高中生物實驗與STEM教育的融合
——以“探究生長素類似物促進插條生根的最適濃度”為例

謝雪錦

（廈門市松柏中學 福建廈門 361000）

STEM教育以跨學科的形式整合了科學（Science）、技術（Technology）、工程（Engineering）和數學（Mathematics），突出學生在新情境下探究和解決問題，充分體現對學生能力和素養的培養。下面以“探究生長素類似物促進插條生根的最適濃度”實驗為例，探討在高中生物實驗教學中開展STEM教育，將科學、技術、數學和工程的思維進行融合。

1 學習科學方法——理解STEM教育的科學性

《普通高中生物學課程標準（2017年版）》關于“科學探究”的描述是：指能夠發現現實世界中的生物學問題，針對特定的生物學現象，進行觀察、提問、實驗設計、方案實施以及對結果的交流與討論的能力。2018年高考全國統一考試大綱對科學方法的具體要求是：發展科學探究能力，初步學會獨立完成相應的生物實驗，理解具體實驗目的、原理、方法，了解操作步驟，掌握相應操作技能，靈活運用這些實驗涉及的方法和技能；具有驗證簡單生物學事實的能力，能分析、解釋實驗現象和結果，收集和處理數據；具有初步探究特定情境中生物學問題的能力，學會運用觀察、實驗與調查、假說演繹、建立模型與系統分析等科學研究方法；能恰當地評價和修訂簡單的實驗方案。

“探究生長素類似物促進插條生根的最適濃度”是人教版高中生物《必修3·穩態與環境》第三章第二節“生長素的生理作用”的一個探究課題。在這個探究活動中用到了預實驗法、對照實驗法和數學模型法3種科學方法。此探究實驗對培養學生的生物學學科核心素養是非常有意義的。

本實驗教學設計思路：根據不同濃度生長素對植物不同器官的作用的曲線圖，提出生長素類似物促進植物插條生根的最適濃度→分析確定本實驗變量→提出假設→制定實驗方案→各組交流實驗方案→小組互評，師生討論、評價，優化各自方案→進行預實驗→學生實施實驗方案，引導學生注意實驗的有關問題，記錄實驗過程，收集實驗數據→利用數學方法對收集的數據進行分析、解釋，并做出合理判斷→小組交流評價，做必要的反思和修改，提出進一步探究的問題。

1.1 提出問題

教師引導學生提出問題：促進某種植物插條生根的生長素類似物最適濃度是多少？學生主動思考，根據所學知識，分析生長素類似物濃度與插條生根之間的關系，提出問題。如，選取一年生與兩年生插條是否有區別？不同的培養方法（水培法、砂培法）、不同溫度條件對插條生根有什么影響？

1.2 做出假設

學生提出假設：適宜濃度的生長素類似物（如NAA）可以使插條基部的薄壁組織中的細胞恢復一定的分裂能力，形成愈傷組織，在生長素類似物的誘導下長出不定根。

1.3 分組討論

教師展示問題，學生分組討論：①利用預實驗記錄，根據插條生根數目確定比較適宜的濃度范圍②是否采用對照實驗的方法，確定的實驗變量是什么？③自變量和因變量如何確定？④為何要選取一年生的枝條？枝條下端為何要削成斜面？為什么要每組五支插條？⑤有一組浸沒在清水中的意圖是什么？⑥怎樣配制生長素類似物溶液？⑦怎樣培養插條？⑧如何觀察和記錄插條的生根情況？怎樣設計記錄表？⑨是否做重復實驗？⑩造成實驗誤差的因素是什么？如何減小誤差？

這樣可以使學生進一步掌握實驗原理，厘清探究思路。

1.4 制定計劃

本實驗用時15 d左右，各小組在實驗前要制定好實驗計劃、定時間、定人員，將任務分解。

1.5 實施計劃

各小組按計劃中確定的工作流程，認真操作，分工協作，各司其職，實事求是對插條生根情況進行觀察和記錄。

1.6 分析結果

各小組根據記錄，及時整理數據，繪制成表格或曲線圖，對實驗結果進行分析，與實驗預測是否相同，得出相應的實驗結論。每組都要對實驗結果進行分析，看看是否支持自己實驗前的假設。

1.7 交流分享

實驗結束后，以小組為單位匯報各組的實驗數據，根據數據重新畫出生長素類似物促進插條生根的最適濃度的曲線圖。各小組將此圖形與教材提供的圖形進行比較，分析它們異同點，并做出解釋；說明各組的實驗結果與實驗預測是否一致；分析插條生根的生長素類似物最適濃度不同的影響因素。

各小組在全班交流實驗探究過程的收獲與體會。在實驗過程中，學生掌握科學的實驗方法，體驗科學實驗的一絲不茍，初步形成嚴謹的科學實驗態度，與同學協作并分享成功的喜悅，提升小組的合作學習能力。

