1. 引言
STEAM代表科学(Science)，技术(Technology)，工程(Engineering)，艺术(Arts)，数学(Mathematics)。STEAM教育就是集科学，技术，工程，艺术，数学多领域融合的综合教育。STEAM教学模式是一种跨学科、整合性的教学方式，将分科的课程内容自然整合，从而形成整体的学习项目，引导学生采用多学科融合的学习方式，运用跨学科思维解决问题。美国国家工程院(NAE)及国家研究委员会(NRC)早在2009年就已经提出，美国K-12学校对科学、技术、工程和数学等学科普遍缺乏重视，从而引起大家关注美国在全球经济市场的竞争力，关注从事科技活动的劳动力的发展[1]。STEAM教育不仅仅在美国备受关注，我国近些年也很重视STEAM教育对国家发展的影响。例如在生物学课程标准“学业质量”部分对STEAM的评价提出了较高的具体等级要求：基于生命观念，“能够将科学、技术、工程学和数学(STEAM)知识和能力综合运用在实践活动中，设计方案，解决生活中的实际问题”[2]。
生物科学史中科学家每次重大发现都离不开生物技术和工程思维。基于此本研究以对细胞膜结构和成分的探索为例，通过STEAM教学设计，使学生在学习过程中亲历定义问题、设计模型、建立初步模型、模型修正和模型应用，直到最终的表达和交流，相互评价的研究过程，使学生初步具备一定的工程意识。
2. STEAM教学模式的理论基础和与传统教学模式的对比
2.1. 理论基础
2.1.1. 建构主义学习理论
STEAM教育的理论支撑之一是建构主义，它是一种在教学方面展开的实践活动，是一种基于学生自身的知识经验，引导学生自主理解、内化重组知识的建构过程，强调知识的连续性。教师通过提供良好的学习情境可以促进学生的有意义建构。
2.1.2. “从做中学”理论
“从做中学”理论的提出者是杜威，他认为，教学应符合人类认知客观事物的发展规律，强调从学生的经验和活动出发，也就是“从经验中学，从活动中学”。STEAM教育是一种明确需要动手进行实践操作的培养方式，提倡“实践出真知，实践长才干”，是典型的“从做中学”的教育模式。
2.1.3. 项目式学习
项目式学习(Project-Based Learning)简称PBL，是一种以课程标准和教材内容为基础，以学生为中心，在真实的情境中让学生自主组建团队去解决开放式问题的一种学习方式。在STEAM教育实践中，以项目为基础的学习是最重要，也是最普遍的一种学习模式，STEAM理念的课堂活动通常都是以项目的形式展开的。
2.2. 与传统教学模式的对比
在传统的教学模式下，课程体系往往被高度分化，对学生进行单一知识传授，促进的是单向思维发展，缺乏创新与创造，这就导致了各个学科之间相互孤立，不利于知识的融合学习，限制了学生综合能力的发展。
通过STEAM教育，学生能够在真实的、有趣的、富有挑战的项目式活动(问题解决)过程中，不断探究，全面学习，并进行创新设计或创造[3]。同时也能够有效激发学生的学习兴趣，增加学生课堂参与的机会，有助于学生全面认知事物。STEAM教育鼓励学生以团队合作的形式主动参与问题探究，培养学生从多学科的角度分析和解决问题的能力。
生物科学作为基础教育阶段中重要的课程之一，融入STAEM教育理念，可以改变现有教学方式，打破学科界限，促进单科课程教育走向综合化教育，发展学生的综合能力。
3. STEAM教学模式的应用现状
3.1. STEAM教育模式的发展存在偏差
目前，我国针对STEAM教育展开的研究，往往还停留在理论层面，真正落实到中小学教育上的实践案例相对较少[4]。对于该教育模式在中小学内大力的推行与实施，我国的教育系统在整体上缺乏专业的规划，对于这种教育模式在教育体系中的定位以及其能获得的教学效果，也没有一个清晰的认识。
3.2. 相关教育教学资源的缺少
STEAM教育模式是基于多学科融合的方式展开教学的，因此，在实践过程中，需要大量的教育资源支撑，这种教学资源不仅是指配套的教学工具及设备，还包括这种跨学科模式教学的师资力量，以满足课堂教学的需求。由于STEAM教育模式在我国的发展不够成熟，使得与其相匹配的教育教学资源比较有限。
3.3. 课程本身的融合性和创新性不足
