基于STEAM教育理念的高中生物教學(xué)實踐研究

作者簡介：張引桂（1983一），女，甘肅省定西市臨洮縣文峰中學(xué)。

傳統(tǒng)的高中生物教學(xué)側(cè)重于知識傳授，忽略了學(xué)科之間的內(nèi)在關(guān)聯(lián)以及知識的實踐應(yīng)用，導(dǎo)致學(xué)生難以構(gòu)建完整的知識體系，無法領(lǐng)會生物學(xué)的實踐價值。STEAM教育以整合性、實踐性、創(chuàng)新性為核心特征，強調(diào)借助跨學(xué)科項目解決真實問題，這與課程標(biāo)準(zhǔn)中生物學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)培養(yǎng)要求相契合。將STEAM理念融入生物教學(xué)，有利于打破學(xué)科壁壘，使學(xué)生在剖析真實問題的過程中理解生物知識的應(yīng)用價值，培養(yǎng)科學(xué)思維與創(chuàng)新能力，由此提升生物教學(xué)質(zhì)量。

一、設(shè)計跨學(xué)科項目，構(gòu)建知識整合網(wǎng)絡(luò)

STEAM教育的關(guān)鍵在于打破學(xué)科界限，借助項目驅(qū)動實現(xiàn)知識的整合運用。因此，在高中生物教學(xué)中，跨學(xué)科項目設(shè)計要以生物學(xué)核心概念為基礎(chǔ)，將工程、數(shù)學(xué)、藝術(shù)等學(xué)科知識連接起來，使學(xué)生在解決復(fù)雜問題的過程中構(gòu)建知識網(wǎng)絡(luò)。

以“校園生態(tài)池塘構(gòu)建”項目為例。教師可引導(dǎo)學(xué)生從生物學(xué)角度剖析池塘生態(tài)系統(tǒng)的構(gòu)成要素，如水生植物為生產(chǎn)者、魚類為消費者、微生物為分解者，并明確它們各自的角色及其關(guān)聯(lián)。在工程設(shè)計環(huán)節(jié)，學(xué)生需要測量池塘的面積、深度，運用數(shù)學(xué)知識計算水體的體積及植物種植密度，同時還要思考水循環(huán)系統(tǒng)的功率匹配問題，這涉及物理學(xué)中的流體力學(xué)原理[1]。在藝術(shù)設(shè)計環(huán)節(jié)，學(xué)生需要對水生植物的布局進行規(guī)劃，如荷花、睡蓮的層次搭配，以及卵石池岸的造型設(shè)計，從而讓生態(tài)池塘具有功能性和觀賞性。

在項目開展過程中，學(xué)生分組完成生態(tài)池塘構(gòu)建工作。其中，一組承擔(dān)采集本地水生植物的任務(wù)，檢測植物凈化水質(zhì)的能力，如測定不同植物種類情況下的水體透明度、氨氮含量等生物學(xué)指標(biāo)，以此優(yōu)化植物組合。二組運用3D建模軟件設(shè)計池塘過濾系統(tǒng)，需考慮過濾材料的孔徑大小與水流速度之間的關(guān)系，這需要運用數(shù)學(xué)的比例計算和工程學(xué)的結(jié)構(gòu)設(shè)計知識。三組負(fù)責(zé)池塘周邊景觀設(shè)計，將廢棄輪胎改造成花盆種植岸邊植物，體現(xiàn)環(huán)保理念和藝術(shù)創(chuàng)意。項目結(jié)束后，學(xué)生應(yīng)持續(xù)監(jiān)測池塘生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性，如每周記錄魚類存活數(shù)量、植物生長狀況，并用數(shù)學(xué)圖表展示數(shù)據(jù)變化趨勢，以分析生態(tài)系統(tǒng)中生物因素與非生物因素的相互作用。

二、創(chuàng)設(shè)真實問題情境，驅(qū)動探究式學(xué)習(xí)

STEAM教育強調(diào)在真實情境中解決問題，所以借助情境創(chuàng)設(shè)激發(fā)學(xué)生的探究興趣尤為重要。在高中生物教學(xué)中，真實問題情境創(chuàng)設(shè)要與生活實際或社會熱點相結(jié)合，如環(huán)境污染治理、遺傳病預(yù)防、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)優(yōu)化等，使學(xué)生體會到生物知識的現(xiàn)實意義。同時，以情境驅(qū)動的探究式學(xué)習(xí)遵循“觀察現(xiàn)象一提出問題一做出假設(shè)一設(shè)計實驗一分析數(shù)據(jù)—得出結(jié)論”的科學(xué)探究流程，融入技術(shù)工具的使用及工程思維的應(yīng)用，有助于學(xué)生在解決問題的過程中發(fā)展科學(xué)思維與創(chuàng)新能力[2]

