基于STEAM教育理念的教學設計

張美杰 趙艷紅

摘 要：隨著科學技術的快速發(fā)展，人們迎來了人工智能時代。在這個科技日新月異的大環(huán)境下，只有在學習階段注重綜合能力的培養(yǎng)，才能更好地適應當今社會的發(fā)展。STEAM教育就是在這種環(huán)境下誕生的。STEAM教育是集科學、技術、工程、藝術和數學于一體的多學科交叉的綜合性教育理念。將STEAM教育理念運用到高中生物學教學過程中，呈現(xiàn)本課程的特色教學方法，為高中生物學教學增光添彩。

關鍵詞：高中生物學;STEAM教育理念;教學設計

一、STEAM教育理念的介紹

STEAM即科學（Science）、技術（Technology）、工程（Engineering）、藝術（Arts）和數學（Mathematics）單詞首字母的縮寫。STEAM教育是培養(yǎng)學生多學科交叉的綜合性教育[1]。2001年，Judith A. Ramaley提出了STEM一詞。隨后，Georgette Yakman將人文藝術加入STEM中，開展STEAM教育培訓認證，從更廣的角度認識不同學科間的聯(lián)系，培養(yǎng)學生的綜合能力[2]。2013年我國出版了《STEM項目學生研究手冊》的譯著[3]。2015年，趙中建團隊翻譯出版了中小學STEM教育叢書《美國STEM教育政策進展》[4]。高云峰等人將STEAM教育與創(chuàng)客教育相融合，在北京中學等多所學校開展教育活動，真正實現(xiàn)培養(yǎng)學生跨學科創(chuàng)新的STEAM素養(yǎng)[5]。2018年，張海銀等出版了從幼兒園到初三年級的12冊《STEAM課例精編》。

隨著科學技術的飛速發(fā)展，人類迎來了人工智能時代。這就要求人們在學習階段進行綜合能力的培養(yǎng)，才能更好地適應當今社會的發(fā)展。而STEAM教育就是在這種環(huán)境下誕生的。近幾年來，伴隨著高考改革，高中生物學對學生的綜合能力要求越來越高。STEAM這種具有多學科交叉特點的綜合性教學理念，適合應用到高中生物學課堂中。如何以STEAM教育理念為指導，開展高中生物學教學活動，需要一個探索的過程。本文在STEAM教育理念下，設計“蛋白質是生命活動的主要承擔者”的生物學教學流程，使STEAM教育理念在高中生物學教學中發(fā)揮作用。

二、將STEAM教育理念引入高中生物學課堂教學設計

人教版高中生物學必修1第二章第四節(jié)“蛋白質是生命活動的主要承擔者”主要講解了蛋白質的功能、基本組成單位、結構及其多樣性。按照STEAM教育理念設計，S（科學）來源于蛋白質的相關知識，T（技術）體現(xiàn)在信息的搜索和運用，E（工程）表現(xiàn)在模型制作，在制作過程中如何設計出外觀精美的模型體現(xiàn)了A（藝術），如何計算出肽鏈形成過程中失掉的水分子數等則體現(xiàn)了M（數學）。

1.創(chuàng)設情境，激趣引思

有的媽媽生寶寶做剖宮產手術時，要先把皮膚、子宮肌層等割開后縫合。在拆藥線時，肚皮上的藥線可直接拆去，子宮上邊的藥線如何處理呢？學生討論后，教師解釋子宮不用拆藥線，因為用的是膠原蛋白縫合線。該線是用獺貍肌腱做成的，抗拉性強，有完全吸收等特點。那么這種線為什么可被吸收？被吸收時發(fā)生了什么變化？帶著這些問題來學習今天的課程，使學生從感性上認識蛋白質對人類生活的重要性。

2.講述功能，據理導思

引導學生閱讀課本，各小組以表格的形式總結出蛋白質的功能與實例。分組討論蛋白質功能多樣性和結構多樣性的關系。人的胰島細胞和淋巴細胞的主要成分都是蛋白質，但這兩種細胞的功能卻完全不同，原因是什么？從而起到知識與實際相聯(lián)系的目的。

3.深入細節(jié)，科學探微

攝入的蛋白質能直接被吸收嗎？引出蛋白質和氨基酸的關系。氨基酸具有什么樣的結構特點？如何去判斷是不是氨基酸？讓學生觀察課件中氨基酸分子的結構式，分組討論其結構通式。教師對該通式進行難點講解：首先，核心碳元素可用甲烷的模型來展示;其次，氨基用氨氣來解釋，羧基用羧酸來解釋;最后，把人形象地比喻成氨基酸的結構通式，把左手、右手、雙腿、軀干和頭分別比作氨基酸的氨基、羧基、H原子、中心C原子和R基，而21種氨基酸的不同之處就在于這個“R”基的不同。