综合性教育模式的开展，旨在通过课程的教育，培养学生的科学思维和创新能力。而在实际的教学过程中，教师在课堂上对不同学科的融合，往往只关注学科之间的理论知识联系上，学科的融合和创新力度不够，无法从更深的层面上挖掘出多种学科的内在联系。
4. STEAM教学理念的社会重要性
4.1. 有利于发展学科核心素养
STEAM理念下的教学可以有效帮助学生提高社会实践能力，帮助学生深入理解并运用生物学知识，推动学生生物学学科核心素养的发展。
4.2. 有利于加强学生学习的合作性
STEAM理念下的教学能够使学生通过参与小组讨论共同发现，分析和合作解决问题，提高社会交往能力。
4.3. 有利于培养学生的综合素质
STEAM教育理念有利于培养学生的跨学科问题解决能力，帮助学生发展创新思维、实践能力以及团结协作意识等综合素质。
5. 生物科学史教学的之前的教学情况背景
教师习惯于直接将知识灌输给学生。这种只追求升学率的教学方式，偏离了教书育人的初衷。在这个过程当中，学生渐渐会觉得学习生物索然无味，当他们学习新知识时，往往会选择死记硬背的方式而不是对其进行理解，这样必然会造成学生只停留在对知识识记的层面，而对待新的问题缺乏发现、探索和解决的思维及策略。
在这种应试教育的背景下，我国目前的大多数生物课堂仍旧没有做到以学生为主体。同时，教师对于知识的传授，也仅仅只限于生物教材上的知识，至于与其它学科相联系的、生物学科前沿的知识几乎很少触及，也几乎没有培养学生的动手能力。长此以往，导致学生只会做试卷上规规矩矩的题目，当在生活中遇到相关知识的问题时，就会表现得茫然不知所措。
6. STEAM教学模式的实践——以“对细胞膜的成分和结构的探索”为例
6.1. 教学设计的原则
6.1.1. 跨学科性
将不同领域的知识科学的，有效的整合在一起，不仅能丰富课程内容，推进教育改革，提升教学质量。还能让学生能够运用不同学科的知识分析问题，运用跨学科的思维方式探究问题。
6.1.2. 情境性
情境性能够引导学生关注当地、国家乃至全球的现实问题，提升学生的社会责任意识。教师应结合生活中真实有趣的问题设计学习任务，通过学生的问题解决完成教学设计。
6.2. 基于STEAM教育理念的教学设计路径分析
在查找并阅读了相关STEAM教学设计的文献后，笔者结合STEAM项目设计模式，总结了基于STEAM教育理念的教学设计的一般路径(如图1所示)。即，选择STEAM教学任务，进行教学分析；设计STEAM教学活动，配置教学资源；确定STEAM教学流程，进行教学预设；制定STEAM教学评价，优化教学设计。
Figure 1. Path analysis of teaching design based on STEAM teaching concept
图1. 基于STEAM教学理念的教学设计的路径分析
6.3. 教材分析
“对细胞膜的成分和结构的探索”是人教版必修1《分子与细胞》第4章“细胞的物质输入和输出”的第2节，让学生通过学习对细胞膜成分和结构发现过程中的一系列经典实验，体会科学家的不易，为后续流动镶嵌模型的构建奠定知识基础。
6.4. 教学目标和重难点分析
教学目标：
(1) 通过对生物膜成分和结构探索历程的分析，构建和理解生物膜流动镶嵌模型的基本内容，形成结构与功能相适应的生命观念。
(2) 经历对生物膜结构的探索和模型建构过程，体验科学发展过程，学习科学探究方法，养成科学精神。
(3) 通过分析、探讨细胞膜相关研究进展，认同生物科学的发展对人类的重要性，增强社会责任感。
教学重点：流动镶嵌模型基本内容。
教学难点：在生物膜模型的构建中体现结构与功能相适应的观点
6.5. 教学设计思路
在生物学课程标准中，本节内容属于概念1细胞是生物体结构和功能的基本单位。应该如何激发学生的探究欲望，发展学生的动手能力？为此将科学史分析改为以工程为核心，设计并制作模型方案，以真实的问题情境为载体，促进学生的跨学科素养。本节课以“对细胞膜的成分和结构的探索”为知识核心，通过构建“细胞膜的流动镶嵌模型”的设计为情境，以小组合作形式进行教学，在课堂教学过程中采用分析、归纳、交流、合作等形式，让学生在理解细胞膜的成分和结构的同时，获得科学思维的训练[5]。教学中既有小组合作学习、讨论和分享，又有个人自主学习、思考和分析等形式，不仅能培养学生合作学习的能力，还能有效提高学生科学素养，实现教学活动的育人价值。
