STEAM教育在高中生物實驗教學中的探索
——以“果酒制作”實驗為例

邱玲燕

（桐鄉(xiāng)第一中學 浙江桐鄉(xiāng) 314500）

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

1 開展探究性實驗的準備

1.1 課題選擇

探究性學習的核心是讓學生自主地參與獲得知識，重視探究過程，不僅應滿足于學生動手實驗，還應創(chuàng)設問題情境讓學生自行設計實驗，在探究性實驗活動中發(fā)展學生的發(fā)散性思維。在選擇探究課題時，教師可以通過問題引導，引導學生確定不同的課題，按照實驗選題、方案設計、實驗探索、結果分析、展示交流等程序開展實驗研究。這種方法大大地激發(fā)了學生的探索興趣，提高了實驗的效果。

教材實驗“果酒制作”的教學目標是讓學生體驗果酒的制作過程，教材沒有設置探究環(huán)節(jié)，但教師可以引導學生挖掘探究因素。“果酒制作”第一課時，教師可以創(chuàng)設情境:請學生品嘗四種果酒并說出果酒名稱:紅葡萄酒、蘋果酒、桑葚酒、楊梅酒。由此，教師提出“關于果酒制作的研究與實驗”這個總課題，引導全班學生思考。學生通過對果酒的品嘗與比較，對相關知識的搜集和學習，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驗、果酒制作裝置的設計與制作、果酒制作過程的控制因素探索等。

1.2 時間安排

教學時間的安排既要保證能完成教學目標，也要保證探究性實驗的順利開展?！肮浦谱鳌睂嶒炈钑r間零碎但歷時較長，而高中生物的教學課時少，所以教師在課前要做好詳細的計劃。具體教學課時安排兩節(jié)甚至更多:探究實驗的課題確立、步驟設計和初步操作1課時；成果匯報展示和討論1課時；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間完成。

1.3 過程管理

完成探究實驗的關鍵在于實驗過程的管理，使學生真正進行實驗的探索。那么，對實驗過程的管理顯得尤為重要，在此過程中，教師應設計好相關表冊或由學生自行設計相應表冊，用于實驗過程的記錄，以顯現(xiàn)研究的過程，在實驗成果呈現(xiàn)時上交相應的記錄，作為評價的依據(jù)。

2 在實驗中滲透STEAM教育的實踐

STEAM教育的本質(zhì)是在眾多孤立的學科中建立一個新的橋梁為學生提供整體認識世界的機會，通過將這四種學科整合到一種教學范例中，把學生零碎知識的學習變成一個互相聯(lián)系統(tǒng)一整體的過程，這就消除了各門學科中傳統(tǒng)的學習障礙，是一種跨學科的學習方法。

2.1 S：厘清發(fā)酵原理

浙科版高中生物《選修1·生物技術實踐》中的實驗“果酒制作”是必修1“細胞呼吸”相關知識的應用，是必修1“乙醇發(fā)酵實驗”和必修3“探究培養(yǎng)液中酵母菌種群數(shù)量的動態(tài)變化”實驗的應用。在“果酒制作”實驗中的科學涉及生物、化學、物理三方面。生物方面要了解“果酒發(fā)酵”實驗中依靠的微生物主要是酵母菌，利用酵母菌在無氧環(huán)境下的厭氧呼吸產(chǎn)生酒精的原理。在學習該課題時，學生先著手查閱相關資料，了解發(fā)酵過程、原理，并查閱釀酒的相關裝置。

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

酵母菌是單細胞真菌，屬真核生物，細胞大小為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，但多以出芽方式進行無性生殖。溫度低時形成孢子，進入休眠狀態(tài)，溫度適宜時，進行出芽生殖，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。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，反應式如下:

在無氧條件下，反應式如下:

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℃時為最佳繁殖溫度，此時酵母菌生殖速度快、生活力強。超過35℃，酵母菌生長受到抑制，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。

在這個實驗中，控制其他微生物的增殖成了能否成功釀制果酒的關鍵。如果發(fā)酵過程中有醋酸桿菌的需氧呼吸，就會產(chǎn)生醋酸使得果酒發(fā)酸；如果有乳酸菌的厭氧呼吸，就會產(chǎn)生乳酸使得果酒變酸；如果有霉菌滋生，就會使得果酒發(fā)霉產(chǎn)生霉變味。這就說明發(fā)酵裝置設計的重要性，在日常生活中一般沒有嚴格意義上的裝置，基本上都是用玻璃瓶進行發(fā)酵，定期進行放氣，這就導致在發(fā)酵過程中很難把握，導致發(fā)酵效果不好甚至失敗。

