教師可以組織學(xué)生基于所學(xué)知識內(nèi)容嘗試提出疑問，并進一步拓展思考，經(jīng)歷發(fā)現(xiàn)問題、思考問題、解決問題的過程，最終達成教學(xué)目標(biāo)。教師應(yīng)該按照上述主要教學(xué)邏輯與次要教學(xué)邏輯結(jié)合的形式，構(gòu)建一個清晰的邏輯框架，精準(zhǔn)落實生物學(xué)實驗教學(xué)目標(biāo)，促進學(xué)生對生物學(xué)知識的深入思考。

這樣，教師完成了對生物學(xué)實驗教學(xué)思路的梳理，為開展基于STEM理念的生物學(xué)實驗教學(xué)提供了重要保障，使得生物學(xué)實驗教學(xué)的開展能夠具備完整的教學(xué)邏輯、系統(tǒng)的教學(xué)框架。

三、基于STEM理念，布置生物學(xué)實驗探究任務(wù)

在STEM理念下，教師完成了生物學(xué)實驗教學(xué)目標(biāo)的設(shè)定、梳理了生物學(xué)實驗教學(xué)思路。隨后，教師需要具體開展生物學(xué)實驗，進一步落實STEM理念。對此，教師可以布置檢測還原糖、檢測蛋白質(zhì)、檢測脂肪三個實驗探究任務(wù)，讓學(xué)生按照既定的教學(xué)要求完成生物學(xué)實驗學(xué)習(xí)。

1. 檢測還原糖

在探究檢測還原糖實驗任務(wù)之前，學(xué)生應(yīng)該對實驗所需材料進行檢查，保證材料的完整性。在進行實驗探究時，教師可以先以此實驗為演示案例，幫助學(xué)生理解應(yīng)該怎樣完成生物學(xué)實驗，保證結(jié)果的準(zhǔn)確性。對此，教師可以按照前文厘清的教學(xué)思路，一邊開展演示實驗，一邊引導(dǎo)學(xué)生思考，為學(xué)生后續(xù)合作進行生物學(xué)實驗打好基礎(chǔ)。

首先，教師需要制作實驗中用到的斐林試劑。先準(zhǔn)備質(zhì)量濃度為0.1 g / mL的NaOH溶液（甲液），再準(zhǔn)備質(zhì)量濃度為0.05 g / mL的CuSO4溶液（乙液），隨后將甲液和乙液等量混合均勻，從而得到斐林試劑。教師分別向兩支試管中注入蒸餾水、蘋果勻漿，接著分別注入等量的斐林試劑。將試管放入盛有50 ～ 65℃溫水的大燒杯中加熱約2 min，靜置觀察兩支試管中液體的顏色變化。觀察時，學(xué)生發(fā)現(xiàn)裝有蒸餾水的試管從實驗開始到結(jié)束并未發(fā)生明顯變化，液體的狀態(tài)、顏色也未發(fā)生改變。相反，在注有蘋果勻漿的試管中，學(xué)生發(fā)現(xiàn)斐林試劑的顏色經(jīng)歷了“淺藍(lán)色—棕色—磚紅色”的變化，并且試管中出現(xiàn)了沉淀物，這種顏色的變化和沉淀物的出現(xiàn)與糖類還原銅離子生成氧化亞銅有關(guān)。在完成實驗演示后，教師可以讓學(xué)生嘗試寫出該實驗的原理，即相關(guān)化合物與化學(xué)試劑的結(jié)合，發(fā)生特定的顏色反應(yīng)。該實驗便是還原糖與斐林試劑的結(jié)合，并在50 ～ 65℃的溫水中加熱，產(chǎn)生磚紅色沉淀這一特定的顏色反應(yīng)。在完成實驗的初步探究教學(xué)后，教師可以讓學(xué)生思考：為什么要在實驗中增加“蒸餾水 + 斐林試劑”這一對照實驗？在思考該問題時，學(xué)生可以從變化的條件方面進行思考，即斐林試劑最終產(chǎn)生磚紅色沉淀是與蘋果勻漿有關(guān)還是與蒸餾水有關(guān)，再通過對照實驗來驗證猜想。

