從STS走向STSE和STEM的生命科學(xué)實(shí)驗(yàn)

徐鹍 晁麗強(qiáng)

20世紀(jì)70年代，以科學(xué)（Science）、技術(shù)（Technology）和社會(huì)（Society）為核心的STS教育模式作為一種新的教育思維模式和價(jià)值觀逐漸興起，強(qiáng)調(diào)科學(xué)、技術(shù)和社會(huì)之間的關(guān)系，注重培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)，但忽視了環(huán)境教育。STSE教育模式是在STS教育模式的基礎(chǔ)上增加了環(huán)境教育（Environment），使科學(xué)、技術(shù)、社會(huì)和環(huán)境之間協(xié)調(diào)發(fā)展，其中還包括人文價(jià)值的教育，讓學(xué)生能夠樹立正確的科學(xué)發(fā)展觀，是促進(jìn)社會(huì)可持續(xù)發(fā)展的重要途徑和方法。STEM教育是科學(xué)（Science）、技術(shù)（Technology）、工程（Engineering）和數(shù)學(xué)（Mathematics）的教育，通過(guò)復(fù)雜的學(xué)習(xí)環(huán)境來(lái)培養(yǎng)學(xué)生解決問(wèn)題的能力。本文譯自美國(guó)中學(xué)生物核心教材“Biology Lab Manual B”（2010年由Pearson Education公司出版）中“觀察微生物的分解作用”的實(shí)驗(yàn)，并與我國(guó)人教版“土壤微生物的分解作用”的實(shí)驗(yàn)進(jìn)行比較。

一、實(shí)驗(yàn)譯文呈現(xiàn)

1. 引言

許多人開始將垃圾埋入自家花園。你可能認(rèn)為這種做法會(huì)危及健康、產(chǎn)生異味和破壞花園環(huán)境。但是，如果能夠處理得當(dāng)，這種做法將是安全、沒(méi)有異味和有利于植物生長(zhǎng)的。這一切都?xì)w功于有益菌（這需要一些動(dòng)物的輔助，如蠕蟲），垃圾被分解后變成深色且富含營(yíng)養(yǎng)的物質(zhì)，稱為堆肥。該調(diào)查中，你將探索堆肥的形成過(guò)程。

2. 問(wèn)題

垃圾如何變成堆肥？

3. 實(shí)驗(yàn)前思考

閱讀整個(gè)研究步驟，和搭檔一起回答下列問(wèn)題。

（1）為什么你會(huì)認(rèn)為分解細(xì)菌需要空氣才能分解瓶中的物質(zhì)？

（2）除了空氣，制作堆肥的細(xì)菌還需要什么？

（3）為什么你能推測(cè)產(chǎn)生異味的細(xì)菌的死亡是因?yàn)檠鯕猓?/p>

（4）如果瓶子里物質(zhì)的溫度升高，你要告訴老師嗎？為什么？

（5）你認(rèn)為瓶?jī)?nèi)物質(zhì)的高度會(huì)隨著時(shí)間的改變而改變嗎？說(shuō)明你的理由。

4. 實(shí)驗(yàn)材料（每組）

2L干凈的塑料瓶、草屑、橡皮筋、小釘或圖釘、雜草和樹葉、塑料叉子、剪刀、生的蔬菜和果屑、泡沫托盤、表層土、150 mL燒杯、玻璃筆、紙、紗布。

5. 安全事項(xiàng)

實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，穿實(shí)驗(yàn)服和帶護(hù)目鏡。使用剪刀時(shí)，避免割傷自己和他人。小心不要打碎玻璃容器。戴一次性塑料手套，實(shí)驗(yàn)時(shí)與植物材料、土壤或堆肥接觸后，用肥皂洗手。注意實(shí)驗(yàn)過(guò)程中所有的安全警告標(biāo)志，回顧每種安全標(biāo)志的含義。

6. 實(shí)驗(yàn)步驟

（1）仔細(xì)的在塑料瓶上打孔，用剪刀剪掉塑料瓶的上端。如圖1所示。注意：小心操作。不斷打洞，獲得更多的洞。

（2）在塑料瓶側(cè)面垂直處瓶壁較薄的地方打孔。用剪刀沿該孔小心的剪斷瓶子頂部，如圖2所示。注意：小心使用鋒利的工具。

（3）在瓶身寫上組員姓名和日期。然后將瓶子放在泡沫盤子上。

（4）向瓶中放入1/3體積的草屑。加入100 mL的土壤和20 mL水。瓶中的材料潤(rùn)而不濕。如果瓶中的材料還是很干，可以再加一些水。注意：處理植物時(shí)帶一次性塑料手套。小心不要打破玻璃儀器。

