STEM理念下高中生物學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)策略

摘"要：STEM理念是一種新型的教育理念，其是對(duì)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(duì)強(qiáng)化學(xué)生的理論學(xué)習(xí)與實(shí)踐應(yīng)用水平有重要意義。在高中生物學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中引入STEM理念，教師需要注重對(duì)STEM理念核心內(nèi)容的把握，重視培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)驗(yàn)?zāi)芰Γl(fā)展學(xué)生的生物學(xué)核心素養(yǎng)。對(duì)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(píng)價(jià)四個(gè)方面探究具體的生物學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)策略。關(guān)鍵詞：高中生物學(xué)；STEM理念；實(shí)驗(yàn)教學(xué)在傳統(tǒng)的生物學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，教師一般是以教材為基本教學(xué)內(nèi)容、以知識(shí)復(fù)習(xí)為課程導(dǎo)入方式、以單向灌輸為教學(xué)方式來(lái)開展教學(xué)。相較于傳統(tǒng)課堂，當(dāng)下的生物學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)更加重視從學(xué)生的角度出發(fā)開展教學(xué)活動(dòng)，重視學(xué)生對(duì)知識(shí)的系統(tǒng)思考、自主探究。STEM理念本身具備的情境性、個(gè)性化、多樣性特征符合當(dāng)下生物學(xué)實(shí)驗(yàn)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(shí)踐"檢測(cè)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(shí)驗(yàn)教學(xué)策略。一、基于STEM理念，設(shè)定生物學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)目標(biāo)在生物學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，教學(xué)目標(biāo)是教師組織學(xué)生開展實(shí)驗(yàn)教學(xué)的重要引領(lǐng)，是學(xué)生掌握實(shí)驗(yàn)核心內(nèi)容的關(guān)鍵。為此，在設(shè)定生物學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)目標(biāo)時(shí)，教師應(yīng)該基于STEM理念，將生物學(xué)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容與科學(xué)、技術(shù)、工程、數(shù)學(xué)等領(lǐng)域的知識(shí)相結(jié)合，在保證教學(xué)目標(biāo)有效性的同時(shí)，讓學(xué)生能夠在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中提高能力。例如，通過(guò)對(duì)“檢測(cè)生物組織中的糖類、脂肪和蛋白質(zhì)”實(shí)驗(yàn)的分析，學(xué)生需要完成三個(gè)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，而這三個(gè)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容除了個(gè)別的使用材料存在區(qū)別，實(shí)驗(yàn)思路、實(shí)驗(yàn)過(guò)程、實(shí)驗(yàn)操作等都有一定的相似之處。基于此，教師可以分別設(shè)定綜合性的教學(xué)目標(biāo)和各個(gè)實(shí)驗(yàn)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(huì)運(yùn)用科學(xué)、專業(yè)的生物學(xué)知識(shí)解釋現(xiàn)實(shí)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(shí)驗(yàn)方法檢測(cè)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(wèn)題、作出假設(shè)、設(shè)計(jì)與分析實(shí)驗(yàn)，保證探究生物學(xué)實(shí)驗(yàn)的邏輯性（工程素養(yǎng)）；學(xué)生應(yīng)該對(duì)生物學(xué)實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)具體目標(biāo)以“檢測(cè)生物組織中的糖類”為例，學(xué)生應(yīng)該達(dá)成如下目標(biāo)：掌握生物組織中常見的糖類；掌握具體檢測(cè)生物組織中還原糖的實(shí)驗(yàn)步驟；掌握檢測(cè)生物組織中的糖類的實(shí)驗(yàn)原理；準(zhǔn)確記錄實(shí)驗(yàn)結(jié)果。按照上述兩個(gè)維度的目標(biāo)開展生物學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)，學(xué)生能夠形成對(duì)生物學(xué)實(shí)驗(yàn)的整體與具體認(rèn)知，進(jìn)而做到按照實(shí)驗(yàn)步驟完成對(duì)生物學(xué)實(shí)驗(yàn)知識(shí)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(shí)驗(yàn)教學(xué)目標(biāo)的任務(wù)，并從綜合與具體兩個(gè)角度進(jìn)一步明確了學(xué)生應(yīng)該達(dá)成的目標(biāo)，讓學(xué)生能夠以目標(biāo)為引領(lǐng)，完成對(duì)生物學(xué)實(shí)驗(yàn)知識(shí)的學(xué)習(xí)，做到對(duì)生物學(xué)實(shí)驗(yàn)的熟練掌握。二、基于STEM理念，厘清生物學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)思路在落實(shí)STEM理念的過(guò)程中，為了讓生物學(xué)實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)教學(xué)思路。