STEAM教育在高校生物實驗課的教學改革與實踐

余春紅 馬小英 生悅 呂沫

[摘 要] STEAM教育是跨學科整合的一種綜合教育模式。該教學項目從不同的角度，將STEAM教育理念融入生物學實驗教學方法的設計中，使學生在理解生物學知識的基礎上，體會藝術與科學的交叉融合，體驗科學實驗的樂趣。不僅有助于加深理解和掌握相關的生物學知識，也能提高教學語言的藝術性，活躍學生的學習思維，激發學生的學習興趣，增強教學效果。該教學方法的改革實踐受到同行和學生的好評，收到良好的教學效果，同時也提升了學生的科學素養。

[關鍵詞] 生物學;高校實驗教學;STEAM教育

[基金項目] 2017年度南方科技大學教育教學改革項目“MOOC環境下的微生物學實驗教學微課程建設研究”（JG201703）;2017年度廣東省級本科高校質量工程項目“南方科技大學生命科學實驗教學中心”（SJZLGC201701）;2018年度南方科技大學質量工程項目“微生物實驗SPOC翻轉課堂”（XJZLGC201802）

[作者簡介] 余春紅（1977—），女，江西德安人，理學博士，南方科技大學生物系教學工程師，主要從事生物實驗教學與研究;呂沫（1982—），女，黑龍江哈爾濱人，理學博士，南方科技大學生物系教學工程師（通信作者），主要從事生物實驗教學與研究。

[中圖分類號] G642.0? ?[文獻標識碼] A? ? [文章編號]1674-9324（2021）02-0065-04? ?[收稿日期] 2020-04-21

中國文化源遠流長，詩詞和音樂都是中華古典文學的瑰寶，包含深刻的文化底蘊，而且有些詩詞中也蘊藏著豐富的生物學知識。STEAM教育就是將科學（Science）、技術（Technology）、工程（Engineering）、藝術（Art）及數學（Mathematics）五個學科的相互整合的綜合性教育方式。當下，STEAM教育在教育教學的發展中提升了科技發展的競爭力，強調對學生綜合素養和能力的培養。本教師團隊在生物學的課堂教學中，將生物學知識與詩詞文化和音樂巧妙結合，不僅有助于加深理解和掌握相關的生物學知識，也能提高教學語言的藝術性，有利于活躍學生的學習思維，激發學生們的學習興趣，增強教學效果。這類實踐目前有見于理論課教學，且以引用古詩詞為主[1]。本文結合該教學團隊近幾年在生物實驗課程中的教學改革與實踐，淺談一些根據實驗課程內容引用和自編詩詞兼用，并且配以音樂制作短視頻的教學實踐方法。

一、與詩詞相結合的生物學知識授課

以普通生物學實驗課中的一節“校園植物多樣性”為例。實驗目的是認識校園中的代表性植物，感受校園風光。在這節課里，教師精心策劃了人文和詩詞的導入，通過人文和古詩詞中的故事情節引入要講授的課程內容，將生物學知識和人文知識相結合，激發學生的學習興趣，啟發學生思考。例如，在介紹木棉（木棉科）時，引用清代詩人陳恭尹的《木棉花歌》，第一句“粵江二月三月天，千樹萬樹朱花開”。啟發學生觀察木棉花開的季節和花的形態特征，然后再切入主題，引發學生思考木棉的開花時期。下一句“覆之如鈴仰如爵，赤瓣熊熊星有角”引發學生觀察木棉花的特有形狀，像5個角的鈴鐺。再有“愿為飛絮衣天下，不道邊風朔雪寒”指的是木棉花落結果，果莢開裂釋放的棉絮可以做織衣的用途和奉獻精神，進而展開介紹木棉花作為中國近代和現代革命的策源地——廣州的市花，也叫英雄樹，象征著廣州蓬勃向上的事業和生機，激勵著人們報效祖國的豪情壯志。講完《木棉花歌》之后，為加固學生對木棉形狀特征和所蘊含精神的理解，教學團隊拍攝校園內的木棉圖，配以自編詩詞：“滿眼一園綠，獨見一樹紅。形如鈴角散，魂譽烈英忠。雖妍無千媚，英氣蓋皓穹。花前歌在耳，何處覓英雄？”通過誦讀詩歌加深學生印象。