4.總結規(guī)律，尋思究理

氨基酸通過什么機理構成蛋白質？課件展示氨基酸的脫水縮合。學生以小組的形式，分別制作彩色卡紙折疊模型，并在全班演示氨基酸脫水縮合形成肽鍵的過程（如下圖）。教師過渡：兩個氨基酸形成二肽，再加一個氨基酸形成三肽……多肽通常呈鏈狀結構。肽鏈通過盤曲、折疊等形成具備空間結構的蛋白質。由于氨基酸排列順序不同、肽鏈盤曲折疊方式不同以及空間結構千變萬化，構成了蛋白質的多樣性。

在講解肽鏈形成時，氨基酸數目與肽鍵個數的關系如何？讓學生分組制作3個、5個和7個氨基酸各自形成一條肽鏈。然后讓學生直觀地數出肽鍵個數。再引導思考，假設上述有3和5、3和7以及5和7個氨基酸的兩條肽鏈分別形成一個蛋白質分子，則其中氨基酸、肽鏈和肽鍵的關系如何？經過小組討論，總結出規(guī)律：肽鍵數=氨基酸數-肽鏈數。在制作彩色卡紙折疊模型和總結肽鍵數計算公式的過程中，讓學生對這些問題理解得更加形象、深刻，而且還獲得了成功的體驗。

三、教學反思

學生在學習本節(jié)課的同時，也接受了一場全面的STEAM教育。S（科學）來源于蛋白質的功能、基本單位、結構及其多樣性，同時也培養(yǎng)了學生的發(fā)散性思維和邏輯性思維。在學習生物學知識的同時，自然地融入了技術手段、工程原理和數學知識。T（技術）體現(xiàn)在信息的搜索和運用，E（工程）表現(xiàn)在氨基酸脫水縮合形成蛋白質的建構模型，在制作模型時展現(xiàn)了A（藝術），塑造了學生的審美能力。如何計算出肽鏈形成過程中失掉的水分子數、肽鍵數等則體現(xiàn)了M（數學）。本節(jié)課使科學、技術、工程、數學和藝術有機地結合起來，強調了學科之間的融合和知識的應用，培養(yǎng)了學生的綜合性能力。通過本節(jié)課的學習，學生的生物學核心素養(yǎng)也得到了很好的培養(yǎng)。本節(jié)課著重體現(xiàn)結構與功能觀的生命觀念。訓練學生的模型建構、科學推理等科學思維。在探究活動中著重培養(yǎng)學生的實踐、創(chuàng)新能力，增加動手實踐的活動。社會責任集中在科學精神和科學價值觀等方面重點體現(xiàn)，培養(yǎng)學生學科學、用科學的能力。

STEAM教育理念的運用對教師的要求相對較高，教師將此理念應用到生物學教學過程中，需要提前熟練掌握相關的知識，并且對數學、化學、工程等學科內容能夠靈活運用。教師在進行STEAM教育時，教學資源的選擇要考慮周到，對所有的教學環(huán)節(jié)需要提前構思好，才能取得更好的教學成效。

參考文獻：

[1]Sochacka NW， Guyotte KW， Walther J. Learning together： acollaborative autoethnographic exploration of STEAM （STEM+the Arts） education [J]. Journal of Engineering Education， 2016， 105（1）：15-42.

[2]趙慧臣，陸曉婷.開展STEAM教育，提高學生創(chuàng)新能力：訪美國STEAM教育知名學者格雷特·亞克門教授[J].開放教育研究，2016，22（5）：4-10.

[3]郝瑞輝.STEM項目學生研究手冊[J].中國科技教育，2016（5）：13-15.

[4]趙中建.美國STEM教育政策進展[M].上海：上海科技教育出版社，2015.

[5]高云峰，師保國.跨學科創(chuàng)新視角下創(chuàng)客教育與STEAM教育的融合[J].華東師范大學學報，2017（4）：47-53，135.

注：本文系2018年河北省教育科學“十三五”規(guī)劃一般資助課題“基于STEAM理念的高中生物教學中核心素養(yǎng)培養(yǎng)途徑及提升對策的研究”（No.1803032）的研究成果。

第一作者及通訊作者簡介：張美杰（1984—），女，中學一級教師，博士學位。