STEM理念下高中生物学实验教学策略

摘"要：STEM理念是一种新型的教育理念，其是对科学、技术、工程、数学四大学科教学特色的融合，提倡培养学生的综合思维能力和自主探究能力，对强化学生的理论学习与实践应用水平有重要意义。在高中生物学实验教学中引入STEM理念，教师需要注重对STEM理念核心内容的把握，重视培养学生的实验能力，发展学生的生物学核心素养。对此，文章以STEM理念为基础，从教学目标、教学思路、探究任务、教学评价四个方面探究具体的生物学实验教学策略。关键词：高中生物学；STEM理念；实验教学在传统的生物学实验教学中，教师一般是以教材为基本教学内容、以知识复习为课程导入方式、以单向灌输为教学方式来开展教学。相较于传统课堂，当下的生物学实验教学更加重视从学生的角度出发开展教学活动，重视学生对知识的系统思考、自主探究。STEM理念本身具备的情境性、个性化、多样性特征符合当下生物学实验教学的需要。下面以人教版《普通高中教科书·生物学》必修1第2章中的“探究·实践"检测生物组织中的糖类、脂肪和蛋白质”为例，具体介绍STEM理念下的生物学实验教学策略。一、基于STEM理念，设定生物学实验教学目标在生物学实验教学中，教学目标是教师组织学生开展实验教学的重要引领，是学生掌握实验核心内容的关键。为此，在设定生物学实验教学目标时，教师应该基于STEM理念，将生物学实验内容与科学、技术、工程、数学等领域的知识相结合，在保证教学目标有效性的同时，让学生能够在实验教学中提高能力。例如，通过对“检测生物组织中的糖类、脂肪和蛋白质”实验的分析，学生需要完成三个实验内容，而这三个实验内容除了个别的使用材料存在区别，实验思路、实验过程、实验操作等都有一定的相似之处。基于此，教师可以分别设定综合性的教学目标和各个实验的具体目标。综合性教学目标如下：学生应该学会运用科学、专业的生物学知识解释现实生活中的现象（科学素养）；学生应该尝试使用多种生物学实验方法检测化合物（技术素养）；学生能够依据生活现象提出问题、作出假设、设计与分析实验，保证探究生物学实验的逻辑性（工程素养）；学生应该对生物学实验使用的材料、试剂等有具体的把握（数学素养）。生物学实验具体目标以“检测生物组织中的糖类”为例，学生应该达成如下目标：掌握生物组织中常见的糖类；掌握具体检测生物组织中还原糖的实验步骤；掌握检测生物组织中的糖类的实验原理；准确记录实验结果。按照上述两个维度的目标开展生物学实验教学，学生能够形成对生物学实验的整体与具体认知，进而做到按照实验步骤完成对生物学实验知识的理解与掌握。在STEM理念的引导下，教师完成了设定生物学实验教学目标的任务，并从综合与具体两个角度进一步明确了学生应该达成的目标，让学生能够以目标为引领，完成对生物学实验知识的学习，做到对生物学实验的熟练掌握。二、基于STEM理念，厘清生物学实验教学思路在落实STEM理念的过程中，为了让生物学实验课堂更具有逻辑性，凸显STEM理念的核心内容，教师需要厘清生物学实验教学思路。从生物学实验教学的角度来看，厘清教学思路可以让课堂教学过程更为流畅、完整，而且学生也能在教师的引导下做到系统思考生物学实验内容，可见厘清教学思路对生物学实验教学的重要性。例如，在“检测生物组织中的糖类、脂肪和蛋白质”实验教学中，教师可以按照“导入新课—课前预实验—课上做实验—质疑拓展”的整体逻辑厘清教学思路。在新课导入环节，教师可以由对生活中常见食物的猜测，引发学生对新知识的思考，让学生意识到可以采取有机物检测的方式，完成对猜测内容的验证。