這樣，教師便完成了對檢測還原糖這一生物學(xué)實驗內(nèi)容的講授，并為學(xué)生提供了一定的實驗操作演示，為后續(xù)學(xué)生自主探究生物學(xué)實驗打好了基礎(chǔ)。

2. 檢測蛋白質(zhì)

在進行檢測蛋白質(zhì)實驗時，學(xué)生可以先回顧教師演示實驗的操作過程，結(jié)合演示實驗得到本次實驗的操作過程。在進行自主實驗之前，學(xué)生需要準(zhǔn)備好雞蛋清、檢測試劑等需要用到的實驗材料。

按照前期教師演示的實驗操作過程，學(xué)生要先調(diào)制雙縮脲試劑。準(zhǔn)備好質(zhì)量濃度為0.1 g / mL的NaOH溶液（A液），質(zhì)量濃度為0.01 g / mL的CuSO4溶液（B液）。接著，將等量的蒸餾水、雞蛋清稀釋液分別注入兩支試管中，同時向兩支試管中注入A液和B液。此時，學(xué)生會發(fā)現(xiàn)裝有蒸餾水的試管中注入A液和B液后，顏色為淺藍(lán)色，這是雙縮脲試劑的正常顏色。而在裝有雞蛋清稀釋液的試管中，注入A液和B液后，學(xué)生可以直觀看到液體變成了紫色，這說明相關(guān)化合物與化學(xué)試劑的結(jié)合能夠出現(xiàn)特定的顏色反應(yīng)。同樣，學(xué)生在回顧自己實驗的操作過程時，也要進一步思考設(shè)置對照實驗的目的，即生物組織中的蛋白質(zhì)能夠與雙縮脲試劑中的銅離子結(jié)合，產(chǎn)生紫色結(jié)合物。此外，學(xué)生可以進一步延伸思考：煮熟的雞蛋清是否可以同雙縮脲試劑發(fā)生反應(yīng)？對此，學(xué)生按照上述步驟重復(fù)實驗過程。在完成這一實驗后，學(xué)生發(fā)現(xiàn)雙縮脲試劑依然發(fā)生了顏色的變化，顯示出紫色，由此可知煮熟的雞蛋清也能夠與雙縮脲試劑發(fā)生反應(yīng)。根據(jù)上述實驗進一步分析可知，生物組織中含有的蛋白質(zhì)，無論是自然狀態(tài)還是煮熟狀態(tài)，都能夠與雙縮脲試劑產(chǎn)生紫色反應(yīng)。

在上述自主實驗探究的過程中，學(xué)生模仿教師開展生物學(xué)實驗教學(xué)的過程，進行了自主調(diào)試新試劑、自主進行實驗操作、自主反思并拓展思考，進一步完善實驗結(jié)果，有助于提高自身的科學(xué)探究能力，提升邏輯嚴(yán)謹(jǐn)?shù)墓こ趟仞B(yǎng)。

3. 檢測脂肪

在完成前面兩個實驗的學(xué)習(xí)后，學(xué)生對生物學(xué)實驗的過程、操作等形成了一定的認(rèn)知?；诖?，教師可以采取“教師指導(dǎo) + 學(xué)生合作探究”的方式，師生共同完成檢測脂肪實驗。