除了木棉，校園中還有很多植物，如鐵樹、紫薇、荷花、刺桐等，有很多古詩詞都是描述它們的特征和美態，而且在這些詩詞中也寄托了詩人的情思，將它們引入教學中，可以激發學生的思考和對大自然的贊美之情。但有時候，古詩詞中的情思不足以滿足課程教學的導向。為此，教學團隊的教師自編了些拙詩小詞分享給學生，既描述植物又適當加入一些愛學生、愛校園的教師情懷。例如介紹校園中一棵百年小葉榕時，自編詩詞《百年古榕》，前四句描述小葉榕的枝繁葉茂和百年滄桑，后四句“今逢盛世聆書聲，靜看高教改革興。盼見桃李譽天下，榕下共敘母校情”，形容百年古榕見證母校高等教育改革的成功，盼著學子們成才。

在課堂教學中加入這些詩詞，大大增強了學生們的學習興趣。教學團隊的教師拍攝了校園植物不同生長時期的照片，把植物照片按照花、葉的形態和樹木的生理特性分成三組，第一組圖片介紹校園里可以開花的植物，主題為“亂花漸欲迷人眼”（詩詞出自白居易的《錢塘湖春行》），向學生介紹多姿多彩的開花植物。第二組圖片介紹校園里不同葉型的植物，主題為“百葉繽紛斗芳菲”，介紹植物葉片不同的形狀特征，近距離觀察校園中植物葉片形狀的千姿百態，借此機會可以讓每天刻苦學習的學生近距離感受植物細微的美，享受大自然的美。第三組圖片介紹不同種類的樹木，主題為“樹有千姿各不同”，校園里有很多很美的熱帶樹木，通過觀察和欣賞這些樹木，可以隱隱感受到夏天的炎熱與樹下的清涼。最后，綜合校園內各種植物的景色，配上詩詞和古典輕音樂，制作成音樂視頻課件，播放給學生欣賞。在視頻的末尾，特別地用一首自編的如夢令“今日南科信步，暫別墨香書蠹。喜小溪清幽，細潤芳菲一路。且住，且住，凝聽樹語花賦！”開啟徒步校園實地辨認植物之旅。雖然自編的詩詞水平比不上古詩詞，但是這種寓詩于教，用音樂視頻做教學展示的教學方式很受學生歡迎，營造了輕松且具有古典韻味的校園意境。學生評價說“每天都要走過的校園從現在起感覺再不一樣了”。此課件參加“2016年南科大青年教師授課競賽”，獲得實驗組特等獎，有評委說“雖然天天走在校園里，但第一次感覺到校園里的詩情畫意”。通過幾年的教學實踐和學生、評委的評價，客觀地反映出這種教學模式改革初步的成功。

二、與詩詞相結合的學生實驗結果引導

“生活中不是缺少美，而是缺少發現美的眼睛”。生物實驗不是枯燥的，只是缺乏挖掘的角度。教學團隊的教師從不同的角度，將詩詞融入實驗教學方法的設計中，引發學生從不同的視角去進行實驗操作和分析實驗結果。同一個實驗結果，經過教師對教學模式的巧妙設計，使學生在做實驗的同時，也體驗到實驗的樂趣。以本校大學二年級生物系開放的微生物學實驗課為例，學生需要使用接菌環進行實驗操作，而且接菌環必須要通過酒精燈火焰燒紅才能達到消毒殺菌的效果，燒紅之后的接種環很燙，直接接種容易燙死實驗菌株，因此必須要放涼至室溫才能繼續進行下一步的實驗操作，并且實驗操作的全過程需要在酒精燈旁完成，學生很容易漏掉其中幾個環節。因此，教師自編詩詞“紅透環絲須放涼，輕輕劃線倚火旁”。學生通過記住詩詞從而記住實驗操作的要點。通過觀察，學生的實驗結果出現錯誤的情況逐漸減少，說明這種詩詞相結合的實驗教學模式可以達到良好的教學效果，是一種教學模式的創新。