例如，在“城市垃圾分類中的生物降解方案”情境教學(xué)案例中，任課教師引導(dǎo)學(xué)生關(guān)注生活中的垃圾處理問題，并思考如何借助生物知識提升有機垃圾的降解效率。一開始，學(xué)生通過社會調(diào)查了解本地垃圾分類的實際狀況，發(fā)現(xiàn)廚余垃圾在整體垃圾中所占比例達(dá)到 40% ，然而傳統(tǒng)堆肥處理方式卻存在周期漫長、產(chǎn)生較大異味等問題?；诖?，師生共同提煉出核心問題一如何優(yōu)化廚余垃圾的生物降解過程？

在探究活動中，學(xué)生分成不同小組進行實驗設(shè)計。其中，一組基于微生物學(xué)相關(guān)知識，前往公園綠地、菜市場附近等不同環(huán)境采集土壤樣本，旨在分離并篩選出可高效降解有機物的微生物菌株。他們采用平板劃線法和稀釋涂布法進行菌種的純化操作，并運用數(shù)學(xué)方法統(tǒng)計不同菌株的菌落形成單位，比較其降解效率。二組運用工程學(xué)原理設(shè)計小型堆肥裝置，考慮通氣量、濕度、溫度等因素對微生物活動的影響，將廢棄塑料桶改造為堆肥箱，加裝透氣孔和濕度傳感器，以優(yōu)化堆肥環(huán)境。三組負(fù)責(zé)對堆肥裝置的外觀進行藝術(shù)化改良，采用環(huán)保涂料繪制垃圾分類宣傳圖，同時設(shè)計制作簡易的使用說明卡片，方便社區(qū)居民理解操作方法。

實驗數(shù)據(jù)表明，經(jīng)篩選得到的高效菌株能將廚余垃圾的降解周期從傳統(tǒng)方法的21天縮短至10天，同時異味也明顯減少。學(xué)生將優(yōu)化后的堆肥方案整理成報告，向社區(qū)居委會匯報。有學(xué)生在實驗中得出感悟：“堆肥箱的通氣孔設(shè)計十分關(guān)鍵，孔過小會導(dǎo)致微生物缺氧，過大又會造成水分流失，這要求我們精確計算孔的數(shù)量和大小。原來生物實驗也需要融入工程思維?！痹谠摪咐校瑢W(xué)生通過解決實際問題，不僅掌握了微生物培養(yǎng)、實驗設(shè)計等生物知識，還發(fā)展了工程設(shè)計、數(shù)據(jù)處理等跨學(xué)科能力。

三、融入工程思維，優(yōu)化生物實驗教學(xué)

工程思維強調(diào)“設(shè)計一制作一測試一改進”的迭代過程。將這種思維融入生物實驗教學(xué)，有助于改變傳統(tǒng)實驗中學(xué)生僅按步驟操作和記錄數(shù)據(jù)的機械模式，使學(xué)生站在工程師的角度思考實驗設(shè)計是否合理、是否存在優(yōu)化空間。在生物實驗中，工程思維的應(yīng)用還體現(xiàn)在實驗裝置改良、實驗流程優(yōu)化、誤差來源分析等方面[3]。依托工程化改進提升實驗的科學(xué)性與嚴(yán)謹(jǐn)性，能夠培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新思維與實踐能力。

