县域高中项目式学习实验活动案例分析

摘要

针对县域高中受限于教育理念与硬件条件、微生物培养实验开展率较低的现状，以“微生物作画”为载体重构教学内容，将项目式学习理念融入实验教学，显著增强了实验的趣味性与探究性。多年教学实践验证，利用酒精灯外焰构建简易无菌区进行接种操作，有效简化了实验流程，破解了不具备超净工作台条件的县域高中开展微生物实验的难题，为县域高中普及微生物实验教学提供了低成本、可复制的实践路径。

Graphical abstract

关键词

县域高中 / “微生物作画” / 项目式学习 / 实验活动 / 案例分析

《普通高中生物学课程标准（2017年版2020年修订）》（以下简称《课标》）明确提出“加强和完善实验教学”，倡导以探究为特点的实验教学是提升学生科学探究素养的重要路径^［1］。

文献研究表明，部分县域高中受实验设备匮乏、重视程度不足及教学模式固化等因素的制约^［2］，导致《课标》要求的必做实验难以有效落实。

为进一步核实区域现状，笔者面向湖南省郴州市所辖县（区）及市直高中发放问卷（n=100），调查结果显示：无论县域还是市级中学，微生物培养实验的开出率均不足20%，这与文献中关于实验落实困难的论断高度吻合。

项目式学习强调以学生为主体，以驱动性问题为引领，通过公开成果外显学习成效，促进学生在“做中学、用中学、创中学”^［3］。笔者尝试将该模式应用于微生物培养实验教学，取得了良好成效，可为县域高中提供借鉴。

该案例成功入围教育部基础教育司主办的2024年第十届全国中小学实验教学说课现场展示活动，现整理分享如下。

1 项目式学习活动的设计

1.1 项目背景

“酵母菌的纯培养”是人教版（2019版）高中生物学选择性必修3《生物技术与工程》中的核心探究实践课题，主要涵盖培养基配制、灭菌、倒平板及平板划线等微生物基本操作技能，是帮助学生建构“获得纯净培养物是发酵工程基础”重要概念、发展科学探究素养的关键载体。

然而，现行教材的呈现方式较为平铺直叙，未明确指定菌种来源，且缺乏真实任务驱动情境，加之操作流程相对烦琐，易导致学生学习兴趣不高，实验开展情况不理想；尤其在县域及乡村中学，受限于硬件条件与师资专业素养，该实验甚至被长期搁置。因此，探索低成本、高趣味、强驱动的改进路径以推广该实验，具有重要的现实意义。

1.2 项目思路

在“果酒制作”实践中，学生已初步建构“果皮表面附着酵母菌且可用于分离”的感性认知。在此基础上，笔者基于STEAM教育理念，将微生物菌落形态的差异视为天然“颜料”，以培养基为“画布”，引导学生依据设计方案，通过规范的无菌操作技能接种并培养微生物，最终形成可视化的“微生物画”。

该活动将抽象的微生物培养实验转化为具象的艺术创作任务，驱动学生在“做中学”与“创中学”的过程中，实现科学探究与人文艺术的深度融合。

1.3 项目规划

该项目确立了“微生物作画”的主题，构建了涵盖“菌种筛选—酵母菌分离—图案设计—作画评价”全流程的四阶任务链，实现了微生物实验技能训练与艺术创作的深度融合。依托STEAM教育理念，设计的“微生物作画”项目式学习活动基本框架及其内容如图1及表1所示。

2 项目式学习活动的实施

2.1 创设情境，激发兴趣

教师展示精美的微生物画作品，提出问题：传统绘画需要画笔、颜料和宣纸等材料与工具，那么，用微生物作画又需要哪些实验材料与器材呢？以此为契机，引导学生开展微生物培养与制作活动。

设计意图：依托阶梯式问题链，引导学生比较传统微生物培养实验与微生物作画的差异，领会其核心要义。微生物作画将枯燥的实验操作趣味化，使学生体悟到“玩中学”的深层价值。同时，将项目解构为“分离酵母菌”“绘制设计图”及“作画及评价”共3个子任务；引导学生从果酒发酵液中分离纯化酵母菌，以实现新旧知识的无缝衔接。

2.2 直面硬件局限，论证可行路径

微生物作画对无菌环境要求较高，通常需在超净工作台中进行。鉴于实验室仅配备一台简易灭菌锅与一台超净工作台，难以满足全员分组实验需求，教师创设认知冲突：如何在设备受限条件下实现无菌操作？是否存在简易替代方案？随后，提供史料支架：早期科学家常利用酒精灯外焰旁的高温区域进行接种。

设计意图：引导学生基于设备局限，分析杂菌污染途径，自主建构“火焰旁无菌区”的替代模型。这不仅降低了实验门槛，提升了开出率，更培养了学生因地制宜、解决实际问题的科学思维与资源意识。