還有一節課是講解革蘭氏染色的方法，革蘭氏染色是鑒別革蘭氏陽性細菌和陰性細菌的常用實驗方法[2]。通過詩詞相結合的教學方式也收到了不錯的教學效果。染色流程是細菌樣品先經過結晶紫初染和革蘭氏碘液媒染，結晶紫與碘的復合物在細胞壁內形成和沉積，然后再經乙醇脫色、番紅復染。革蘭氏陽性菌由于細胞壁中肽聚糖層厚、交聯致密，脂質含量低，在遇乙醇脫色時細胞壁脫水，網孔因失水縮小，結晶紫與碘復合物被留在壁內，最終結果細菌呈現出藍紫色。而革蘭氏陰性菌因其細胞壁肽聚糖層薄、外膜層類脂含量高、在遇乙醇脫色后，結晶紫與碘復合物易于溶出，后經番紅復染，最終結果細菌呈現出紅色。學生在做這個實驗時，經常由于錯誤的實驗操作導致結果失敗。比如，在顯微鏡下觀察發現細菌樣品被染成一半藍一半紅，顏色邊界涇渭分明，出現“半江瑟瑟半江紅”的畫面（詩詞出自白居易《暮江吟》）如圖1。根據這個實驗結果，教師引導學生分析實驗失敗的原因，可能是由于染色時結晶紫染液未完全覆蓋細菌樣品，被結晶紫染液覆蓋的樣品著色成藍紫色;未覆蓋染液結晶紫的樣品沒有被著色，后續樣品經過媒染、脫色、復染等步驟，最后被番紅染成紅色，因此造成一半樣品為藍紫色，另一半樣品為紅色的錯誤結果。除了上述描述的原因之外，學生分析也可能是用95%乙醇脫色處理時脫色不均勻，造成這樣顏色不均一的現象。雖然這是一次錯誤的實驗結果，但是顯微鏡下美麗的畫面卻能引發學生獨立思考科學原理，分析可能造成實驗失敗的種種原因，那么當學生再次重復實驗操作的時候，就會避免類似的錯誤發生，做出相對完美的正確結果。所以，教學實驗的最終目的不是以做出正確結果為結尾，關鍵在于引導學生的科研思維和鍛煉學生的動手操作能力，這才是微生物實驗課所期望達到的最終培養目的。

通過詩詞相結合的教學模式的教學引導，將STEAM教學的概念融入實驗當中，為微生物實驗課增加了多姿多彩的“結果”。比如，淀粉水解實驗，實驗用的培養基為可溶性淀粉培養基，其中含有可溶性淀粉和臺盼藍（Trypan Blue）等成分，其中臺盼藍可以和淀粉非共價結合，臺盼藍為藍色的染料，因此培養基呈現藍色。有些細菌如Bacillus subtilis能分泌一種胞外酶，即α-淀粉酶[3]。此酶可以將大分子長鏈的淀粉水解為單糖、糊精、麥芽糖和葡萄糖。所以在培養上有淀粉的地方呈現藍色，如果淀粉被細菌分泌的α-淀粉酶水解，那么該片區域不呈現藍色（圖2）。因此該實驗可用于檢測細菌是否分泌α-淀粉酶。在實驗過程中，有的學生發揮想象，在培養基上用細菌作畫，畫太陽、星星和月亮等圖案，可謂是“點點菌落譜星陽”，還有畫成星星和心，變成“熠熠生輝照心房”。在實驗結果中，如果該細菌可以分泌α-淀粉酶，那么分泌出的α-淀粉酶將附近的淀粉水解，沿細菌的軌跡形成一個透明的環。學生在創作熠熠生輝的太陽或星星等詩意化畫面的同時，觀察到“光圈”的產生也更加深刻地理解了實驗原理。這一實驗結果得到了美術系老師的大大贊美。體現了藝術與科學的完美結合。

類似的實驗還有脂肪酶水解實驗。該實驗的目的是檢測可以分泌脂肪酶的細菌。脂肪酶可以分解培養基中的油脂生成甘油及脂肪酸。脂肪酸使培養基pH下降，油脂培養基中的pH指示劑中性紅呈現出紅色，因此細菌周圍培養基中的油滴變成紅色[4]（圖3）。在用細菌接種的時候，學生充分發揮了想象，用細菌描繪出一幅幅培養基上的圖畫，比如下圖中黃色的睫毛和紅色的眼睛，證實了Staphylococcus warneri可以分泌脂肪酶，脂肪酶可以分解培養基中的油脂生成甘油及脂肪酸，最終使細菌周圍的油滴變色，創作出紅色的眼睛，正好似“畫眸猶如胭脂妝”。

在實驗課的教學總結環節，教師收集了學生的這些創意結果圖，結合微生物實驗操作的重點和難點，自填詩詞《浣溪沙》：“紅透環絲須放涼，輕輕劃線倚火旁，點點菌落譜星陽。誰道實驗枯味重？畫眸猶如胭脂妝，枯枝寄花愛未央”。再配以圖片和古典輕音樂，制作出詩意的實驗花絮TV，這樣的教學形式很受學生歡迎，在期末評教中，有學生匿名評價“授課言語生動，化腐朽為神奇，只要有心，什么都可以藝術化！”。這也證明了將科學、詩詞和藝術相融合的教學改革的成功。