以“植物細(xì)胞吸水和失水”實驗為例。在傳統(tǒng)教學(xué)中，教師大多選用洋蔥鱗片葉外表皮作為材料，利用質(zhì)壁分離現(xiàn)象探究滲透作用。而融入工程思維后，教師可引導(dǎo)學(xué)生思考：如何設(shè)計一個可重復(fù)使用又方便觀察的實驗裝置，定量研究不同濃度溶液對細(xì)胞失水的影響？在此基礎(chǔ)上，教師可將學(xué)生分組，開展裝置改良設(shè)計工作。一組負(fù)責(zé)利用3D打印技術(shù)制作透明載玻片支架，用于放置洋蔥表皮細(xì)胞于不同濃度的蔗糖溶液中。學(xué)生在制作過程中要考慮材料透光性、溶液密封性等工程問題，如選用食品級樹脂材料打印支架，以避免化學(xué)物質(zhì)對細(xì)胞產(chǎn)生干擾。二組負(fù)責(zé)改進溶液配制方法，運用數(shù)學(xué)中的比例計算，配制 0.2g/mL 、 0.3g/mL 、 0.4g/mL 等不同濃度的蔗糖溶液，同時使用 pH 計準(zhǔn)確測量溶液酸堿性，減少人為誤差。三組負(fù)責(zé)設(shè)計數(shù)據(jù)記錄表格，對細(xì)胞變化、溶液濃度、觀察時間等數(shù)據(jù)進行量化處理，并使用Exce1軟件繪制折線圖，直觀呈現(xiàn)細(xì)胞失水與溶液濃度之間的關(guān)系。在項目實踐中，有學(xué)生發(fā)現(xiàn)3D打印的支架雖然透光性好，但溶液容易揮發(fā)，導(dǎo)致濃度發(fā)生變化，便在支架上增添微型保濕蓋。這項改進工作體現(xiàn)出工程思維中的“測試一優(yōu)化”環(huán)節(jié)。

四、結(jié)合技術(shù)工具，提升數(shù)據(jù)處理與分析能力

STEAM教育中的技術(shù)要素側(cè)重于工具的創(chuàng)新運用。在高中生物教學(xué)中，引入數(shù)字化技術(shù)工具能提高學(xué)生的數(shù)據(jù)采集、處理、分析能力。常見的技術(shù)工具包括傳感器、數(shù)據(jù)采集軟件、數(shù)據(jù)分析工具等。例如，在“探究酵母菌細(xì)胞呼吸方式”實驗中，借助二氧化碳傳感器實時監(jiān)測不同條件下的氣體產(chǎn)生量，運用數(shù)據(jù)可視化技術(shù)呈現(xiàn)呼吸速率變化，能讓學(xué)生直觀理解細(xì)胞呼吸原理，掌握技術(shù)工具的使用方法[4]

以“校園植物光合作用效率研究”項目為例。教師可以引導(dǎo)學(xué)生運用傳感器技術(shù)探究不同環(huán)境因素對植物光合作用的影響，要求學(xué)生分組，選取校園中不同植物（如樟樹、月季、綠蘿等），在不同時間、不同地點（如陽光直射區(qū)域、樹蔭下、教學(xué)樓背陰處）展開數(shù)據(jù)采集工作。在實踐中，有一組學(xué)生使用便攜式光合儀測量植物的凈光合速率。該儀器可實時顯示二氧化碳吸收量、光照強度、溫度等參數(shù)。他們在測量時發(fā)現(xiàn)，在中午陽光直射的情況下，樟樹的光合速率下降。查閱資料后，他們意識到這是所謂的“光合午休”現(xiàn)象，即高溫導(dǎo)致氣孔關(guān)閉，使二氧化碳吸收量減少。為驗證這一假設(shè)，他們使用濕度傳感器測量葉片表面濕度。數(shù)據(jù)顯示，中午時分葉片濕度降低，為氣孔關(guān)閉的推測提供了證據(jù)支持。此外，有的小組利用Exce1軟件處理數(shù)據(jù)，繪制不同植物在不同時間段的光合速率曲線，對比分析發(fā)現(xiàn)：月季在早晨光合速率最高，而綠蘿在背陰處的光合速率優(yōu)于其他植物。還有的小組編寫Python程序，將光合速率數(shù)據(jù)和氣象數(shù)據(jù)進行相關(guān)性分析，最終得出“在校園環(huán)境中，光照強度對植物光合速率的影響最為顯著”的結(jié)論。

在數(shù)據(jù)可視化環(huán)節(jié)，學(xué)生還可借助Tableau軟件制作交互式圖表，直觀展示不同植物的光合特性，并結(jié)合藝術(shù)學(xué)科設(shè)計校園植物科普海報。技術(shù)工具的應(yīng)用不僅提高了數(shù)據(jù)采集的準(zhǔn)確性與效率，還有利于學(xué)生借助數(shù)據(jù)分析的方式解決生物學(xué)問題，培養(yǎng)科學(xué)探究素養(yǎng)與信息技術(shù)應(yīng)用能力。

