STEAM理念下高中生物實驗課堂教學與反思

STEAM教育是由STEM演變而來的，是科學（Science）、技術（Technology）、工程（Engineering）、藝術（Arts）和數學（Mathematics）這五門學科英文字母的縮寫，是一種跨學科整合的教育模式。北京師范大學教育技術學院院長余勝泉等認為，STEAM 課程具有跨學科、趣味性、體驗性、情境性、協作性、設計性、藝術性、實證性和技術增強性等特點。這種教育模式，可以加強學科間的相互配合，讓學生在綜合的環境中學習，在項目探究活動中，應用多學科的知識分析問題、解決問題。

本文以人教版高中生物選修一“土壤中分解尿素的細菌的分離與計數”為例，嘗試運用STEAM理念，開展項目式探究，以提高學生的科學實踐、創新思維、社會責任等核心素養。本文將按時間順序分步介紹不同探究階段的項目活動和探究過程。

一、前期項目探究

1.教材實驗過程介紹

本次實驗的基本步驟為：土壤取樣→制備培養基→樣品的稀釋→取樣涂布→培養與觀察。

2.前期項目開展

筆者先帶領生物社團的學生，按教材內容開展前期探究。由于開始沒進行預實驗，選取的稀釋濃度按教材提供的104、105、106，實驗結果并沒有達到預期效果，以尿素為唯一氮源的選擇培養基上生長的菌落數量很少。

3.前期結果分析

興趣小組查閱了相關資料，討論分析后得出失敗的原因可能有：小花園中分解尿素的微生物比較少，而且稀釋濃度太高;土壤樣液沒有充分振蕩，導致微生物濃度較低。

二、中期項目探究

此次項目內容做了調整，分解為3個具體任務：①探究菜園（經常施加農家肥）的土壤中尿素分解菌的濃度;②探究分離尿素分解菌的最適稀釋度。③探究不同溫度下分解尿素的細菌的生長狀況。本次分了2個小組分別進行探究。

1.實驗步驟的初步改進

在土壤稀釋時土壤樣液用振蕩器充分振蕩30分鐘后再進行分步稀釋，并且本次稀釋度調整為102、103、104、105、106、107，增加稀釋度的范圍。

2.土樣選取區域和培養溫度的改變

小組討論決定從經常施用農家肥的菜園取土樣。增設了室溫（26℃左右）和恒溫（35℃）做對照。從結果分析，花園土樣中分解尿素的細菌數量比校園中的多，且適宜稀釋度應在102、103、104。

經過小組分析討論、實驗改進和合作探究，微生物數量顯著提高，項目學習初步取得成功。

三、后期項目探究與匯報

后期項目中全班分成8個項目小組，分別進行實驗探究，最后以匯報的形式在班級展示。

1.課堂教學導入

以教材問題探討帶入課堂，讓同學們了解分離分解尿素的細菌的實驗重要性和必要性，引起學生的探究欲望。

2.確定課題設計思路

展示資料：“黃石公園的熱泉中分離出Taq細菌，從而得到耐高溫的DNA聚合酶”“勝利油田被石油污染的土壤中分離出能降解柴油的酵母菌”，引導學生總結得出篩選分離菌株應該從其相適應的環境中去尋找。

3.計數方法的探究

對平板劃線法和稀釋涂布平板法做比較，分析兩者的異同，確定對活菌的計數要用稀釋涂布平板法。此外，為了遵循實驗的可重復性原則，防止偶然因素的干擾，每個稀釋度至少涂3個平板。

4.小組匯報分析

各小組對實驗過程和注意事項進行了分析、反思后，最終以視頻和圖片等形式進行匯報。

①土壤取樣：取樣同學視頻演示了取土過程，并強調指出，取樣的工具（鏟子和信封）需要滅菌，且要從潮濕的距地表3—8cm處，不同區域取樣實驗結果會有差別。如菜園土樣中稀釋度為102分別計數為241、223、229;花園土樣則為103、88、92

②制備培養基：基本步驟為計算→稱量→熔化→滅菌→倒平板。學生特別強點了牛肉膏的稱取方法，錄制播放了操作視頻，生動地演示了操作過程中的窘態和無奈。此外，倒平板時溫度不能太低，否則培養基會凝固，還有培養基不能太多也不能太少。學生視頻演示了倒平板的規范操作，強調在火焰旁操作，并且要注意培養皿打開一條縫隙而不要完全打開。

③樣品的稀釋：學生視頻演示操作過程，強調稱量土壤需在酒精燈旁，稀釋前樣液需要充分震蕩，試管要做好標記，移液槍的槍頭要滅菌，由于從高濃度到低濃度稀釋，需要換槍頭。

④取樣涂布：學生視頻演示規范的操作過程，本次可以從低濃度向高濃度取樣，不必換槍頭。同學們反思了操作時的錯誤步驟，⑤微生物的培養觀察與計數：小組討論決定實驗設置兩個溫度，分別是室溫和恒溫（35℃），每隔培養24小時觀察一次，室溫下的繼續培養3—5天，觀察霉菌的生長情況。待菌落數目穩定后，計數并做好記錄。

記錄數據時，我們發現有的實驗組數據差距很大，比如：104實驗組的數據是：83、77、301，還有的組發現，選擇培養基中細菌的數目比牛肉膏蛋白胨的大，可能是哪些原因造成的？實驗數據應該如何處理呢？學生們在記錄和處理數據時發現實驗成果的來之不易，從而提升了學生對生命科學的認知和科學探索的精神。

5.小組發問討論

經過實踐活動和小組的匯報分析，學生對實驗的操作過程和方法已熟練掌握，關于本課題還有哪些疑惑呢？下一個環節就是學生發問，互相討論，最后總結歸納得出結論。

最后老師引導學生查閱資料，搜索到了自己感興趣的方向，繼續關注和實踐探究。

四、反思和展望

本實驗運用STEAM理念和方法，以項目設計為主題，以學生實踐為中心，以小組分工合作為學習形式，將科學實驗、行為和語言、數學、視覺、聽覺進行融合，比傳統生物教學更能激發學生對生物科學的學習興趣。學生在科學探究的過程中，不斷地發現問題、解決問題、再發現問題、再解決問題，逐步提升了實踐能力、創新思維、合作探究等生物學科素養。在學習成果的分享展示環節中也可以讓學生有被肯定的滿足感和成就感。

STEAM教育是科技發展的需求。當下，生物實驗課堂教學的主要問題是實驗室條件不足和實驗時間的限制。相信只要我們不斷地探究、實踐和總結，在不久的將來一定會完善出一套適合中國教育國情的STEAM教育體系，培養出更多的新時代發展所需要的綜合性人才。

天津市武清區楊村第三中學 呂紅梅