基于STEAM 理念的實驗教學設計
——以用玻璃珠模擬生物學實驗為例

安徽省亳州市利辛高級中學 王子武

一、STEAM 教育理念概述

STEAM 教育起源于美國，相當于我國提出的素質教育，最早由美國政府提出，是信息全球化時代融合了多種學科的新型教育理念。STEAM 教育的前身是STEM 教育，STEM 即科學（Science）、技術（Technology）、工程（Engineering）、數學（Mathematics）的首字母組合，旨在教育教學中打破學科界限，將科學、技術、工程、數學等學科知識深度融合，通過對不同學科知識的綜合應用解決實際問題，培養學生的綜合素養，提升人才的競爭力。

STEM 教育理念強調跨學科融合，培養學生對知識的綜合運用能力和解決現實問題的能力。這一理念正被越來越多的人認可，并由學者將“STEM”豐富為“STEAM”。STEAM 中的“A”（Art）意指“人文藝術”，其強調教學過程中的趣味性與藝術性。

STEAM 教育是以項目為主線、教師為主導、學生為主體的一種合作探究的教育模式，注重學生在學習過程中的體驗，將學習知識與實際問題相結合；將科學、技術、工程、藝術和數學的思維、方法、態度等置于學生能理解的項目情境中，培養學生協同能力與多學科知識運用的綜合能力，有助于學生在課程學習中創新與創造。

二、用玻璃珠模擬生物學實驗

（一）模擬標志重捕法

標志重捕法是調查動物種群密度的一種重要方法，其具體操作過程及計算方法為：在一定的自然區域內捕獲某種動物M 個，做上標記之后放回，一段時間后進行第二次捕獲，第二次捕獲動物的數量為n 個，其中有標記的個體為m 個，即可求出該自然區域內該動物的總數（N）為Mn/m 個。但該方法比較抽象，學生又很難有機會實地操作。如果利用玻璃珠模擬實驗，學生通過操作可以輕松地理解和掌握。

1.實驗器材

500ml 的大燒杯一個，大小和材質相同的黃色玻璃珠100 個、紅色玻璃珠20 個，記錄用的筆和紙。

2.模擬過程

（1）實驗前準備：教師隨機在大燒杯中放入黃色玻璃珠若干，記為N（50 ＜N ＜100）。

（2）第一次抓取：學生隨機從燒杯中抓取黃色玻璃珠M個（10 ＜M ＜20），并記錄數量，然后把抓取的黃色玻璃珠換成紅色，代表對動物做標記，然后原數放回燒杯并搖勻。

（3）第二次抓取：學生再隨機抓取玻璃珠n 個（10 ＜n＜20），記錄數量，并統計其中紅色玻璃珠的數量記為m。

（4）計算結果：根據公式N=Mn/m，計算出N 的數量，將數據記入表1，并與教師實際放入的數量進行比較，分析誤差。

表1 標志重捕法模擬實驗數量統計表

3.注意事項

（1）第一次放入的玻璃珠要盡量多，數量越多誤差越小。

（2）第二次抓取時應閉上眼睛隨機抓取，以免人為因素影響實驗結果。

（二）模擬分離定律

分離定律又稱孟德爾第一定律，是指控制生物性狀的遺傳因子在體細胞中成對存在，形成配子時遺傳因子發生分離，進入不同的配子中，隨配子遺傳給后代。可用燒杯代表雌雄配子的生殖器官，不同顏色的玻璃珠代表含不同遺傳因子的配子，進行模擬實驗，取材方便，操作簡單。

1.實驗器材

500ml 的大燒杯2 個，紅色和黃色的玻璃珠各20 個，記錄用的筆和紙。

2.模擬過程

（1）分組編號：將燒杯分為兩組，編號甲（♀）、乙（♂），分別在甲、乙兩個燒杯中放入紅色和黃色的玻璃珠各10 個并搖勻，其中紅色玻璃珠代表遺傳因子A，黃色玻璃珠代表遺傳因子a。