同樣的實驗課教學方式也應用在其他實驗課中。教學方法還可以根據該課程的實驗內容，用詩意的語言做出精練的回顧性總結，結合圖片和音樂，制作出音樂視頻。比如，微生物學實驗課的回顧總結，《再見，微生物學實驗》;植物生理學實驗課的回顧總結，《這半年，我們一起做過的實驗》。這種教學模式，讓學生輕松愉快地簡短回顧課程內容，記憶實驗方法，很受學生歡迎。

三、與詩詞相結合的生物實驗教學改革總結

通過幾年的詩詞和音樂相結合的生物實驗教學實踐，本教師團隊形成自己獨特的教學風格，收到同行教師和學生的好評。學生匿名評教分數從92～93分升到99分以上（學校課程評教分數為90分左右）。2017年教師節授課教師被學生在《南科新知》上評為“學堂飛花獎”（可見2017-09-09）。

以上講解的幾個與詩詞和音樂相結合的實例，說明在生物實驗課授課中可以根據課程內容因勢引導，在理解生物學知識的基礎上，滲入人文精神，引入詩詞歌賦，提高課堂語言的藝術性，讓學生體會詩意的意境美的同時，同時理解科學的實驗原理與方法。這與當下科學教育領域所提倡的STEAM（科學、技術、工程、藝術、數學）教育理念高度吻合，是尋找藝術和科學交叉與融合的一種方式。正如學生匿名評語所言，“總是鼓勵我們在追尋科學真理的同時也要追求美，給我很大的啟發?！闭f明該教學模式已經對學生產生了很大影響。本實驗教學方法的改革旨在引導學生既追求科學與真理，也追求藝術，陶冶性情。而且，科學與藝術的融通，是一種時代的要求，也是人類自身發展的需求。

高校培養學生核心素養的終極目標是培養全面發展的人才。科學的核心素養涵蓋了科學思維和科學態度，這些是無法像知識那樣直接“教”給學生，需要學生自己理解和感悟，需要教師的認知和引導。因此本教師團隊通過結合詩詞和音樂的生物實驗課的教學改革與實踐，使學生逐步領會科學的本質，樂于探究，熱愛科學;也使學生學會用科學的思維方式分析實驗結果;同時也啟發學生感受和體驗藝術的美，通過自己創作，真正提升了學生的科學素養。所以，本教師團隊希望將這一科學的高校實驗教學方法推廣，讓更多的學科采用，啟發更多的學生。

參考文獻

[1]項小燕，吳甘霖，張中信.淺析古詩詞在生物學教學中的妙用[J].生物學雜志，2018（06）：127-129.

[2]Moyes RB. Reynolds J. Breakwell DP. Differential staining of bacteria： gram stain[J].Current protocols in microbiology， 2009，（1）：Appendix 3C1-3C8.

[3]馬向東，馬立新，薛征峰.周俊初.一種鑒定α-淀粉酶活性及其產生菌的新方法[J].華中農業大學學報，2000（5）：456-460.

[4]錢存柔，黃儀秀.微生物學實驗教程[M].北京：北京大學出版社，2008：114-116.

Teaching Reform and Practice of STEAM Education in Biology Experiment Course

in Colleges and Universities

YU Chun-hong1，2， MA Xiao-ying1，2， SHENG Yue1，2， L？譈 Mo1，2

（1.Department of Biology， Southern University of Science and Technology，Shenzhen， Guangdong 518055， China;2.Life Science Experimental Teaching Demonstration Center，? Shenzhen， Guangdong 518055， China）

Abstract：STEAM education is a kind of comprehensive education model of interdisciplinary integration. From different angles， this project integrates STEAM education concept into the design of biological experiment teaching methods， so that students can understand the fusion of art and science and experience the fun of scientific experiments on the basis of understanding biological knowledge. It not only helps to deepen the understanding and grasp relevant biological knowledge， but also improves the artistic quality of the teaching language， activates students' learning thinking， stimulates students' learning interest， and enhances the teaching effect. The reform practice of this teaching? method has been well received by peers and students， and has received good teaching effect， which has really improved students' scientific literacy.

Key words：biology; experimental teaching in colleges and universities; STEAM education