基于此，笔者首先对本节主要内容所蕴含的STEAM元素进行了分析(见表1)。
Table 1. The STEAM element analysis table for the teaching content
表1. 教学内容的STEAM元素分析表
学科 |
内容 |
科学 |
生物：流动镶嵌模型的基本内容 化学：细胞膜是由脂质组成的(相似相溶原理) 物理：细胞膜除含脂质分子外，可能还附有蛋白质(表面张力) 细胞膜暗–亮–暗的三层结构(电镜成像原理) |
技术 |
免疫荧光技术、冰冻蚀刻技术 |
工程 |
根据问题设计流动镶嵌模型制作方案，实施方案及评估和改进方案 |
艺术 |
流动镶嵌模型的美观性，学生的审美观和生命观 |
数学 |
细胞膜中的磷脂分子必然排列为连续的两层(磷脂分子表面积的计算) |
6.6. 教学过程
具体教学过程如表2所示。
Table 2. The teaching process of “the exploration of the composition and structure of the cell membrane”
表2. “对细胞膜成分和结构的探索”的教学过程
教学步骤 |
教师组织和引导 |
学生活动 |
设计意图 |
问题导入 |
展示“脂质体药物”相关图片，请同学们观察：两类药物分别被包裹在脂质体的什么位置？ 引导学生思考：为什么两类药物的包裹位置不同？ |
思考并推理得出：可能是由于磷脂分子的两端具有不同的特性。 |
以现实生活问题“脂质体药物”导入新课，有效调动学生学习兴趣，同时增强社会意识。 |
构建模型 |
教师做演示实验：将花生油倒入清水中，花生油浮在表面；将红墨水倒入清水中，两者立刻融合，水变为红色。引导学生理解相似相溶原理。 进而提出问题：与欧文顿的实验进行类比分析，同学们可以得到怎样的结论？ 【探究磷脂分子的排列方式】 组成细胞膜的脂质中磷脂含量最高，继续呈现磷脂分子的结构式，引导学生发现其一端(头部)由磷酸胆碱组成，带有电荷；另一端(尾部)由脂肪酸构成，不带电荷。联系之前学习的水分子极性的相关知识，思考磷脂分子的两端应该具有怎样的特点？在空气–水界面是如何分布的？ 教师继续提问：细胞内外均为水环境，请同学们猜测磷脂分子如何分布？“头”“尾”相接还是相对？ 展示戈特和格伦德尔的实验，证实同学们的猜测。 任务：小组合作，尝试搭建出磷脂双分子层的结构。 |
阅读教材中科学家对“细胞膜成分的探索”历程，讨论回答教师提出的一系列问题。 学生得出细胞膜是由脂质组成的。 学生思考，讨论并回答：磷脂分子的头部具有极性，是亲水；尾部不具有极性是疏水端。 在空气–水界面的分布为图2： Figure 2. Phospholipid monolayers 图2. 磷脂单分子层 小组讨论并回答：磷脂分子应排列为连续的两层，“头”朝外，“尾”朝内才能符合细胞内外均有水环境的事实，具体结构如图3所示。 Figure 3. Phospholipid bilayer 图3. 磷脂双分子层 学生初步搭建出磷脂双分子层的模型。 |
感知科学研究过程的艰辛与不易，学习科学家百折不挠的品质。 应用工程学原理构建模型，使学生掌握磷脂分子的结构特点。 |
修正模型 |
教师提问：细胞膜上只有磷脂分子吗？丹尼利和戴森的实验说明细胞膜的组成成分还有什么？ 补充电镜成像原理：电子束照射大分子物质时散射度高，呈现黑暗视野；照射小分子物质时散射度低，呈现光亮视野[6]。提问：罗伯特森看到的3层可能是什么物质？ 补充资料：单独测量膜蛋白厚度为5~10 nm，磷脂厚度为3.5 nm，一般细胞膜的厚度为5~10 nm 继续分析，刚才的结论是正确的吗？引导学生提出疑问。 教师此时说明：“暗–亮–暗”的两条暗线是蛋白质和脂质亲水端经锇酸染色后，密度增大所致，并非蛋白质。 【探究蛋白质和糖类的镶嵌性】 冰冻蚀刻技术： 将浆细胞置于液氮中冷冻使其变成固态，再用冷冻刀将其切开，升温后在真空中迅速升华，从而暴露细胞的切面，并用电镜对其进行观察[7]，如图4所示。 Figure 4. Distribution of protein molecules in the lipid bilayer 图4. 蛋白质分子在脂双层的分布 |