在這一實驗中，教師為學(xué)生準(zhǔn)備了花生種子、蘇丹Ⅲ染液等必備的實驗材料。在學(xué)生合作探究之前，教師提出思考問題：“前兩個實驗采用的是在試管中進行的方式，那么本次實驗是否也在試管中進行呢？若不使用試管，你認(rèn)為還可以使用哪些實驗儀器？”通過學(xué)習(xí)本課內(nèi)容，學(xué)生知曉檢測脂肪的實驗需要通過切片的方式，使用顯微鏡進行觀察。在此基礎(chǔ)上，教師指導(dǎo)學(xué)生通過使用顯微鏡觀察物體的方式開展檢測脂肪的實驗。首先，學(xué)生需要用刀片在花生子葉的橫斷面上平行切下若干薄片，放入盛有清水的培養(yǎng)皿中待用。從培養(yǎng)皿中選取最薄的切片，用毛筆蘸取放在載玻片中央；在花生子葉薄片上滴2 ～ 3滴蘇丹Ⅲ染液，染色3 min。其次，學(xué)生需要用吸水紙吸去染液，再滴加1 ～ 2滴體積分?jǐn)?shù)為50%的酒精溶液，洗去浮色，同樣靜置一段時間后，用吸水紙吸去花生子葉周圍的酒精。最后，學(xué)生在薄片上滴一滴蒸餾水，蓋上蓋玻片，制成臨時切片。實驗進行到這一步，學(xué)生已經(jīng)完成全部的檢測脂肪的操作，只需要將制成的臨時切片放置在顯微鏡下觀察即可。在觀察時，學(xué)生可以看到生物組織中的脂肪微粒呈現(xiàn)橘黃色。對此，小組成員應(yīng)該依次觀察，共同感受合作探究的成果。由此，學(xué)生得出“花生中含有脂肪”這一結(jié)論。

在檢測脂肪生物學(xué)實驗探究中，教師組織學(xué)生以合作探究的方式完成了實驗操作。對學(xué)生而言，合作探究的方式可以促進學(xué)生對生物學(xué)知識的熟練運用，進一步鍛煉學(xué)科關(guān)鍵能力，有效落實STEM理念。

四、基于STEM理念，落實生物學(xué)實驗教學(xué)評價

在實施生物學(xué)實驗教學(xué)評價時，教師應(yīng)該在引入STEM理念的基礎(chǔ)上，結(jié)合最初設(shè)定的實驗教學(xué)目標(biāo)，對學(xué)生的實驗學(xué)習(xí)過程進行評價。在評價時，教師要重視對學(xué)生的學(xué)習(xí)過程與學(xué)習(xí)結(jié)果進行評價，以此幫助學(xué)生綜合、全面地認(rèn)識課堂學(xué)習(xí)情況。

例如，針對學(xué)生的學(xué)習(xí)過程進行評價時，教師需要從學(xué)生能否準(zhǔn)確掌握生物學(xué)實驗操作過程、能否質(zhì)疑思考生物學(xué)實驗內(nèi)容、能否獨立探究實驗結(jié)果等方面進行評價，同時還應(yīng)該關(guān)注學(xué)生在實驗中是否形成了嚴(yán)謹(jǐn)、科學(xué)的邏輯思維。這些都是教師需要重點評價的方面，關(guān)乎學(xué)生實驗?zāi)芰δ芊駥崿F(xiàn)長足進步。針對學(xué)生的學(xué)習(xí)結(jié)果進行評價時，教師需要從學(xué)生的實驗操作是否規(guī)范、能否準(zhǔn)確獲得實驗結(jié)果的角度給出評價。在上述評價中，教師應(yīng)該多以鼓勵性、肯定性的評價語言為主，幫助學(xué)生在發(fā)現(xiàn)問題、解決問題的同時，增強自主探究生物學(xué)實驗的信心。除此之外，教師還可以組織學(xué)生之間進行相互評價，指出對方在實驗中出現(xiàn)的失誤與不足，這對學(xué)生反思自身存在的問題、及時調(diào)整學(xué)習(xí)方法有重要意義。學(xué)生之間能夠找到彌補不足的方法，做到共同學(xué)習(xí)、共同探究、共同進步。

綜上所述，基于對STEM理念的融合應(yīng)用，教師組織學(xué)生完成了對“檢測生物組織中的糖類、脂肪和蛋白質(zhì)”這一實驗的探究性學(xué)習(xí)。在實驗教學(xué)中，教師以提出思考問題的方式引入實驗教學(xué)，讓學(xué)生圍繞具體的探究任務(wù)進行合作探究，使得學(xué)生作為課堂主體和知識的主動獲取者，有效完成了相關(guān)實驗操作，這樣有助于學(xué)生增強學(xué)習(xí)自信心，提高自身的實驗?zāi)芰妥灾魈骄磕芰?，發(fā)展生物學(xué)核心素養(yǎng)。

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