2.2 T：創(chuàng)新實驗技術

科學實驗需要學生具備一定的操作技術，學生的操作是否規(guī)范、方法是否得當直接決定了實驗能否成功。學生在探究過程中，可能受實驗條件的限制，需要自行改進實驗技術以達到實驗目的。在STEAM教育理念下探究實驗中的改進過程，就是對探究實驗的創(chuàng)新過程，提高了學生的創(chuàng)新能力。

在“果酒制作”的探究實驗中，學生通過摸索實踐創(chuàng)新了一些實驗技術。

創(chuàng)新1:在工業(yè)生產(chǎn)葡萄酒時，用低劑量的二氧化硫（SO2）進行消毒，既能控制發(fā)酵時間，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，但某學習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。所以學生主動積極地查資料、聯(lián)系生活實際等，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，需要花費半天的時間。由于課時時間限制，某學習小組用無菌紙巾輕輕吸取原材料表面附著的水。這樣既節(jié)約了時間，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，也增加了果酒的醇香口感。此為浸泡和發(fā)酵結合的方法，某學習小組通過實驗對比發(fā)現(xiàn)效果比較好。

創(chuàng)新4:在過濾果皮果渣時，用普通紗布過濾后果酒的澄清度并不高。某學習小組經(jīng)過實驗對比發(fā)現(xiàn)換用致密性好一點的絲巾過濾，可以提高果酒的澄清度。

2.3 E：設計發(fā)酵裝置

工程學是利用學生的邏輯思維和創(chuàng)造力，以科學為基礎，以技術為媒介，以數(shù)學為支撐，開發(fā)和設計某種裝置或產(chǎn)品。在一個好的情境狀態(tài)下，學生以團隊形式分工合作積極參與，動手和動腦同步進行解決“做什么”和“怎么做”，真正實現(xiàn)“學中做”和“做中學”相結合的高效學習模式。

在“果酒制作”探究實驗中，由于學校教學經(jīng)費限制，沒有給學生提供標準的發(fā)酵瓶。果酒發(fā)酵實驗中發(fā)酵瓶的設計很重要，最關鍵是要解決如何保持瓶中氣壓穩(wěn)定。因為酵母菌在發(fā)酵過程中會產(chǎn)生CO2，使瓶中氣壓增大，有爆炸的危險。學生自行研制能排氣但又不能使O2和其他微生物進入發(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，取材方便價格便宜，透明可視；玻璃瓶堅固耐用又干凈衛(wèi)生，但價格高且屬易碎品；陶罐是傳統(tǒng)釀酒器皿，發(fā)酵理化性質(zhì)穩(wěn)定，缺點是罐身不透明難以讓學生觀察記錄，屬易碎品，價格高。所以綜合各種因素，有學習小組嘗試用無菌的礦泉水瓶作發(fā)酵瓶，沒有排氣管就用不定時稍微旋松瓶蓋的方法排氣；有學習小組選擇用飲料瓶作發(fā)酵瓶，因為飲料瓶的瓶蓋是切十字口的硅膠塞，可以自動釋放產(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，可以進行不同裝量對發(fā)酵影響的探究實驗，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。也有學習小組選擇到超市購買廣口玻璃瓶作發(fā)酵瓶，然后對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現(xiàn)既防止O2和雜菌進入，又能使發(fā)酵產(chǎn)生的CO2氣體溢出的目的）。在發(fā)酵過程中需要定時搖晃發(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)酵裝置設計并安裝成功后，需要進行氣密性檢查，以保證發(fā)酵過程中一直保持無氧環(huán)境，保證發(fā)酵實驗能夠順利進行。

2.4 A：完美展示成果

探究實驗成果展示可以是實驗報告、論文、展板、產(chǎn)品等多種形式。學生在完成了實驗探究之后，把探究的過程整理出來:撰寫實驗報告或科技小論文是常見的形式，可以鍛煉學生的文字表達能力；制作成圖文并茂的PPT或視頻，可以提高學生藝術審美能力；制作成展板在班級、校園內(nèi)進行展示，學生在現(xiàn)場進行解說，可以鍛煉學生的口頭表達能力。