在课前预实验环节，教师可以采取演示实验、课前预习等方式，引导学生发现生物学实验中存在的问题，并组织学生依据STEM理念思考改进措施，在合作探究中达成培养学生能力的目标。在课上做实验环节，教师需要按照“探究实验步骤—实施实验—检测有机物成分—得出实验结论”的逻辑步骤完成实验探究，促使学生掌握课程知识、理解重点和难点内容。在质疑拓展环节，教师可以组织学生基于所学知识内容尝试提出疑问，并进一步拓展思考，经历发现问题、思考问题、解决问题的过程，最终达成教学目标。教师应该按照上述主要教学逻辑与次要教学逻辑结合的形式，构建一个清晰的逻辑框架，精准落实生物学实验教学目标，促进学生对生物学知识的深入思考。这样，教师完成了对生物学实验教学思路的梳理，为开展基于STEM理念的生物学实验教学提供了重要保障，使得生物学实验教学的开展能够具备完整的教学逻辑、系统的教学框架。三、基于STEM理念，布置生物学实验探究任务在STEM理念下，教师完成了生物学实验教学目标的设定、梳理了生物学实验教学思路。随后，教师需要具体开展生物学实验，进一步落实STEM理念。对此，教师可以布置检测还原糖、检测蛋白质、检测脂肪三个实验探究任务，让学生按照既定的教学要求完成生物学实验学习。1.检测还原糖在探究检测还原糖实验任务之前，学生应该对实验所需材料进行检查，保证材料的完整性。在进行实验探究时，教师可以先以此实验为演示案例，帮助学生理解应该怎样完成生物学实验，保证结果的准确性。对此，教师可以按照前文厘清的教学思路，一边开展演示实验，一边引导学生思考，为学生后续合作进行生物学实验打好基础。首先，教师需要制作实验中用到的斐林试剂。先准备质量浓度为0.1g/mL的NaOH溶液（甲液），再准备质量浓度为0.05g/mL的CuSO4溶液（乙液），随后将甲液和乙液等量混合均匀，从而得到斐林试剂。教师分别向两支试管中注入蒸馏水、苹果匀浆，接着分别注入等量的斐林试剂。将试管放入盛有50～65℃温水的大烧杯中加热约2min，静置观察两支试管中液体的颜色变化。观察时，学生发现装有蒸馏水的试管从实验开始到结束并未发生明显变化，液体的状态、颜色也未发生改变。相反，在注有苹果匀浆的试管中，学生发现斐林试剂的颜色经历了“浅蓝色—棕色—砖红色”的变化，并且试管中出现了沉淀物，这种颜色的变化和沉淀物的出现与糖类还原铜离子生成氧化亚铜有关。在完成实验演示后，教师可以让学生尝试写出该实验的原理，即相关化合物与化学试剂的结合，发生特定的颜色反应。该实验便是还原糖与斐林试剂的结合，并在50～65℃的温水中加热，产生砖红色沉淀这一特定的颜色反应。在完成实验的初步探究教学后，教师可以让学生思考：为什么要在实验中增加“蒸馏水+斐林试剂”这一对照实验？在思考该问题时，学生可以从变化的条件方面进行思考，即斐林试剂最终产生砖红色沉淀是与苹果匀浆有关还是与蒸馏水有关，再通过对照实验来验证猜想。这样，教师便完成了对检测还原糖这一生物学实验内容的讲授，并为学生提供了一定的实验操作演示，为后续学生自主探究生物学实验打好了基础。2.检测蛋白质在进行检测蛋白质实验时，学生可以先回顾教师演示实验的操作过程，结合演示实验得到本次实验的操作过程。在进行自主实验之前，学生需要准备好鸡蛋清、检测试剂等需要用到的实验材料。按照前期教师演示的实验操作过程，学生要先调制双缩脲试剂。准备好质量浓度为0.1g/mL的NaOH溶液（A液），质量浓度为0.01g/mL的CuSO4溶液（B液）。接着，将等量的蒸馏水、鸡蛋清稀释液分别注入两支试管中，同时向两支试管中注入A液和B液。此时，学生会发现装有蒸馏水的试管中注入A液和B液后，颜色为浅蓝色，这是双缩脲试剂的正常颜色。