基于STEAM 理念的中學(xué)生物學(xué)實驗選修課程設(shè)計
——以“瓶中蘭花”為例

朱星蒙 薛慶云 劉 薇 丁小余 牛志韜

(江蘇省南京師范大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院 江蘇南京 210024)

STEAM 教育理念最早是美國政府提出的教育倡議,由科學(xué)(Science), 技術(shù)(Technology), 工程(Engineering),藝術(shù)(Arts),數(shù)學(xué)(Mathematics)五門學(xué)科英文首字母的縮寫組成。 STEAM 教育就是集科學(xué)、技術(shù)、工程、藝術(shù)、數(shù)學(xué)多學(xué)科融合的綜合教育。STEAM 教育理念追求加強對學(xué)生多方位能力的培養(yǎng):①對多學(xué)科科學(xué)知識的理解與應(yīng)用能力;②使用、評價、管理技術(shù)的能力;③對技術(shù)工程設(shè)計與開發(fā)的能力;④審美觀念、鑒賞能力和創(chuàng)作能力的培養(yǎng);⑤發(fā)現(xiàn)、解釋、解決多種情境下的數(shù)學(xué)問題的能力。

《普通高中生物學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)(2017 年版2020 年修訂)》提出了“教學(xué)過程重實踐”的基本理念,高度關(guān)注學(xué)生學(xué)習(xí)過程中的實踐經(jīng)歷,強調(diào)學(xué)生學(xué)習(xí)的過程是主動參與的過程,鼓勵讓學(xué)生積極參與動手和動腦的活動,通過參與探究性學(xué)習(xí)活動或完成工程學(xué)任務(wù),加深對生物學(xué)概念的理解,提升應(yīng)用知識的能力,培養(yǎng)創(chuàng)新精神,進而能用科學(xué)的觀點、知識、思路和方法,探討或解決現(xiàn)實生活中的某些問題。 “瓶中花卉”是基于組織培養(yǎng)技術(shù),通過將植物外植體移栽進玻璃瓶,以用于觀賞的工藝品。 石斛是蘭科石斛屬植物,具有極高的藥用和審美價值。 本文以石斛為例,從“教學(xué)過程重實踐”的基本理念出發(fā),重視培養(yǎng)學(xué)生的動手實踐能力與實際運用能力,融合STEAM 教育理念,指導(dǎo)設(shè)計“瓶中蘭花”的中學(xué)生物學(xué)實驗選修課程。

1 課程設(shè)計

1.1 課程簡介

本節(jié)課程以人教版高中生物學(xué)《選擇性必修3·生物技術(shù)與工程》為載體,以第二章第一節(jié)“植物細(xì)胞工程”為例,對STEAM 教育理念在中學(xué)生物學(xué)實驗選修課程的應(yīng)用進行探索。 課程設(shè)計中涵蓋了基礎(chǔ)生物學(xué)知識和具體實踐操作訓(xùn)練,將多個學(xué)科的相關(guān)知識相互融合,來培養(yǎng)學(xué)生的知識技能與實踐技能。“瓶中蘭花”是以細(xì)胞的全能性為核心,植物組織培養(yǎng)技術(shù)與無菌技術(shù)為支撐,在玻璃瓶中培養(yǎng)石斛外植體的一種工藝品。 學(xué)生可以根據(jù)不同需求,選擇石斛材料,通過小組合作,將所學(xué)的植物組織培養(yǎng)相關(guān)知識運用到實際工程設(shè)計中,提高合作能力與創(chuàng)新能力。本課程是系統(tǒng)和長效的實驗項目,教師需要活用導(dǎo)向意識,不斷調(diào)整教學(xué)活動,讓教學(xué)充實有序。

1.2 學(xué)習(xí)者與目標(biāo)分析

高中學(xué)生從整體上對植物組織培養(yǎng)知識和實驗操作要點有一定了解,在如何進行取材、培養(yǎng)基的配置、無菌的控制等方面具備基本認(rèn)知,并且具備使用數(shù)學(xué)工具對實驗結(jié)果進行進一步分析的能力。 但是高中學(xué)生對植物激素的具體應(yīng)用、培養(yǎng)基的具體成分等了解不深,并且缺乏獨立設(shè)計與優(yōu)化實驗的能力,所以本課程需在老師的引導(dǎo)下完成。

本課程相較于其他細(xì)胞工程技術(shù),對實驗設(shè)備的要求不高,操作較為簡單,可操作性強,可以使學(xué)生親身體會植物組培的樂趣,激發(fā)學(xué)生對細(xì)胞工程深入探索的熱情。 本課程有機地將實踐活動與理論教學(xué)結(jié)合起來,促進學(xué)以致用,提高教學(xué)效率。 本課程以整合多學(xué)科知識為核心,涉及如下課程目標(biāo)(表1)。