從生物學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的角度來(lái)看，厘清教學(xué)思路可以讓課堂教學(xué)過(guò)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(shí)驗(yàn)內(nèi)容，可見厘清教學(xué)思路對(duì)生物學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的重要性。例如，在“檢測(cè)生物組織中的糖類、脂肪和蛋白質(zhì)”實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，教師可以按照“導(dǎo)入新課—課前預(yù)實(shí)驗(yàn)—課上做實(shí)驗(yàn)—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(duì)生活中常見食物的猜測(cè)，引發(fā)學(xué)生對(duì)新知識(shí)的思考，讓學(xué)生意識(shí)到可以采取有機(jī)物檢測(cè)的方式，完成對(duì)猜測(cè)內(nèi)容的驗(yàn)證。在課前預(yù)實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)，教師可以采取演示實(shí)驗(yàn)、課前預(yù)習(xí)等方式，引導(dǎo)學(xué)生發(fā)現(xiàn)生物學(xué)實(shí)驗(yàn)中存在的問(wèn)題，并組織學(xué)生依據(jù)STEM理念思考改進(jìn)措施，在合作探究中達(dá)成培養(yǎng)學(xué)生能力的目標(biāo)。在課上做實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)，教師需要按照“探究實(shí)驗(yàn)步驟—實(shí)施實(shí)驗(yàn)—檢測(cè)有機(jī)物成分—得出實(shí)驗(yàn)結(jié)論”的邏輯步驟完成實(shí)驗(yàn)探究，促使學(xué)生掌握課程知識(shí)、理解重點(diǎn)和難點(diǎn)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(shí)內(nèi)容嘗試提出疑問(wèn)，并進(jìn)一步拓展思考，經(jīng)歷發(fā)現(xiàn)問(wèn)題、思考問(wèn)題、解決問(wèn)題的過(guò)程，最終達(dá)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(gè)清晰的邏輯框架，精準(zhǔn)落實(shí)生物學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)目標(biāo)，促進(jìn)學(xué)生對(duì)生物學(xué)知識(shí)的深入思考。這樣，教師完成了對(duì)生物學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)思路的梳理，為開展基于STEM理念的生物學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)提供了重要保障，使得生物學(xué)實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)探究任務(wù)在STEM理念下，教師完成了生物學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)目標(biāo)的設(shè)定、梳理了生物學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)思路。隨后，教師需要具體開展生物學(xué)實(shí)驗(yàn)，進(jìn)一步落實(shí)STEM理念。對(duì)此，教師可以布置檢測(cè)還原糖、檢測(cè)蛋白質(zhì)、檢測(cè)脂肪三個(gè)實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)學(xué)習(xí)。1.檢測(cè)還原糖在探究檢測(cè)還原糖實(shí)驗(yàn)任務(wù)之前，學(xué)生應(yīng)該對(duì)實(shí)驗(yàn)所需材料進(jìn)行檢查，保證材料的完整性。在進(jìn)行實(shí)驗(yàn)探究時(shí)，教師可以先以此實(shí)驗(yàn)為演示案例，幫助學(xué)生理解應(yīng)該怎樣完成生物學(xué)實(shí)驗(yàn)，保證結(jié)果的準(zhǔn)確性。對(duì)此，教師可以按照前文厘清的教學(xué)思路，一邊開展演示實(shí)驗(yàn)，一邊引導(dǎo)學(xué)生思考，為學(xué)生后續(xù)合作進(jìn)行生物學(xué)實(shí)驗(yàn)打好基礎(chǔ)。首先，教師需要制作實(shí)驗(yàn)中用到的斐林試劑。先準(zhǔn)備質(zhì)量濃度為0.1g/mL的NaOH溶液（甲液），再準(zhǔn)備質(zhì)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(shí)，學(xué)生發(fā)現(xiàn)裝有蒸餾水的試管從實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)演示后，教師可以讓學(xué)生嘗試寫出該實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)中增加“蒸餾水+斐林試劑”這一對(duì)照實(shí)驗(yàn)？在思考該問(wèn)題時(shí)，學(xué)生可以從變化的條件方面進(jìn)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(guò)對(duì)照實(shí)驗(yàn)來(lái)驗(yàn)證猜想。這樣，教師便完成了對(duì)檢測(cè)還原糖這一生物學(xué)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的講授，并為學(xué)生提供了一定的實(shí)驗(yàn)操作演示，為后續(xù)學(xué)生自主探究生物學(xué)實(shí)驗(yàn)打好了基礎(chǔ)。2.檢測(cè)蛋白質(zhì)在進(jìn)行檢測(cè)蛋白質(zhì)實(shí)驗(yàn)時(shí)，學(xué)生可以先回顧教師演示實(shí)驗(yàn)的操作過(guò)程，結(jié)合演示實(shí)驗(yàn)得到本次實(shí)驗(yàn)的操作過(guò)程。在進(jìn)行自主實(shí)驗(yàn)之前，學(xué)生需要準(zhǔn)備好雞蛋清、檢測(cè)試劑等需要用到的實(shí)驗(yàn)材料。按照前期教師演示的實(shí)驗(yàn)操作過(guò)程，學(xué)生要先調(diào)制雙縮脲試劑。