（2）模擬操作：分別從甲、乙兩個燒杯中各隨機抓取玻璃珠一個，組合并記錄。

（3）重復實驗：將玻璃珠放回原來的燒杯中，重復步驟（2）若干次。

（4）統計結果：統計AA、Aa、aa 組合的數量及比例記入表2。

表2 分離定律模擬實驗結果統計表

3.注意事項

（1）每次抓取的玻璃珠一定要放回原來的燒杯中，并搖勻，以保證每次抓取的紅色和黃色玻璃珠的概率相同。

（2）重復次數盡量多，數量越多實驗誤差越小。

（三）模擬自由組合定律

自由組合定律又稱為孟德爾第二大定律，比分離定律更為復雜和抽象。而且教材上并沒有相關的模擬實驗，這給學生的認知帶來一定的障礙。通過玻璃珠模擬實驗并動手操作，學生更易理解自由組合定律的實質。

1.實驗器材

500ml 的大燒杯4 個，紅、黃、藍、綠四色的玻璃珠各20個，記錄用的筆和紙。

2.模擬過程

（1）分組編號：將4 個燒杯分為甲（♀）、乙（♂）兩大組，每組2 個。甲組的燒杯編號為甲1 和甲2，乙組的燒杯編號為乙1 和乙2。在甲1 和乙1 燒杯中分別放入紅色和黃色的玻璃珠各10 個，表示遺傳因子A 和a，在甲2 和乙2 燒杯中分別放入藍色和綠色的玻璃珠各10 個，表示遺傳因子B 和b，搖勻。

（2）模擬操作：從甲1、甲2、乙1、乙2 四個燒杯中各隨機抓取玻璃珠一個，組合并記錄。

（3）重復試驗：將玻璃珠放回原來的燒杯中，重復步驟（2）若干次。

（4）統計結果：統計AB、Abb、aaB、aabb 組合的數量及比例記入表3。

表3 自由組合定律模擬實驗結果統計表

3.注意事項

（1）每次抓取的玻璃珠一定要放回原來的燒杯中，并搖勻，以保證每次抓取的紅色與黃色、藍色與綠色的玻璃珠的概率相同。

（2）重復實驗50 次以上，重復的次數越多，實驗結果越準確。

三、將STEAM 教育應用于生物實驗設計的意義

（一）是時代發展的要求

STEAM 教育已經成為國際和國內教育者研究的熱點問題，當前學者研究的主要方向是STEAM 理念的實踐以及與學科教學的深度融合。教育部2016 年印發的《教育信息化“十三五”規劃（2016—2020 年）》中，倡導有條件的地區和學校要積極探索STEAM 教育、創客教育等新的教育模式的應用，促進學生的全面發展，培養適應新時代的高素質人才。《普通高中生物學課程標準（2017 年版）》也要求，教師要多關注學生學習過程中的實踐經歷，用科學的知識、觀點、思路和方法，通過探究性學習或完成工程學任務，探討或解決現實生活中遇到的問題。通過前文分析，科學地將STEAM 教育理念融入生物學實驗教學來培養學生的生物學核心素養是必要且可行的。基于STEAM 教育理念的生物學實驗教學設計，生物學習將打破傳統教學模式，使學生真正成為學習的主人，能更好地達成培養學生的生物學核心素養的目標。

（二）是培養學生核心素養目標的要求

STEAM 教育的最終目的是實現公民終身、全面的發展，而我國學生發展核心素養目標是培養全面發展的人；STEAM教育強調跨學科的融合，而核心素養的培養也離不開多學科有機整合；STEAM 教育以實際生活問題和項目展開探究，而核心素養教育也需要創設真實情境；STEAM 教育是以學科知識為載體進行的多學科知識的深層次融合，獨具教育體系和內涵，而生物核心素養的形成同樣依賴于多方面的知識。STEAM 教育和核心素養教育都強調學生的主體地位，教師需進行相應的引導。生物學的課程設計和實施，是以學科核心素養的培養為根本目標的，是理論知識與實際應用的結合，要引導學生從生物角度去思考和解決問題，從而認識世界。由此看來，STEAM 教育與核心素養具有很多相似性，利用STEAM 教育理念培養生物核心素養可以更好地落實新課標的教育目標。

STEAM 教育已經成為當前世界各國教育界實施與發展探索的熱點方向，將科學的STEAM 教育理念融入生物學科來培養生物核心素養是可行且必要的。在生物教學中融入STEAM 教育理念，生物學習將打破傳統教學模式，讓學生真正成為學習的主人，能更好地落實學生生物核心素養的培養，促進學生的個人發展與社會價值的實現。當然，要想真正實現運用STEAM 教育理念來培養學生的生物核心素養，還需要在進一步的STEAM 教育和生物學科的融合與對接實踐中完成。