表1 課程目標(biāo)

1.3 課程框架與內(nèi)容

本課程實驗分為三個環(huán)節(jié):一是初代培養(yǎng)階段,選擇外植體材料脫分化形成愈傷組織;二是繼代培養(yǎng)階段,愈傷組織再增殖分化;三是移栽進玻璃瓶中進一步培養(yǎng)。 本實驗流程較多、耗時較長,教師可以有目的地引入或創(chuàng)設(shè)生動具體的情境或提出具有導(dǎo)向性的問題,以引起學(xué)生的態(tài)度體驗,從而幫助學(xué)生理解新知識,使其心理機能得到發(fā)展。

1.3.1 創(chuàng)設(shè)情景,提出問題

STEAM 教育理念聚焦真實情景中的必要問題,通過項目式的教學(xué)方法,引導(dǎo)學(xué)生從問題出發(fā),以結(jié)果為導(dǎo)向,培養(yǎng)學(xué)生解決問題的能力。 利用層層深入的問題鏈設(shè)計(表2)和具有互動性、開放性的情境設(shè)計,讓學(xué)生在解決問題的過程中培育創(chuàng)新思維和科學(xué)探究能力。

表2 問題鏈設(shè)計與情境選擇

1.3.2 學(xué)習(xí)活動設(shè)計

“瓶中蘭花”實驗教學(xué)包括對植物組織培養(yǎng)技術(shù)的探索;設(shè)計實驗探究外界條件(光照和溫度)、培養(yǎng)基配比、植物生長調(diào)節(jié)劑對植物材料生長的影響;利用數(shù)學(xué)方法確定植株在玻璃瓶中生長的最適條件等一系列活動。 根據(jù)STEAM 教育理念,教師要著重培養(yǎng)學(xué)生的實驗探究能力與結(jié)果分析能力。 在實驗前,教師可以播放有關(guān)植物組織培養(yǎng)技術(shù)的視頻或者帶領(lǐng)學(xué)生參觀植物組培實驗室,實地體驗基因工程技術(shù)的應(yīng)用,認(rèn)同現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的價值。 臨近實驗開展前,教師需要確定哪些工作由教師或者學(xué)生分組提前完成,如實驗器材的滅菌、培養(yǎng)基的配制、石斛種苗的提供等。 具體實驗過程中,教師需要使用問題串啟發(fā)學(xué)生進行實驗探索與優(yōu)化,帶領(lǐng)學(xué)生梳理項目任務(wù),不斷細(xì)化實驗內(nèi)容,培養(yǎng)學(xué)生嚴(yán)謹(jǐn)、認(rèn)真的科學(xué)探究態(tài)度。

將外植體移栽進玻璃瓶后,各小組可以利用廢棄材料在玻璃瓶中造景,通過植物的生長、變化與造景材料相結(jié)合,達(dá)到營造氛圍、增強空間感受等目的。在對產(chǎn)品進行美化的過程中,學(xué)生可以發(fā)揮想象力和創(chuàng)造潛能,喚醒藝術(shù)素養(yǎng)。

2 成果展示及實驗設(shè)計

在本課程實驗中,自變量包括不同比例的植物激素、光照強度、溫度、培養(yǎng)時間以及培養(yǎng)基,自變量不同導(dǎo)致實驗結(jié)果各有差異,可以利用數(shù)學(xué)模型處理數(shù)據(jù),以直觀的形式呈現(xiàn)實驗結(jié)果。

2.1 外植體材料的不同選擇

利用基因工程中的無性繁殖可以使石斛快速繁殖。因此,采用的外植體主要是細(xì)胞全能性較高的胚芽、種皮、植株剛生長起來的莖段、葉片以及未分化的根等部分。 查閱文獻(xiàn)可知,經(jīng)過誘導(dǎo)培養(yǎng)后,以莖段為外植體材料的誘導(dǎo)成功率較高,葉片成功率較低。 與用種子播種相比,以莖段為外植體培養(yǎng)可以大大縮短組培時間。

2.2 不同基礎(chǔ)培養(yǎng)基對石斛增殖分化階段的影響

大量研究發(fā)現(xiàn)培養(yǎng)基中的無機鹽種類和濃度會對石斛的生長和代謝產(chǎn)生不同程度的影響,特別是培養(yǎng)基中的氮素種類和濃度配比不同對細(xì)胞生長有不同作用。 N6 和B5 培養(yǎng)基中的氮素形態(tài)與含量各有不同,可以選擇1/2 N6、N6 和B5 等培養(yǎng)基來研究不同基礎(chǔ)培養(yǎng)基對石斛增殖分化階段的影響。 其中,不同石斛材料的最適培養(yǎng)基可能不同。