準(zhǔn)備好質(zhì)量濃度為0.1g/mL的NaOH溶液（A液），質(zhì)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(shí)向兩支試管中注入A液和B液。此時(shí)，學(xué)生會(huì)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(shuō)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(shí)驗(yàn)的操作過(guò)程時(shí)，也要進(jìn)一步思考設(shè)置對(duì)照實(shí)驗(yàn)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(jìn)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(duì)此，學(xué)生按照上述步驟重復(fù)實(shí)驗(yàn)過(guò)程。在完成這一實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)進(jìn)一步分析可知，生物組織中含有的蛋白質(zhì)，無(wú)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(shí)驗(yàn)探究的過(guò)程中，學(xué)生模仿教師開展生物學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的過(guò)程，進(jìn)行了自主調(diào)試新試劑、自主進(jìn)行實(shí)驗(yàn)操作、自主反思并拓展思考，進(jìn)一步完善實(shí)驗(yàn)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(cè)脂肪在完成前面兩個(gè)實(shí)驗(yàn)的學(xué)習(xí)后，學(xué)生對(duì)生物學(xué)實(shí)驗(yàn)的過(guò)程、操作等形成了一定的認(rèn)知。基于此，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(cè)脂肪實(shí)驗(yàn)。在這一實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)材料。在學(xué)生合作探究之前，教師提出思考問(wèn)題：“前兩個(gè)實(shí)驗(yàn)采用的是在試管中進(jìn)行的方式，那么本次實(shí)驗(yàn)是否也在試管中進(jìn)行呢？若不使用試管，你認(rèn)為還可以使用哪些實(shí)驗(yàn)儀器？”通過(guò)學(xué)習(xí)本課內(nèi)容，學(xué)生知曉檢測(cè)脂肪的實(shí)驗(yàn)需要通過(guò)切片的方式，使用顯微鏡進(jìn)行觀察。在此基礎(chǔ)上，教師指導(dǎo)學(xué)生通過(guò)使用顯微鏡觀察物體的方式開展檢測(cè)脂肪的實(shí)驗(yàn)。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3min。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(shí)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(shí)切片。實(shí)驗(yàn)進(jìn)行到這一步，學(xué)生已經(jīng)完成全部的檢測(cè)脂肪的操作，只需要將制成的臨時(shí)切片放置在顯微鏡下觀察即可。在觀察時(shí)，學(xué)生可以看到生物組織中的脂肪微粒呈現(xiàn)橘黃色。對(duì)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(cè)脂肪生物學(xué)實(shí)驗(yàn)探究中，教師組織學(xué)生以合作探究的方式完成了實(shí)驗(yàn)操作。對(duì)學(xué)生而言，合作探究的方式可以促進(jìn)學(xué)生對(duì)生物學(xué)知識(shí)的熟練運(yùn)用，進(jìn)一步鍛煉學(xué)科關(guān)鍵能力，有效落實(shí)STEM理念。四、基于STEM理念，落實(shí)生物學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)評(píng)價(jià)在實(shí)施生物學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)評(píng)價(jià)時(shí)，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(shí)驗(yàn)教學(xué)目標(biāo)，對(duì)學(xué)生的實(shí)驗(yàn)學(xué)習(xí)過(guò)程進(jìn)行評(píng)價(jià)。在評(píng)價(jià)時(shí)，教師要重視對(duì)學(xué)生的學(xué)習(xí)過(guò)程與學(xué)習(xí)結(jié)果進(jìn)行評(píng)價(jià)，以此幫助學(xué)生綜合、全面地認(rèn)識(shí)課堂學(xué)習(xí)情況。例如，針對(duì)學(xué)生的學(xué)習(xí)過(guò)程進(jìn)行評(píng)價(jià)時(shí)，教師需要從學(xué)生能否準(zhǔn)確掌握生物學(xué)實(shí)驗(yàn)操作過(guò)程、能否質(zhì)疑思考生物學(xué)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容、能否獨(dú)立探究實(shí)驗(yàn)結(jié)果等方面進(jìn)行評(píng)價(jià)，同時(shí)還應(yīng)該關(guān)注學(xué)生在實(shí)驗(yàn)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(diǎn)評(píng)價(jià)的方面，關(guān)乎學(xué)生實(shí)驗(yàn)?zāi)芰δ芊駥?shí)現(xiàn)長(zhǎng)足進(jìn)步。針對(duì)學(xué)生的學(xué)習(xí)結(jié)果進(jìn)行評(píng)價(jià)時(shí)，教師需要從學(xué)生的實(shí)驗(yàn)操作是否規(guī)范、能否準(zhǔn)確獲得實(shí)驗(yàn)結(jié)果的角度給出評(píng)價(jià)。在上述評(píng)價(jià)中，教師應(yīng)該多以鼓勵(lì)性、肯定性的評(píng)價(jià)語(yǔ)言為主，幫助學(xué)生在發(fā)現(xiàn)問(wèn)題、解決問(wèn)題的同時(shí)，增強(qiáng)自主探究生物學(xué)實(shí)驗(yàn)的信心。除此之外，教師還可以組織學(xué)生之間進(jìn)行相互評(píng)價(jià)，指出對(duì)方在實(shí)驗(yàn)中出現(xiàn)的失誤與不足，這