在探究實驗中滲透STEM教育

孫茂雪

2014年，上海STEM云中心成立，STEM教育由此進入中國。STEM是科學（Science）、技術（Technology）、工程（Engineering）、數學（Mathematics）4個詞的縮寫。STEM教育旨在培養學生綜合運用科學、技術、工程、數學知識進行創新實踐的能力，以及鍛煉學生運用科學的方法解決實際問題的能力。下面將以“探究培養液中酵母菌種群數量的動態變化”實驗為例，探討如何將科學、技術和數學的思維融于高中生物的探究實驗。

1 探究實驗中的科學方法

科學是人們研究自然、社會、思維的本質及其規律所獲得的一種知識體系，是科學知識、科學方法和科學精神構成的統一整體。高中生物課程標準對科學方法有著非常具體的敘述：發展科學探究能力，初步學會：① 客觀地觀察和描述生物現象；② 通過觀察或從現實生活中提出與生物學相關的、可以探究的問題；③ 分析問題，闡明與研究該問題相關的知識；④ 確認變量；⑤作出假設和預期；⑥ 設計可行的實驗方案；⑦ 實施實驗方案，收集證據；⑧ 利用數學方法處理、解釋數據；⑨ 根據證據作出合理判斷；⑩ 用準確的術語、圖表介紹研究方法和結果，闡明觀點；？輥？輯？訛 聽取他人的意見，利用證據和邏輯對自己的結論進行辯護以及作必要的反思和修改。

“探究培養液中酵母菌種群數量的動態變化” 是《必修3·穩態與環境》的一個探究課題。在這個探究活動中用到了4種科學方法：① 微生物培養法；② 抽樣檢測法；③ 顯微觀察法；④ 數學模型法，所以該實驗是一項有著多方面意義和價值的探究活動。

圖1是“培養液中酵母菌種群數量的動態變化”教學設計思路。

1.1 提出問題

科學研究始于問題，教材中提出的問題是：培養液中酵母菌種群的數量是怎樣隨時間變化的？教師可以進一步引導學生，依據所學知識，分析酵母菌生長的條件與種群數量增長之間的關系，提出探究的問題。例如，在不同溫度（或通氧、通CO2等）條件下酵母菌種群數量增長的情況如何？不同培養液（如加糖和不加糖）中酵母菌種群數量增長的情況如何？……

1.2 作出假設

作出假設可以使科學研究更有針對性，而不是盲目搜集資料進行研究。作出假設需要立足于已有知識，當然更需要學生充分發揮想象力和創造力。在教學中，教師要鼓勵學生積極大膽地提出假設，但同時，也應提出“合理提出假設”的要求，要圍繞問題，根據預期結果作出符合邏輯的假設。

1.3 討論探究思路

這是開展探究活動的重要內容之一，通過探討能使學生明白實驗設計的基本原理，在具體操作時做到心中有數。

1.4 制定計劃

本實驗時間較長（7 d），因此，教師事前一定要做好周密的計劃，定程序、定時間、定人員。在制訂計劃前，還需要討論以下問題：① 酵母菌培養液的準備要注意哪些問題？② 怎樣進行酵母菌的活化和接種？③ 怎樣進行酵母菌的培養？④ 整個實驗過程中，從靜置的試管中取培養液計數應怎么做？⑤ 如果一個小方格內酵母菌過多，難以數清，應當怎么做？⑥ 怎樣進行酵母菌的計數、記錄和計算？記錄表怎樣設計？計算的公式是什么？⑦ 本探究需要設置對照嗎？如果需要，請討論對照組應怎樣設計和操作？如果不需要，請說明理由。⑧ 需要做重復實驗嗎？⑨ 造成實驗誤差的可能因素有哪些？如何減小實驗誤差？

1.5 實施計劃

學生分小組，按計劃中確定的工作流程，課后認真操作，做好實驗記錄。

1.6 分析結果，得出結論

學生將記錄的數據用曲線圖表示出來，分析實驗結果是否支持所做的假設。

1.7 討論與交流

① 各組向全班匯報本小組7 d的數據，算出每一天全班各組數據的平均值，根據平均值重新畫出酵母菌種群數量的增長曲線。將這個增長曲線與本組的曲線進行比較，分析其相似程度，并做出合理的解釋。② 各小組分析根據各小組平均數據畫出的增長曲線有沒有總趨勢，并作出說明。③ 各小組分析影響酵母菌種群數量增長的因素。

本次探究活動使學生掌握科學探究的一般過程和方法，養成實事求是的科學態度，培養小組合作學習的能力。

2 探究實驗中的操作技能

技術是根據生產實踐或科學原理而發展成的各種工藝操作方法和技能，以及相應的材料、設備、工藝流程等等。科學實驗是一種技術性很強的工作，它的成功與否很大程度上取決于能否找到和掌握一種巧妙的實驗方法和實驗的技能。按照《普通高中生物課程標準（實驗）》，高中學生應該掌握的實驗操作技能主要有：① 熟練使用高倍顯微鏡；② 制作臨時裝片與徒手切片；③ 研磨與過濾；④ 紙層析；⑤ 水浴加熱；⑥ 物理模型的制作；⑦ 血球計數板的使用與計數；⑧ 消毒與滅菌；⑨ 土壤中小動物的采集；⑩ 生物繪圖等。

“探究培養液中酵母菌種群數量動態變化”的活動，在探究過程中涉及多項實驗操作技能，如利用移液管（移液槍）準確移取一定量的溶液；利用血細胞計數板對培養液中的酵母菌細胞進行計數；推導細胞總數的計算公式；顯微鏡的使用等。