2.3 培養(yǎng)基中不同激素對石斛增殖分化的影響

目前,已成功應(yīng)用于石斛增殖與分化的激素有BA、KT、2,4-D、NAA、IAA、IBA 和GA 等。 在石斛增殖分化和多糖合成的過程中,培養(yǎng)基內(nèi)激素的種類和濃度配比會在不同程度上影響細(xì)胞的分裂生長。 植物生長調(diào)節(jié)劑NAA 是一種生長素,其與細(xì)胞分裂素6-BA 共同作用,在合適的濃度下,可以縮短組培周期,對植株的生長增殖有重要作用。

可以選取2.2 實驗中發(fā)現(xiàn)的最適培養(yǎng)基為基礎(chǔ)培養(yǎng)基,添加不同濃度的6-BA(1 mg/L、2 mg/L、4 mg/L)及NAA(0 mg/L、0.5 mg/L、1 mg/L)進行實驗,探究不同激素組合對石斛增殖分化的影響。

2.4 將植株移栽繼續(xù)培養(yǎng)

除了不同的培養(yǎng)基、激素等,溫度、光照強度、光照時間和培養(yǎng)基pH 等對石斛增殖分化也有很大影響。

將增殖分化后的石斛移栽進試管中繼續(xù)培養(yǎng)(圖1),實驗可以分別以光照強度[0(黑暗)、500、1 000、2 000、3 000、4 000 lx]、溫度(15、20、25、30、35 ℃)、光照時間(2、6、10、14、18 h)為優(yōu)化條件,記錄不同條件下植株的生長狀況(生長高度、有無倒伏、黃化現(xiàn)象),確定植株在玻璃瓶中生長的最適條件。

圖1 移栽后的試管蘭花

3 方案優(yōu)化與改進

“瓶中蘭花”實驗中大部分為學(xué)生自主探索項目,由于高中學(xué)生實驗經(jīng)驗有限、操作能力不足,遇到各類突發(fā)情況時,教師需要做好記錄和反思,不斷調(diào)整實驗方案,對實驗成果進行改進及再嘗試。 每次實驗結(jié)束后,學(xué)生要利用數(shù)學(xué)工具對實驗結(jié)果進行分析處理,繪制折線圖、柱形圖等,并且分組書寫實驗報告,詳細(xì)梳理整個實驗流程,內(nèi)容包括每個情境下具體的實驗步驟,詳細(xì)寫出實驗中的收獲和體會,記錄小組的創(chuàng)新點。 通過整理實驗報告,學(xué)生可將零碎的知識點串聯(lián)并構(gòu)建自己的知識體系,也能發(fā)現(xiàn)實驗中的不足之處,并在之后查閱文獻(xiàn)調(diào)整實驗條件,優(yōu)化組培流程。

STEAM 教育理念下的生物學(xué)實驗教學(xué)不以實驗結(jié)果為結(jié)點,而是關(guān)注培養(yǎng)學(xué)生的發(fā)散思維。 教師可以變換教學(xué)情境,提出課后新問題供學(xué)生思考與創(chuàng)新,鼓勵學(xué)生更深入地進行探究實驗,使他們在實際應(yīng)用中遷移、發(fā)展所學(xué)知識并提高探索能力。

4 結(jié)語

植物組織培養(yǎng)對技術(shù)要求較高,教師需要提前查閱文獻(xiàn),做好預(yù)實驗。 在實驗過程中,依照STEAM 教育理念,注重對學(xué)生主觀能動性的培養(yǎng),鍛煉其探索精神和研究精神。 教師要做好“引導(dǎo)者”的角色,在撰寫優(yōu)化方案的過程中,大膽放手讓學(xué)生自主設(shè)計,讓他們深切體會到實驗優(yōu)化設(shè)計的艱辛,養(yǎng)成對實驗方案失敗的平常心。

本實驗僅提供制作“瓶中蘭花”的基本流程,其中有關(guān)石斛品種的選取、培養(yǎng)基和激素的選擇、培養(yǎng)條件的設(shè)定,以及不同營養(yǎng)物的添加等環(huán)節(jié),都有許多學(xué)生自主發(fā)揮的空間。 教師可以根據(jù)所在地區(qū)、學(xué)校的設(shè)備條件,設(shè)計特色的實驗方案。 最為重要的是,教師應(yīng)該充分應(yīng)用STEAM“動手實踐”的教育理念,積極合理地引導(dǎo)學(xué)生主動參與,構(gòu)建STEAM 教育環(huán)境。