基于STEM理念的校本课程开发
——以“细菌作画”为例

牛叠亚

（南京田家炳高级中学 江苏南京 210000）

1 课程开发背景

微生物无处不在，其在食品、环境保护等领域服务人类，对人类的生命安全和身体健康至关重要。所以对微生物的学习也是当今教育的重点。虽然人教版高中生物《选修1·生物技术实践》中“微生物的实验室培养与应用”实验教学内容有涉及微生物的相关理论知识和实验技能，但很多高中学校没有条件或者时间系统地开展有关微生物的相关实验。因此，我校生物教师结合这部分内容，基于STEM教育理念开发了“细菌作画”课程，旨在倡导以工程设计过程为主导，以学生实践为中心，通过合作完成真实情景中的学习。该课程丰富了高中实验内容，增强了学生学习生物的兴趣，更好地培养了学生的生物学学科核心素养。学生在习得微生物的相关实验技能的同时，增强了对微生物的认识。

2 课程目标

基于STEM教育，校本课程“细菌作画”的课程目标见表1。

表1 校本课程“细菌作画”的课程目标

3 课程安排

本课程的具体内容见表2。每节课都旨在让学生在学习微生物学基础知识的前提下，启发学生通过思考、动手达到多角度调动学生的学习思维和学习行为的目的，真正落实生物学学科核心素养的培养。“细菌作画”课程主题明确，活动之间具有系统性，学生通过本课程的学习，能在掌握微生物知识和实验技能基础上完成“细菌画”作品。

表2 校本课程“细菌作画”的课程内容

4 教学过程

下面以第六讲“以细菌为‘颜料’，培养基为‘画板’的艺术与科学之旅”为例，介绍课程的设计和实施过程。

4.1 “细菌作画”具体实验过程

（1）准备细菌画“颜料”：了解常用的菌种及其菌落对应颜色，如大肠杆菌为乳白色、金黄色葡萄球菌为黄色、海水芽孢杆菌的不同型号颜色不同，有黄色不透明、橙红不透明等、枯草芽孢杆菌为灰白色或微黄色。学生根据自己需要的颜色，利用灭菌后的牛肉膏蛋白胨液体培养基大量培养对应的细菌备用。

（2）制作细菌画“画板”：配制牛肉膏蛋白胨琼脂培养基。采取的配方：牛肉膏3 g、蛋白胨10 g、NaCl5 g、琼脂15-20 g、水1000 mL，pH为7.4-7.6。将配置好的牛肉膏蛋白胨培养基进行高压蒸汽灭菌后备用。

（3）准备细菌画“画笔”：准备不同粗细的棉签、牙签、接种环等灭菌备用。为了精确选用“画笔”需要做预实验，学生要准确把握不同材质的工具绘制出的线条效果，保证绘制的美观性和科学性；并通过调整菌液浓度与绘制线条的粗细关系，达到理想绘制效果。

（4）设计图稿并作画：图稿相当于微生物作画的底稿，学生可以选择直接绘制和电脑绘制两种方案。由于配置的培养基几乎是透明的，可以将培养皿大小的图稿放在培养皿下方。此时，菌液画过之后几乎没有痕迹，位于皿底下方的底稿便于用接近无色菌液绘制的时定位。在酒精灯火焰旁或无菌实验室中，选取合适的“画笔”以及“颜料”，左手将“画板”皿盖打开约45°缝，右手将沾有“颜料”的“画笔”透过培养基按照皿底下的图稿绘制。

（5）培养并观察：将培养皿底部做好标记，置于35℃恒温培养箱中培养24 h。观察作品，根据作品情况，修正实验方案，直至“细菌画”的效果达到和底稿很高的相似度。

（6）展示作品：小组以PPT汇报的方式，讲解自己作品的设计理念和学习所得，并评价和交流各组的实验作品。

4.2 问题分析与解决

学生在实践过程中会产生很多问题。各小组在教师的指导下，讨论、解决问题。

①20 h培养后细菌线条过细。学生猜测：如果用浓度高的菌液画，细菌的菌落是否会长得更茂盛呢？如果这个猜想成立，学生就可以在画作上控制细菌的疏密分布了。一开始，学生打算静置沉淀后，吸取上层清液再摇匀使菌液浓度增加，但怎么沉淀也不见效果。教师提议用采用离心机。学生查阅资料后，在教师的指导下，首先设置将离心机设置为2 000 r/min，但2 min后并没有离心成功。学生将转速增加到4000r/min，2 min后得到了分层的菌液，利用移液枪吸取上层适量清液，并将剩下清液和沉淀摇匀。为了检测效果，学生用等量的高浓度菌液和正常浓度菌液做对比实验，出现截然不同的线条。

②细菌实际长出后，从涂色范围略向外延伸，导致边缘不规整或相邻部分连成一片。操作的过程中，学生发现细菌实际长出后，会从涂色范围略向外延伸，导致大范围地涂色后，在一些连接处，菌会长成一块，或者涂色部位的边缘很不整齐。于是，学生决定用烧红的接种环来杀死细菌。进行试验后，发现烫过的地方确实不容易联成一块。解决这个问题之后，画作里的各个相同颜色的部分辨析度就更大了，边缘也更加平滑了。

4.3 成果评价展示

细菌作画的成果有火炬图（手持火炬冉冉升起的火焰），寓意“永不熄灭的科学之光”；伏羲女娲图（伏羲女娲螺旋的尾部类似双螺旋的DNA分子），寓意“古老的传说与科技的结合，华夏文明的古老与科学”；京剧脸谱图，寓意“文化与科技的结合”；星间飞行图（图1）。

图1 细菌作画作品“星间飞行图”

结合学生的作品，教师利用一节课进行作品展示与汇报。每组学生介绍作品的制作过程、感悟、作品寓意等，小组内部、小组之间和教师对学生实验过程的表现和实验的汇报情况进行评价，以帮助学生更好的总结自己的学习成果，清楚自己学习过程的优势和不足。表3为“细菌作画”的作品评价表。

表3 “细菌作画”作品评价表

5 “细菌作画”课程开发后的反思

5.1 成功的经验

利用我校拥有无菌室、高压蒸汽灭菌锅等资源，结合教学经验开展的“细菌作画”校本课程，是在一种开放的系统中进行的生物实验，可以作为国家课程的互补，避免学生知识和技能获得的单向性。细菌画创始人扎查利·科普菲尔曾说：“科学的世界永远是一个充满诗情画意的美丽地方，比起我所知道的其他任何领域都更有艺术性。”在细菌画的创作中，学生在美术老师的指导下，懂得了对称性、留白性以及作图要具有主题性等绘图美观性的原则，从而更好地欣赏美；在生物老师的指导下发现科学的殿堂，在科学知识和技能掌握过程去发现、解决问题。我校开展的科学与艺术结合的“细菌作画”校本课程，可以提升学生的跨学科素养、生物科学素养和审美情趣。

5.2 不足的反思

细菌的种类繁多，环绕在人们周围，学生还可以研究身边的物品如手机、实验室空气中微生物的种类和对应菌落的颜色等等，进一步丰富校本课程的资源。这也是我校“细菌作画”校本课程进一步探索的方向。另外，关于校本课程的评价也可以更多样化，如讨论实录、科技论文、摄影、摄像或者短视频的记录实验过程等展示观察发现结果可以发展学生其他技能。