回答：蛋白质也是细胞膜的主要组成成分。 回答：看到的可能是蛋白质–脂质–蛋白质。 学生思考得出，蛋白质可能不覆盖在磷脂分子的两侧，而是镶嵌，贯穿于磷脂分子中。小组合作尝试将蛋白质和糖类安放在合适的位置。 学生通过观察可以发现，磷脂双分子层是膜的基本支架，蛋白质镶嵌，贯穿于磷脂双分子层中，糖类在外表面形成糖蛋白或糖脂。 |
鼓励学生提出问题和疑惑，激发学生的好奇心，培养他们的质疑能力。 再次理解生物膜的流动镶嵌模型的主要内容，并且体验了整个模型构建的论证过程。 |
验证模型 |
【探索细胞膜结构是固定不动的还是可以运动的？】 教师展示不同颜色荧光染料标记膜蛋白的小鼠细胞和人细胞的融合过程，如图5所示。 Figure 5. Schematic diagram of the fusion experiment of fluorescently labeled mouse cells and human cells 图5. 荧光标记的小鼠细胞和人细胞融合实验示意图 并引导学生解释变形虫运动等现象。 |
学生容易得出细胞膜上的蛋白质可以运动。 |
强调结构与功能相适应的观点。 |
总结流动镶嵌模型 |
细胞膜主要是由磷脂分子和蛋白质分子构成的。磷脂双分子层是膜的基本支架，其内部是磷脂分子的疏水端；蛋白质分子镶，嵌，贯穿于磷脂双分子层中。 细胞膜具有流动性，主要表现为构成膜的磷脂分子可以侧向自由移动，膜中的蛋白质大多也能运动。 |
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展示与评价 |
引导其它学生认真观察、发现并及时纠正出现的问题。 |
小组代表上台展示成果，重在叙述模型构建过程中的思维过程 |
总结学生的行为表现，发现优点，弥补不足之处。 |
课堂小结 |
回顾本节课的主要内容，
构建知识框架。 |
学生回顾本节课所学知识。 |
强化教学过程设计意图，突出教学的重点。 |
6.7. 教学反思
本节课贯穿细胞膜研究的科学史，以工程设计为主线，充分挖掘了教材中的STEAM教育元素，在STEAM理念下开展高中生物科学史教学，引导学生沿着科学家的足迹，体会其中蕴含的工程设计思想，并通过亲自动手实践，锻炼学生的工程素养[8]。
运用脂质体包裹药物新情境培养了学生迁移应用知识解决实际问题的能力。在教师的思维引导下，学生自主构建出细胞膜的模型并评价所构建的模型。通过引导学生重走科学家们的探究历程，感受科学研究的历程，逐步实现对细胞膜成分、结构的理解，不断帮助学生深化结构与功能观。
7. 存在的问题及改进思路
7.1. 教学时间有限，影响教学结果
由于高中一节课的时间较短，只有40分钟，本节教学设计需要安排多个课时进行授课才能保证教学过程的完整，并且学校实行半封闭式管理，近乎全部的实验材料和用具都由教师提前准备，这一定程度上局限了学生思维。
针对这种情况，教师可以根据实际情况简化教学任务的步骤，但要保证给概念的学习、STEAM教育理念和建模活动留有充足的时间[9]；此外，教师可以在课前布置任务，采用预习的方式让学生提前了解相关的生物概念知识，以便给建模活动留有充足时间。
7.2. 学生课堂表现问题
在小组讨论过程中存在纪律混乱的问题。学生的注意力容易被其他更为有趣的事物吸引，影响讨论环节的高效性。班级人数较多，对学生自我约束能力和教师掌控课堂的能力，要求都较高。
教师可以鼓励学生积极参与课堂活动，明确学习任务，还可以随机挑选小组代表上台展示，这样可以使学生更加关注课堂内容，减少无聊和无意义的行为。
8. 教学建议与展望
以STEAM理念进行的教学设计，是在以科学史进程为主要教学线索的基础上，用科学哲学观点进行逻辑推理与思维深化，以科学社会学应用进行创造性延展，有助于培养学生的生物学核心素养[10]。因此，在高中生物学教学中积极探索并实践STEAM理念对我国高中教育有着至关重要的作用。
STEAM教育理念的课程融合思想与教师常规的教学思想有较大的差别，因此STEAM教育理念融入生物教学还需要一段时间，不能一蹴而就。我们期待老师们可以扩大自己的知识范围，利用自己的特长，在教学上进行创新，将STEAM理念与各种学科融合在一起进行教学实践，探讨出一条适合学生发展的实施路径和评价标准。