學生動手實踐“果酒制作”探究性實驗，觀察實驗現(xiàn)象并作記錄，解決在實驗過程中出現(xiàn)的問題，教師組織學生進行實驗后的討論和交流，由學生課后歸納最佳實驗設計方案并作評價。“果酒制作”的實驗共歷時1個月，學生把資料、照片等整理成實驗報告，制作成PPT、視頻等，在探究實驗的第二課時進行了展示。這堂課是由每個學習小組分別選舉發(fā)言人（人數(shù)根據(jù)需要而定）上臺展示釀酒裝置，解析設計的原理和目的，展示釀制的果酒產(chǎn)品，用PPT或視頻回顧釀制的過程，及時總結經(jīng)驗和反思失敗原因從而吸取教訓，其他同學可以當場提出疑問，由每組負責發(fā)言的學生回答。最后，根據(jù)果酒裝置的設計創(chuàng)新性與實用性、果酒的色澤與口感、實驗報告的科學性與藝術性、實驗匯報的表達能力等方面，由每組的評委打分，評選最佳學習小組。通過這樣的形式給學生提供交流討論、總結提升的平臺，引導學生往“如何做得更好”方面思考，提高了學生的審美能力，鍛煉了學生的語言表達能力。

2.5 M：構建數(shù)學模型

在實驗數(shù)據(jù)的處理上，模型教學是有效的生物學教學方法，教師要引導學生構建各種模型以幫助學習。其中，數(shù)學模型是常用的一種用數(shù)學語言（如曲線圖、柱形圖、表格等）描述的生物模型，反映了研究對象的生命本質(zhì)和規(guī)律。

在“果酒制作”探究實驗中，學生設計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驗結果的不同，可以用曲線圖或柱形圖呈現(xiàn)。學生利用計算機進行數(shù)據(jù)處理，繪制圖形，用直觀的圖表呈現(xiàn)實驗結果。但是學生得到的數(shù)學模型是否符合實際科學原理，可能需要不同學習小組間進行比較、修正，從而使學生意識到模型構建是一個不斷發(fā)展和完善的過程。學生可以用血細胞計數(shù)板法測算發(fā)酵液中酵母菌種群數(shù)量的變化，繪制酵母菌種群數(shù)量的增長曲線；還可以用比濁計估算發(fā)酵液中酵母菌種群數(shù)量，繪制以渾濁度為橫坐標，酵母細胞數(shù)為縱坐標的種群數(shù)量變化曲線；利用美藍染色法對發(fā)酵液中的酵母菌進行抽樣檢測，測定酵母菌的死亡率和繪制存活曲線；可以用酒精計測量果酒中的酒精度，分析比較最適宜的釀酒條件（最適溫度、pH、蔗糖濃度等），為重復實驗提供科學的數(shù)據(jù)。這些數(shù)據(jù)的統(tǒng)計分析和處理都離不開數(shù)學這門基礎學科知識。

3 反思

STEAM教育理念下的生物實驗教學關注啟發(fā)學生的發(fā)散思維，不以實驗結果出現(xiàn)而結束探究。教師可以再創(chuàng)教學情境，變換思考問題的角度與方式，鼓勵學生大膽創(chuàng)新，啟發(fā)學生更深入地進行探究實驗，使他們在實際應用中不僅加深對新知識的理解、知識得到遷移、發(fā)展，而且能力也能得到進一步的提高。STEAM教育的實驗教學更注重培養(yǎng)學生解決實際問題的能力，比傳統(tǒng)課堂教學更加靈活多樣，并關注學生的綜合能力。教學中運用各種教學措施與策略，將科學、技術、工程、藝術和數(shù)學知識和能力綜合運用在實驗活動中，使科學知識能夠廣泛遷移。同時，在“果酒制作”的探究實驗中，在圓滿完成教學目標的基礎上，學生又產(chǎn)生了新的實驗課題:發(fā)酵溫度對果酒口感有什么影響？發(fā)酵時間應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？學生有了自己的想法后，利用假期時間去生物開放實驗室做實驗，科學思維能力得到了發(fā)展延伸。