基于STEM理念的高中生物教具制作—以“植物细胞有丝分裂和减数分裂可视化教具”为例

基于STEM理念的高中生物教具制作—以“植物细胞有丝分裂和减数分裂可视化教具”为例

梁丽花

广州市增城区第一中学  广东 广州 511300

一、背景简介

《普通高中生物学课程标准》表示需要重视学生在学习期间的实践情况，多开展探究性学习活动，提高学生对生物学知识的了解程度，能够把知识应用到实际生活当中，锻炼学生的创新思维。生命科学具备严谨性特征，包含多项内容，整体非常复杂，想要推动生物科学的持续发展需要复合型人才的支撑，STEM教育理念能够帮助国家培养这类稀缺人才。所以把该理念和高中生物教育相结合，不仅能够满足课标要求，还可以为国家的持续发展输出所需人才。

针对(人教版2019年版)普通高中课程标准实验教科书生必修2《遗传和进化》第二章第一节《减数分裂和受精作用》教材中探究.实践栏目中《建立减数分裂中染色体变化的模型》中材料用具：白纸、铅笔或彩笔、橡皮泥、扭扭棒等能够展示染色体形状的材料。学生做出来的模型教具是纸上的平面结果而且为无法动态展示染色体动态变化的抽象知识，查询资料发现这方面的教具大多都是平面的或静态的，因此我们制作的教具创新点在于，它是立体的并且能够动态的演示减数分裂过程中联会、交叉互换，非同源染色体自由组合等现象，以及有丝分裂中染色体的主要变化过程，立足于让学生形成有丝分裂和减数分裂过程中染色行为变化等生命观念，有利于我们更好的学习掌握这两个知识点，提高模型教学的课堂效率，注重培养学生动手制造的教具科学探究能力，收到了良好的教学效果，为新课改背景下教师的教学提供了相应的可视化教具参考。

二、设计原则

在实行分科教学的现状下，组织学生参与跨学科探究活动，对于推动STEM教育理念的落实。把该理念知识和生物教学有效结合在一起，以探究活动为基础加入STEM要素，转变之前的调整方式，制定更加合理的教学计划，可以在常规的生物实验课上进行也可以将探究活动地点改在家庭，有利于探究活动的开展。

 本活动旨在探究如何作并使用能够更加直观展现植物细胞有丝和减数分裂的教学工具。植物细胞有丝分裂和减数分裂的理论知识虽是生物学科中必修内容，但在制作过程中，如何选材制作植物细胞和染色体，如何设计植物细胞细胞壁和植物细胞分裂过程中的纺锤体结构，如何呈现减数分裂过程中联会、交叉互换、非同源染色体自由组合等现象。

三、亮点

本活动涵盖五个不同学科的内容，包括生物、数学、资讯与通讯科技、应用科技、工程学以及美学。学生需要在学习有丝分裂和减数分裂的过程，能够利用该知识完成本活动，学生能够：

1、能简述有丝分裂和减数分裂的过程

2、会比较识别有丝分裂和减数分裂各个时期的图像

3、能构建各个时期染色体的行为变化的模型

4、能用相关知识解决简单的生物学问题能力目标

5、培养学生动手能力、利用数学正方形椭圆形等图像进行设计

6、利用网上资源获相关教具的制作过程择

7、利用工程学不断改进制作过程

8、利用美术设计的原则设计和材料选则

教具创新点在于，它是立体的并且能够动态的演示减数分裂过程中联会、交叉互换，非同源染色体自由组合等现象，以及有丝分裂中染色体的主要变化过程，作品的展示和交流等涉及到生物、数学、资讯及通讯科技、应用科技、工程学和美术学科的融合，学生能从中领悟到科学、数学、技术和艺术的相互结合，科学、数学与艺术相通，科学和数学能为艺术创造灵感，而艺术又能培养学生的科学创造力，所以在整个活动过程中既能提高学生的科学探究能力，又能融合STEM课程，从而培养学生在STEM及生物科学两方面的素养。

四、教师指导

基于STEM理念的高中生物教具制作，结合STEM特征挑选并制作教具，围绕开放和实践开展整个活动。“植物细胞有丝分裂和减数分裂可视化教具”制作中，可以自选制作材料、自行设计制作和教具的动态呈现来开展探究。

1、界定要制作的教具、要动态呈现的知识点

2、学生自主活动，上网搜索相关的制作材料

3、参考“植物细胞有丝分裂和减数分裂可视化教具”相关作品，在此基础中进行改进和创新

4、根据确定的制作材料、要动态呈现的知识点开展本活动、教师在此过程中进行指导

5、根据制作过程中遇到的问题与老师商量讨论，改善制作的材料或动态演示的方法

6、优化制作的方案，完成教具的制作。

五、材料用具

彩色电线、不同规格的铁丝、扭扭棒、轻黏土、KT版、笔、剪刀、铁钳子、胶枪等。

图1材料用具

六、教具成品

图2植物细胞有丝分裂和减数分裂可视化教具

七、教具制作

1、将蓝色电线丝制作成两个正方形，形成一个正方体，作为植物细胞壁。 

图3 细胞壁的制作过程

2、将银色铁丝掰成椭圆形的形状，作为纺锤丝，做成纺锤体。

图4纺锤体的制作过程

3、用扭扭棒制作染色体的形状，颜色不同大小相同的扭扭棒模拟一对同源染色体。用红色、黄色粘土制作成能套染色体上的形状，再用签字笔写出Aa模拟一对等位基因。

图5同源染色体和等位基因的制作过程

4、用细铁丝将染色体固定在纺锤丝上，并且可以灵活操作模拟有丝分裂过程中着丝点的分裂以及减数分裂过程中同源染色体分离非同源染色体自由组合的过程。

图6把染色体固定在纺锤体上并能灵活移动

八、功能演示

图7 有丝分裂中期        图8有丝分裂后期着丝点分裂      图9联会四分体时期

  图10同源染色体上的等位基因      图11交叉互换           图12非同源染色体自由组合

九、小结

基于STEM理念的高中生物教具制作是在生物学科教学中落实STEM理念的有效尝试。通过改进课本提供的材料和制作方法，生物教具制作可以迎合STEM理念，在实际操作期间能够对多个类别的学科相互融合，具有开放性、实践性等典型特征。

把跨学科性作为重点，学生在参与活动期间会面临许多问题。比如，怎样细胞壁和纺锤体的形状设计这些问题的解决需要运用数学知识；在进行材料选则时则运用了美学，学生课本提供的纸是平面模型不好展示后来综合考虑后选择KT板铁丝等制作立体的可视化教具；利用工程不断改进制作过程中,学生在操作期间无形之中形成了工程学思维，也加深对知识点的印象；在最成品展示过程中，学生需要使用摄像机、视频制作软件和计算机技术。实践证明，本次“植物细胞有丝分裂和减数分裂可视化教具”对课本的模型教具进行了改进，能够充分体现 STEM教育最重要的核心特征一一“跨学科性” 。

对于开放性问题而言，多种解决方案可以在学生探索过程中展现出学生的创造力，培养学生的创新精神；教师布置实证性学习任务让学习的过程中学会寻找问题根因、检验设想、完善解决策略，进而形成可贵的批判思维，而这些能力有助于学生综合发展，属于学生的核心素养。

所以，以STEM理念为核心的高中生物教具制作，同样可以展现出生物教育功能，培养学生多项能力，帮助学生适应今后的生活。有许多教学活动都可以和该项理念相融合，对原先的教学方法进行创新。