而在装有鸡蛋清稀释液的试管中，注入A液和B液后，学生可以直观看到液体变成了紫色，这说明相关化合物与化学试剂的结合能够出现特定的颜色反应。同样，学生在回顾自己实验的操作过程时，也要进一步思考设置对照实验的目的，即生物组织中的蛋白质能够与双缩脲试剂中的铜离子结合，产生紫色结合物。此外，学生可以进一步延伸思考：煮熟的鸡蛋清是否可以同双缩脲试剂发生反应？对此，学生按照上述步骤重复实验过程。在完成这一实验后，学生发现双缩脲试剂依然发生了颜色的变化，显示出紫色，由此可知煮熟的鸡蛋清也能够与双缩脲试剂发生反应。根据上述实验进一步分析可知，生物组织中含有的蛋白质，无论是自然状态还是煮熟状态，都能够与双缩脲试剂产生紫色反应。在上述自主实验探究的过程中，学生模仿教师开展生物学实验教学的过程，进行了自主调试新试剂、自主进行实验操作、自主反思并拓展思考，进一步完善实验结果，有助于提高自身的科学探究能力，提升逻辑严谨的工程素养。3.检测脂肪在完成前面两个实验的学习后，学生对生物学实验的过程、操作等形成了一定的认知。基于此，教师可以采取“教师指导+学生合作探究”的方式，师生共同完成检测脂肪实验。在这一实验中，教师为学生准备了花生种子、苏丹Ⅲ染液等必备的实验材料。在学生合作探究之前，教师提出思考问题：“前两个实验采用的是在试管中进行的方式，那么本次实验是否也在试管中进行呢？若不使用试管，你认为还可以使用哪些实验仪器？”通过学习本课内容，学生知晓检测脂肪的实验需要通过切片的方式，使用显微镜进行观察。在此基础上，教师指导学生通过使用显微镜观察物体的方式开展检测脂肪的实验。首先，学生需要用刀片在花生子叶的横断面上平行切下若干薄片，放入盛有清水的培养皿中待用。从培养皿中选取最薄的切片，用毛笔蘸取放在载玻片中央；在花生子叶薄片上滴2～3滴苏丹Ⅲ染液，染色3min。其次，学生需要用吸水纸吸去染液，再滴加1～2滴体积分数为50%的酒精溶液，洗去浮色，同样静置一段时间后，用吸水纸吸去花生子叶周围的酒精。最后，学生在薄片上滴一滴蒸馏水，盖上盖玻片，制成临时切片。实验进行到这一步，学生已经完成全部的检测脂肪的操作，只需要将制成的临时切片放置在显微镜下观察即可。在观察时，学生可以看到生物组织中的脂肪微粒呈现橘黄色。对此，小组成员应该依次观察，共同感受合作探究的成果。由此，学生得出“花生中含有脂肪”这一结论。在检测脂肪生物学实验探究中，教师组织学生以合作探究的方式完成了实验操作。对学生而言，合作探究的方式可以促进学生对生物学知识的熟练运用，进一步锻炼学科关键能力，有效落实STEM理念。四、基于STEM理念，落实生物学实验教学评价在实施生物学实验教学评价时，教师应该在引入STEM理念的基础上，结合最初设定的实验教学目标，对学生的实验学习过程进行评价。在评价时，教师要重视对学生的学习过程与学习结果进行评价，以此帮助学生综合、全面地认识课堂学习情况。例如，针对学生的学习过程进行评价时，教师需要从学生能否准确掌握生物学实验操作过程、能否质疑思考生物学实验内容、能否独立探究实验结果等方面进行评价，同时还应该关注学生在实验中是否形成了严谨、科学的逻辑思维。这些都是教师需要重点评价的方面，关乎学生实验能力能否实现长足进步。针对学生的学习结果进行评价时，教师需要从学生的实验操作是否规范、能否准确获得实验结果的角度给出评价。在上述评价中，教师应该多以鼓励性、肯定性的评价语言为主，帮助学生在发现问题、解决问题的同时，增强自主探究生物学实验的信心。除此之外，教师还可以组织学生之间进行相互评价，指出对方在实验中出现的失误与不足，这