2.1 示范與強化

以“探究培養液中酵母菌種群數量動態變化”實驗為例，血球計數板是一種實驗者可以量化酵母菌種群密度的顯微計數工具。在血球計數板的使用過程中，需要用“滲入法”滴加菌液。先將血細胞計數板用擦鏡紙擦凈，在中央的計數室上加蓋專用的厚玻片，然后用拇、中二指夾住血球計數板一端的兩側，無名指托在下面，食指尖輕輕壓住蓋片邊緣，稍稍傾斜計數板，再用另一只手持滴管吸取待測菌液，沿蓋片邊緣與計數平臺之間的空隙輕輕靠一靠，使菌液滲入計數室。多余的菌液用吸水紙吸取，稍待片刻，使酵母菌全部沉降到血細胞計數室的底部。教師示范操作后，學生開始獨立操作，反復訓練。教師在示范的過程中，要多設計問題，不僅讓學生知道做什么、怎么做，也要讓學生懂得為什么要這么做。學生的生物實驗技能是在不斷的實際操作中形成和發展的。只有通過動手做實驗，學生的操作技能才能得到提高，才能增強實驗結果的可信度和實驗的成功率。

2.2 改進與創新

高中生物學教材中對實驗中的操作要點都有較為明確而科學的規定，但是在實驗過程中也會由于操作技能和實驗時間等原因受到一些限制。在不影響實驗效果的前提下，教師可以引導學生對一些實驗的操作方法做一些改進。如：① 樣品稀釋的方法是：如果酵母菌濃度過大，應先稀釋。將9 mL無菌水用移液管移入1支滅菌過的試管里，然后立即將1 mL培養液移入試管里并充分混勻，使原培養液被稀釋10倍。樣品稀釋的目的是便于酵母菌懸液的計數，以每小方格內含有4～5個酵母細胞為宜，一般稀釋10倍即可。由于移液管操作難度較大，可以使用醫用注射器定量轉移溶液，一次性注射器不需滅菌，也減少了污染機會，便于對液體進行定量操作，能有效避免對容器口部的污染，且推注過程還可以起到振蕩混勻的作用。② 為了避免學生多次取樣造成培養液污染，可采取多支試管分別培養，每管只取樣一次等。在探究實驗中，學生感受實踐，嘗試創新，提高創造力。

實驗操作技能是對知識的應用和能力發展水平的體現，培養和提高學生的實驗操作技能，有利于學生鞏固知識、發展能力、形成良好的行為習慣和意志品質。

3 探究實驗中的數學模型

數學模型是用數學語言描述的一類模型，對研究對象的生命本質和運動規律進行具體的分析、綜合，用適當的數學形式（如數學方程式、關系式、曲線圖和表格等）來表達，并能依據構建的模型作出判斷和預測。在科學史上，牛頓等很多偉大的科學家都是建立和應用數學模型的大師，如力學中的牛頓定律、電磁學中的麥克斯韋方程、化學中的門捷列夫周期表、生物學中的孟德爾遺傳定律等，都是經典的應用數學模型的光輝范例。

數學模型的建構的一般步驟為：“觀察研究對象，提出問題→提出合理的假設→根據實驗數據，用適當的數學形式對事物的性質進行表達→通過進一步的實驗觀察等，對模型進行檢驗或修正。”在探究酵母菌種群數量的變動特點的實驗中，教師可以通過建立數學模型進一步解釋生物現象，揭示生命活動規律，具體過程如下。

3.1 模型準備

要構建一個數學模型，首先教師要求學生了解問題的實際背景，明確建模的目的，并搜集必需的各種資料和信息，盡量弄清楚對象的特征。在這一數學模型的構建中，研究對象是“酵母菌”，一般是進行出芽生殖。建模的目的是通過觀察研究對象，發現問題，探究酵母菌種群數量的變動特點，了解在封閉環境中酵母菌種群數量的變化規律。這是建立數學模型的基礎，在這一基礎上運用數學方法將生物學問題轉化為數學問題。

3.2 模型假設

合理提出假設是數學模型成立的前提條件，假設不同，所建立的數學模型也不相同。在此建模中提到的假設是“在資源和空間有限的環境中，酵母菌種群經過一定時間的增長后，數量趨于穩定的增長曲線為‘S型曲線。”

3.3 模型建構

對實驗結果運用數學語言進行表達，根據記錄的表格數據平均值畫出培養液中酵母菌種群數量的變化曲線，建立數學模型。教師引導學生討論分析實驗的結果與假設是否一致，從而得出結論。需要指出的是，當呈現為某種數學模型時，教師一定要讓學生認識到數學模型所蘊涵的生物學意義，要避免離開生物學討論數學的傾向。

3.4 模型的檢驗和修正

生物學中大量現象與規律是極為復雜的，存在著許多不確定因素和例外的現象，需要通過大量實驗或觀察，對模型進行檢驗和修正。所以，教師要用每個小組的記錄數值所描種群數量的變化曲線與全班的平均值作出的曲線比較，并作出解釋。同時，教師還可以讓學生在不同溫度、pH、營養等條件下進行上述實驗，探究酵母菌種群數量增長的最適溫度、最適pH、培養液的濃度等等，并構建相應的數學模型。這樣使學生認識到模型的構建是一個不斷發展和完善的過程。

在生物學科中進行構建數學模型思維的滲透，把復雜的研究對象轉變為數學問題，經過合理簡化后，建立一個能用數學方法揭示研究對象規律的數學關系式，不僅可以使學生體會到生物學并非是一門理解型的自然科學，而且可以使學生感覺到利用構建數學模型的思維結合生物學理論知識，很好地解決一些生物學實際問題，使學生的知識能發生正遷移，起到舉一反三的效果。同時，學生通過親自研究一個真實的種群，可加深對種群數量變化知識的理解，并且培養收集、整理、分析數據的能力。