2.3 组建小组，下发评价量表

遵循自愿原则组建3人活动小组。在组建小组阶段，教师引导学生明确分工，并下发预设的评价量表与小组活动登记表^［4］（表2、表3）。

设计意图：依托小组活动登记表，引导学生记录微生物画的创意构思与独到之处，实时生成活动反思。评价体系涵盖科学性、一致性、美观性、创意性及过程性共5个维度，各占20%。该量表实现了学习过程与评价反馈的深度融合，切实落实了“教—学—评”一体化的教学理念。

2.4 实验操作，创作作品

此次“微生物作画”主题为“初心”。学生利用自分离的酵母菌及教师提供的安全菌种（米白色菌落酿酒酵母、红色菌落红酵母、黄色菌落海水芽孢杆菌，图2），以可视化的微生物画作品诠释主题内涵（图3和图4）。上述菌种均经生物安全性评估，无毒无害，适用于实验教学。

学生小组基于对主题的个性化理解及菌种生物学特性，协作绘制设计图，在紧扣主题的同时，兼顾科学性与艺术创新性。

严格遵循无菌操作规范，学生依次完成培养基配制、灭菌及倒平板的操作。随后，将设计图（图5）衬于培养皿底部，依托微生物培养技能，在酒精灯火焰旁选取适宜“画笔”与“颜料”进行接种，编号后置于28 ℃恒温培养箱培养24～48 h，待菌落长出后观察结果。

设计意图：菌种来源兼具学生自主分离与教师供给，既丰富了色彩多样性，又从源头上保障了生物安全。限定主题可引导学生聚焦创作核心，在实现微生物培养实验检验的同时，有效促进科学精神与艺术修养的融合发展。

2.5 展示成果，汇报交流

学生以小组为单位，依据评价量表开展自评、互评与师评相结合的多维评价，随后进行作品展示与经验交流。

【学生评价】如图所示（图6），我们的画的主题是和平。我认为人类应有的初心是和平，中华民族自古以来都是热爱和平的民族。面对当下的俄乌冲突与巴以冲突，和平显得尤为珍贵与迫切。我们希望通过这幅画呼吁人类热爱和平，倡导和平共处、协作共赢。

【教师点评】该作品视角独特，深刻诠释了跨越国界的人文博爱精神，予以加分。作品呈现效果与设计图契合度较高；虽受到少量杂菌污染，致使画面洁净度略有下降，但整体表现良好，综合评定为B级。

2.6 拓展应用

微生物作画不仅强化了学生的无菌操作技能，更使其直观感知到生命活动的动态之美与蓬勃活力，有效弥补了传统实验的枯燥短板。此外，该活动还能呈现独特的生物学现象，例如利用发光细菌展现生物发光效应，或通过转基因荧光菌株直观再现基因工程的神奇魅力，有效拓展了学生的前沿视野。

3 总结与反思

该项目以“微生物作画”为载体创设真实情境，深入践行了“做中学、创中学”的素养导向教学理念。其主要创新特色如下。

（1） 学科交叉融合：突破传统实验边界，将生物学核心技能与美术创作有机融合，使学生在科学探究中体悟美学价值，有效增强了实验的吸引力与实践性。

（2） 项目式学习驱动：以“初心”为统领任务，构建“分离—设计—作画—评价”的任务链，驱动学生在真实问题解决中自主建构知识，显著提升批判性思维与创新实践能力。

（3） 实验条件的低成本化改进：创新利用酒精灯火焰外焰构建简易无菌区，突破了县域高中超净工作台短缺的硬件瓶颈，使实验可在普通实验室顺利开展，极大地提升了实验教学的可推广性与普惠性。

实践证明，县域高中微生物培养实验的可行性得到了显著提升。笔者所在学校（或实验班）学生实验的参与率达100%，核心素养落地效果较好。当然，该案例亦存在一定局限性：受实验周期限制，完整流程难以在单一标准课时（45 min）内完成，需统筹连排课时或课后延时服务；同时，因涉及活菌操作，对实验室生物安全规范（如口罩佩戴、手部消毒、师资巡查监管等）提出了更高要求，需时刻守住安全底线。

参考文献

[1] 中华人民共和国教育部. 普通高中生物学课程标准（2017年版2020年修订） ［S］.北京：人民教育出版社，2020.

[2] 马珍.县域高中生物学实验教学现状与对策研究：以民和县几所高级中学为例［D］.西宁：青海师范大学，2024.

[3] 杭跃男.项目式学习的关键特征及教学策略［J］.生物学教学，2024，49（08）：26-30.

[4] 张莹，李艳梅.STEAM理念下的项目式教学：细菌作画［J］.中学生物教学，2019（15）：57-60.

基金资助

湖南省教育科学“十四五”规划2023年度立项课题“普通高中生物科技创新活动融合劳动教育的探索与实践”(XJK23CJC061)