（5）用剪刀將紙片、樹葉、草、蔬菜和果屑等剪小，不超過(guò)1cm。將剪碎的材料放入瓶中到1/2體積處。

（6）用塑料叉攪拌瓶中的材料。如果有一些材料掉在泡沫托盤上，拿起瓶子，將泡沫托盤中的材料倒入瓶中，然后將泡沫托盤放回瓶底。

（7）在瓶壁外側(cè)做標(biāo)記，標(biāo)出瓶?jī)?nèi)材料的高度。用紗布封住瓶口，用橡皮筋固定紗布。將塑料瓶放在溫暖的地方。注意：離開實(shí)驗(yàn)室前，將雙手清洗干凈。

（8）兩周后，觀察瓶中的材料。觸摸并感受塑料瓶的溫度是否變熱或者變冷。注意：如果塑料瓶摸著很熱，立即告訴老師。

（9）實(shí)驗(yàn)觀察時(shí)，如果材料比較干，加一些水。每周用叉子攪拌實(shí)驗(yàn)材料，同時(shí)在塑料瓶外壁標(biāo)記材料的高度，并記錄。每次觀察后，用新紗布封住瓶口。注意：如果實(shí)驗(yàn)材料產(chǎn)生像臭雞蛋或醋一樣的異味，每次觀察后攪拌實(shí)驗(yàn)材料。

7. 分析和總結(jié)

（1）觀察：實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，材料是如何變化的？

（2）觀察：實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，瓶中材料的高度是如何變化的？

（3）觀察：瓶中材料完全分解需要多長(zhǎng)時(shí)間？

（4）觀察：你的“成品”堆肥是什么樣的？

（5）推斷：瓶中的材料是如何改變的？

（6）推斷：一些分解菌需要氧氣（占你呼吸的空氣的21%）。另一些分解菌不需要氧氣，氧氣對(duì)其無(wú)害。其它一些微生物產(chǎn)生緩慢或被氧氣殺死。你能推斷分解菌和堆肥有什么樣的關(guān)系？

（7）推斷：如果用于制作堆肥的材料沒(méi)有定期攪拌，可能會(huì)產(chǎn)生異味。解釋為什么會(huì)出現(xiàn)這種情況。

（8）預(yù)測(cè)：如果塑料瓶和實(shí)驗(yàn)材料經(jīng)過(guò)消毒，請(qǐng)預(yù)測(cè)實(shí)驗(yàn)結(jié)果如何，和你的實(shí)驗(yàn)結(jié)果一樣嗎？

8. 實(shí)驗(yàn)拓展

設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)證明光照、水分、溫度和空氣等因素對(duì)堆肥形成的影響。

二、實(shí)驗(yàn)對(duì)比及評(píng)價(jià)

1. 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)思路

該實(shí)驗(yàn)強(qiáng)調(diào)學(xué)生對(duì)生活事件的觀察，通過(guò)探究活動(dòng)，培養(yǎng)學(xué)生的基本技能，能夠更加深刻地理解科學(xué)的本質(zhì)，注重培訓(xùn)學(xué)生探究科學(xué)的方法、科學(xué)態(tài)度和培養(yǎng)創(chuàng)新的精神。

2. 人教版教材相關(guān)內(nèi)容呈現(xiàn)

人教版《生物必修3·穩(wěn)態(tài)與環(huán)境》第5章“生態(tài)系統(tǒng)及其穩(wěn)定性”中安排了實(shí)驗(yàn)“土壤微生物的分解作用”。實(shí)驗(yàn)以土壤中存在細(xì)菌等微生物為背景，通過(guò)研究落葉在不同環(huán)境中的分解時(shí)間，反映土壤微生的分解能力。實(shí)驗(yàn)以問(wèn)題導(dǎo)入，讓學(xué)生根據(jù)已有的知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)做出假設(shè)，并且設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案。教科書為學(xué)生提供了兩個(gè)參考案例，從不同角度證明了土壤微生物具有分解作用。

3. 中西合璧，揚(yáng)長(zhǎng)避短

兩種教科書的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)各有所長(zhǎng)。美國(guó)教材更注重培養(yǎng)學(xué)生觀察日常生活現(xiàn)象，提出問(wèn)題，嘗試解決問(wèn)題，在過(guò)程中不斷學(xué)習(xí)和體會(huì)科學(xué)的精神。由于學(xué)生自主探究，理論知識(shí)欠缺，可能會(huì)導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)耗時(shí)較長(zhǎng)。人教版教材比較注重實(shí)驗(yàn)原理和實(shí)驗(yàn)操作，實(shí)驗(yàn)理論方面比較扎實(shí)。該實(shí)驗(yàn)耗時(shí)較長(zhǎng)，也不是考試大綱要求的實(shí)驗(yàn)，很多學(xué)校都將實(shí)驗(yàn)課當(dāng)作理論課，導(dǎo)致學(xué)生背實(shí)驗(yàn)的現(xiàn)象屢見不鮮。因此，教師可以組織學(xué)生開展課外探究活動(dòng)，通過(guò)多種手段、多種形式、多種評(píng)價(jià)，既讓學(xué)生體驗(yàn)科學(xué)家的研究過(guò)程，又彌補(bǔ)了課時(shí)不足的缺陷，通過(guò)實(shí)驗(yàn)教學(xué)培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)素養(yǎng)。