STEM理念下高中生物學實驗教學策略

摘"要：STEM理念是一種新型的教育理念，其是對科學、技術、工程、數學四大學科教學特色的融合，提倡培養(yǎng)學生的綜合思維能力和自主探究能力，對強化學生的理論學習與實踐應用水平有重要意義。在高中生物學實驗教學中引入STEM理念，教師需要注重對STEM理念核心內容的把握，重視培養(yǎng)學生的實驗能力，發(fā)展學生的生物學核心素養(yǎng)。對此，文章以STEM理念為基礎，從教學目標、教學思路、探究任務、教學評價四個方面探究具體的生物學實驗教學策略。關鍵詞：高中生物學；STEM理念；實驗教學在傳統(tǒng)的生物學實驗教學中，教師一般是以教材為基本教學內容、以知識復習為課程導入方式、以單向灌輸為教學方式來開展教學。相較于傳統(tǒng)課堂，當下的生物學實驗教學更加重視從學生的角度出發(fā)開展教學活動，重視學生對知識的系統(tǒng)思考、自主探究。STEM理念本身具備的情境性、個性化、多樣性特征符合當下生物學實驗教學的需要。下面以人教版《普通高中教科書·生物學》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”為例，具體介紹STEM理念下的生物學實驗教學策略。一、基于STEM理念，設定生物學實驗教學目標在生物學實驗教學中，教學目標是教師組織學生開展實驗教學的重要引領，是學生掌握實驗核心內容的關鍵。為此，在設定生物學實驗教學目標時，教師應該基于STEM理念，將生物學實驗內容與科學、技術、工程、數學等領域的知識相結合，在保證教學目標有效性的同時，讓學生能夠在實驗教學中提高能力。例如，通過對“檢測生物組織中的糖類、脂肪和蛋白質”實驗的分析，學生需要完成三個實驗內容，而這三個實驗內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?；诖耍處熆梢苑謩e設定綜合性的教學目標和各個實驗的具體目標。綜合性教學目標如下：學生應該學會運用科學、專業(yè)的生物學知識解釋現實生活中的現象（科學素養(yǎng)）；學生應該嘗試使用多種生物學實驗方法檢測化合物（技術素養(yǎng)）；學生能夠依據生活現象提出問題、作出假設、設計與分析實驗，保證探究生物學實驗的邏輯性（工程素養(yǎng)）；學生應該對生物學實驗使用的材料、試劑等有具體的把握（數學素養(yǎng)）。生物學實驗具體目標以“檢測生物組織中的糖類”為例，學生應該達成如下目標：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；準確記錄實驗結果。按照上述兩個維度的目標開展生物學實驗教學，學生能夠形成對生物學實驗的整體與具體認知，進而做到按照實驗步驟完成對生物學實驗知識的理解與掌握。在STEM理念的引導下，教師完成了設定生物學實驗教學目標的任務，并從綜合與具體兩個角度進一步明確了學生應該達成的目標，讓學生能夠以目標為引領，完成對生物學實驗知識的學習，做到對生物學實驗的熟練掌握。二、基于STEM理念，厘清生物學實驗教學思路在落實STEM理念的過程中，為了讓生物學實驗課堂更具有邏輯性，凸顯STEM理念的核心內容，教師需要厘清生物學實驗教學思路。從生物學實驗教學的角度來看，厘清教學思路可以讓課堂教學過程更為流暢、完整，而且學生也能在教師的引導下做到系統(tǒng)思考生物學實驗內容，可見厘清教學思路對生物學實驗教學的重要性。例如，在“檢測生物組織中的糖類、脂肪和蛋白質”實驗教學中，教師可以按照“導入新課—課前預實驗—課上做實驗—質疑拓展”的整體邏輯厘清教學思路。在新課導入環(huán)節(jié)，教師可以由對生活中常見食物的猜測，引發(fā)學生對新知識的思考，讓學生意識到可以采取有機物檢測的方式，完成對猜測內容的驗證。在課前預實驗環(huán)節(jié)，教師可以采取演示實驗、課前預習等方式，引導學生發(fā)現生物學實驗中存在的問題，并組織學生依據STEM理念思考改進措施，在合作探究中達成培養(yǎng)學生能力的目標。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—得出實驗結論”的邏輯步驟完成實驗探究，促使學生掌握課程知識、理解重點和難點內容。在質疑拓展環(huán)節(jié)，教師可以組織學生基于所學知識內容嘗試提出疑問，并進一步拓展思考，經歷發(fā)現問題、思考問題、解決問題的過程，最終達成教學目標。教師應該按照上述主要教學邏輯與次要教學邏輯結合的形式，構建一個清晰的邏輯框架，精準落實生物學實驗教學目標，促進學生對生物學知識的深入思考。這樣，教師完成了對生物學實驗教學思路的梳理，為開展基于STEM理念的生物學實驗教學提供了重要保障，使得生物學實驗教學的開展能夠具備完整的教學邏輯、系統(tǒng)的教學框架。三、基于STEM理念，布置生物學實驗探究任務在STEM理念下，教師完成了生物學實驗教學目標的設定、梳理了生物學實驗教學思路。隨后，教師需要具體開展生物學實驗，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、檢測脂肪三個實驗探究任務，讓學生按照既定的教學要求完成生物學實驗學習。1.檢測還原糖在探究檢測還原糖實驗任務之前，學生應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，幫助學生理解應該怎樣完成生物學實驗，保證結果的準確性。對此，教師可以按照前文厘清的教學思路，一邊開展演示實驗，一邊引導學生思考，為學生后續(xù)合作進行生物學實驗打好基礎。首先，教師需要制作實驗中用到的斐林試劑。