五、滲透藝術(shù)元素，增強生物知識的表達(dá)與傳播

STEAM中的藝術(shù)要素不局限于視覺藝術(shù)，還包括創(chuàng)意表達(dá)、審美設(shè)計等多個方面。在高中生物教學(xué)中融入藝術(shù)元素，通過生物模型制作、科學(xué)插畫繪制、科普作品創(chuàng)作等途徑，引導(dǎo)學(xué)生以藝術(shù)化形式呈現(xiàn)生物知識，可提升知識的直觀性與感染力。例如，在制作DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)模型時，引導(dǎo)學(xué)生思考模型的比例協(xié)調(diào)、色彩搭配、材料質(zhì)感，能同時體現(xiàn)生物學(xué)結(jié)構(gòu)的嚴(yán)謹(jǐn)性與藝術(shù)美感；在繪制細(xì)胞結(jié)構(gòu)圖時，融入科學(xué)插畫的表現(xiàn)手法，能使抽象的細(xì)胞結(jié)構(gòu)變得生動形象，從而培養(yǎng)學(xué)生的審美能力與創(chuàng)意表達(dá)能力[5]

以“人體消化系統(tǒng)的創(chuàng)意呈現(xiàn)”項目為例。教師可讓學(xué)生運用藝術(shù)形式表現(xiàn)消化系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與功能，并鼓勵學(xué)生采用多種材料和表現(xiàn)手法，將生物知識與藝術(shù)創(chuàng)意相結(jié)合，創(chuàng)作多樣化作品。例如，第一組學(xué)生融合黏土雕塑與LED燈光技術(shù)，用不同顏色的黏土制作食道、胃、小腸等器官，按解剖位置將這些器官排列在透明展示盒中，并在小腸部位嵌入微型LED燈帶，模擬食物消化時的“腸蠕動”效果。他們在設(shè)計時充分考慮了器官比例的準(zhǔn)確性，如按照 1：100 的比例縮小6米長的小腸；還借助色彩來區(qū)分不同器官的組織特性，如紅色黏土代表胃黏膜，透明黏土表現(xiàn)漿膜層。第二組學(xué)生創(chuàng)作了“消化系統(tǒng)科普漫畫”，將食物擬人化為“旅行小人”，借助四格漫畫展示食物在口腔、胃、小腸中的“冒險經(jīng)歷”，運用生動的對話和夸張的表情生動呈現(xiàn)消化過程。第三組學(xué)生利用廢棄材料制作裝置藝術(shù)，將塑料瓶改造為胃的形態(tài)，在瓶內(nèi)裝入海綿模擬胃壁褶皺，通過擠壓瓶子演示胃蠕動；用彩色毛線編織小腸絨毛結(jié)構(gòu)，懸掛在“小腸”模型中，以展示絨毛增加吸收面積的功能。在作品展示環(huán)節(jié)，學(xué)生在講解消化系統(tǒng)的生物知識的基礎(chǔ)上，還分享了藝術(shù)創(chuàng)作思路，如“為何選擇燈光模擬蠕動”“漫畫色彩如何體現(xiàn)消化液特性”。

該項目借助藝術(shù)創(chuàng)作，促使學(xué)生將抽象的生物知識轉(zhuǎn)化為具象的藝術(shù)作品，能夠強化學(xué)生對消化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與功能的理解，對其創(chuàng)新思維與審美表達(dá)能力的培養(yǎng)具有積極意義。

結(jié)語

將STEAM教育理念應(yīng)用于高中生物教學(xué)，能打破學(xué)科壁壘，為學(xué)生打造整合知識與解決實際問題的實踐平臺。跨學(xué)科項目設(shè)計、真實情境創(chuàng)設(shè)、工程思維滲透等教學(xué)活動，能讓學(xué)生深入理解生物學(xué)核心概念，發(fā)展工程設(shè)計、數(shù)據(jù)處理、藝術(shù)表達(dá)等跨學(xué)科能力。

[參考文獻(xiàn)]

[1］劉春雷.基于STEAM教育理念的高中生物教學(xué)實踐探索：以“細(xì)胞的能量‘貨幣’ATP”為例［J].華夏教師，2025（9）：61-63.

[2］季曉瑜.STEAM理念下高中生物實驗教學(xué)優(yōu)化路徑分析[J].試題與研究，2025（8）：25-27.

[3］蘇楠楠.科學(xué)思維導(dǎo)向下STEAM教育理念在高中生物教學(xué)中的應(yīng)用實踐［J].第二課堂（D），2024（12）：18-19.

[4」王明珠.陶行知生活教育理念下高中生物生活化作業(yè)設(shè)計優(yōu)化策略［J］.生活教育，2024（33）：126-128.

[5］秦寒梅.生活教育理念下的高中生物課堂問題情境創(chuàng)設(shè)［J］.家長，2024（33）：101-103.