先準備質量濃度為0.1g/mL的NaOH溶液（甲液），再準備質量濃度為0.05g/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2min，靜置觀察兩支試管中液體的顏色變化。觀察時，學生發(fā)現裝有蒸餾水的試管從實驗開始到結束并未發(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，學生發(fā)現斐林試劑的顏色經歷了“淺藍色—棕色—磚紅色”的變化，并且試管中出現了沉淀物，這種顏色的變化和沉淀物的出現與糖類還原銅離子生成氧化亞銅有關。在完成實驗演示后，教師可以讓學生嘗試寫出該實驗的原理，即相關化合物與化學試劑的結合，發(fā)生特定的顏色反應。該實驗便是還原糖與斐林試劑的結合，并在50～65℃的溫水中加熱，產生磚紅色沉淀這一特定的顏色反應。在完成實驗的初步探究教學后，教師可以讓學生思考：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，學生可以從變化的條件方面進行思考，即斐林試劑最終產生磚紅色沉淀是與蘋果勻漿有關還是與蒸餾水有關，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實驗內容的講授，并為學生提供了一定的實驗操作演示，為后續(xù)學生自主探究生物學實驗打好了基礎。2.檢測蛋白質在進行檢測蛋白質實驗時，學生可以先回顧教師演示實驗的操作過程，結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，學生需要準備好雞蛋清、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，學生要先調制雙縮脲試劑。準備好質量濃度為0.1g/mL的NaOH溶液（A液），質量濃度為0.01g/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，學生會發(fā)現裝有蒸餾水的試管中注入A液和B液后，顏色為淺藍色，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，學生可以直觀看到液體變成了紫色，這說明相關化合物與化學試劑的結合能夠出現特定的顏色反應。同樣，學生在回顧自己實驗的操作過程時，也要進一步思考設置對照實驗的目的，即生物組織中的蛋白質能夠與雙縮脲試劑中的銅離子結合，產生紫色結合物。此外，學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？對此，學生按照上述步驟重復實驗過程。在完成這一實驗后，學生發(fā)現雙縮脲試劑依然發(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。根據上述實驗進一步分析可知，生物組織中含有的蛋白質，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生紫色反應。在上述自主實驗探究的過程中，學生模仿教師開展生物學實驗教學的過程，進行了自主調試新試劑、自主進行實驗操作、自主反思并拓展思考，進一步完善實驗結果，有助于提高自身的科學探究能力，提升邏輯嚴謹的工程素養(yǎng)。3.檢測脂肪在完成前面兩個實驗的學習后，學生對生物學實驗的過程、操作等形成了一定的認知。基于此，教師可以采取“教師指導+學生合作探究”的方式，師生共同完成檢測脂肪實驗。在這一實驗中，教師為學生準備了花生種子、蘇丹Ⅲ染液等必備的實驗材料。在學生合作探究之前，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，你認為還可以使用哪些實驗儀器？”通過學習本課內容，學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。在此基礎上，教師指導學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3min。其次，學生需要用吸水紙吸去染液，再滴加1～2滴體積分數為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，學生已經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，學生可以看到生物組織中的脂肪微粒呈現橘黃色。對此，小組成員應該依次觀察，共同感受合作探究的成果。由此，學生得出“花生中含有脂肪”這一結論。在檢測脂肪生物學實驗探究中，教師組織學生以合作探究的方式完成了實驗操作。對學生而言，合作探究的方式可以促進學生對生物學知識的熟練運用，進一步鍛煉學科關鍵能力，有效落實STEM理念。四、基于STEM理念，落實生物學實驗教學評價在實施生物學實驗教學評價時，教師應該在引入STEM理念的基礎上，結合最初設定的實驗教學目標，對學生的實驗學習過程進行評價。在評價時，教師要重視對學生的學習過程與學習結果進行評價，以此幫助學生綜合、全面地認識課堂學習情況。例如，針對學生的學習過程進行評價時，教師需要從學生能否準確掌握生物學實驗操作過程、能否質疑思考生物學實驗內容、能否獨立探究實驗結果等方面進行評價，同時還應該關注學生在實驗中是否形成了嚴謹、科學的邏輯思維。這些都是教師需要重點評價的方面，關乎學生實驗能力能否實現長足進步。針對學生的學習結果進行評價時，教師需要從學生的實驗操作是否規(guī)范、能否準確獲得實驗結果的角度給出評價。在上述評價中，教師應該多以鼓勵性、肯定性的評價語言為主，幫助學生在發(fā)現問題、解決問題的同時，增強自主探究生物學實驗的信心。除此之外，教師還可以組織學生之間進行相互評價，指出對方在實驗中出現的失誤與不足，這