2 掌握操作技能——運用STEM教育的技術性

科學實驗要求有一定的技術性，STEM教育基于技術，融合科學與工程。學生必須具備一定的生物實驗技能和實驗方法，如能利用解剖刀制作插條、配制生長素類似物溶液、用膠頭滴管和量筒配制生長素類似物溶液、消毒、定時更換培養液、根據記錄進行繪圖等，通過自己動手操作能順利完成本實驗，進一步理解生物科學的本質，感受到實驗探究的樂趣。

2.1 規范操作

此實驗中先對解剖刀進行消毒，用解剖刀將插條切出一個斜面（大約30°）約3 cm，制備好插條；準備好一系列濃度梯度的生長素類似物。教師演示膠頭滴管和量筒的規范使用。①吸液：用右手的拇指和中指緊握住膠帽，膠頭滴管直立起來，將滴管放入液體中，拇指和中指放松，松開膠帽，液體進入滴管。②移液：將膠頭滴管取出來，然后移到要放置的量筒里，用力捏一下膠頭液體就進到量筒了。③量筒的使用：左手拿住量筒，右手拿試劑瓶，使瓶口緊挨著量筒口，讓生長素類似物溶液緩緩流入，當注入的量比所需要的量稍少時，將量筒放平，改用膠頭滴管滴加到所需要的量。在教師演示后，學生反復獨立訓練。教師在示范的過程中，要多設計問題，使學生知道怎么做以及為什么這么做。學生只有通過動手做實驗，實驗技能才能得到提高和發展、掌握科學實驗的真諦。

2.2 實驗創新

高中生物每個實驗的操作要點都有明確的科學規定。教師除引導學生完成規定的實驗外，還要鼓勵學生進行實驗創新：①實驗方法創新：本實驗使用水培法，如果改成砂培法會效果如何？最適濃度是否發生改變？②材料選擇創新：插條種類的選擇，采用三角梅插條、大葉榕插條、月季呢？③插條用豆芽菜替代，效果如何？④用落地生根提取液代替生長素類似物，效果如何？學生根據此思路進行探究實驗創新，參加市青少年科技創新賽獲二等獎，在收獲成功的同時創新能力也得到了提高。

掌握實驗操作方法，能將知識學以致用，是能力發展的水平的一種體現。生物學實驗技能的提升對于學生鞏固知識、發展能力不可或缺。

3 建構數學模型——領會STEM教育的數學性

高中生物數學模型是將實驗獲得的數據，用一定的數學語言或數學形式對預設的實驗假設進行定量描述的一種模型。數學模型能充分體現生命與生命規律的科學本質，有助于學生作出合理的判斷和闡述。

本實驗通過建立數學模型，觀察插條的生根情況。學生經歷“提出問題→作出促進插條生根的生長素類似物最適濃度的假設→利用實驗數據畫出曲線圖→繼續實驗→對模型進行檢驗或修正”，利用所建立數學模型來解釋生長素類似物促進插條生根的生物現象，從而揭示生命活動規律。

3.1 模型準備

此模型的研究對象是“插條的生根情況”。建模的目的是通過觀察研究對象，發現問題，探究生長素類似物促進插條生根的最適濃度。教師引導學生建立數學模型，促進學生用數學的方法來解決復雜的生物科學問題。

3.2 模型假設

數學模型的建構需要提出合理的假設，針對不同的假設，所建構的數學模型也會不同。在此數學模型建構中提到的假設是“所選定的生長素類似物促進某種插條的最適濃度是多少”。

3.3 模型建構

學生對實驗數據進行分析處理，取平均值，根據實驗數據畫出生長素類似物促進插條生根的最適濃度的曲線圖，建立數學模型。教師要引導學生討論、分析結果與假設是否一致，從而得出結論，并組織學生對數學模型所蘊含的生物學意義進行討論。

3.4 模型的檢驗和修正

生物學的現象和規律是比較復雜的，因此還要對模型進行檢驗和修正。每個小組根據自己的實驗數據繪制曲線圖，并與其他組所繪制的進行比較，也可以和全班的平均值做出的曲線圖進行比較，主動思考做出相應的解釋。教師可建議學生對在15℃、20℃、25℃、30℃等不同溫度、不同生長時間的插條（一年生、二年生的插條）、不同植物的插條、不同的生長素類似物等實驗條件進行比較，根據實驗結果構建相應的數學模型，讓學生理解科學是不斷發展和進化的，建構的模型也在不斷地完善之中。

在高中生物學習中，建構數學模型，把復雜的問題轉變為數學問題，學生可以體會到生物與數學的緊密結合，可以更快更好地解決生物學問題，感受到跨學科的優勢，實現知識的遷移，加深對知識的理解，同時提升對數據收集、整理和分析的能力。

4 運用生物規律——完善STEM教育的工程性

在高中生物教學中，STEM教育的工程性是指將所學生物科學知識應用于生產生活實際中。

4.1 運用規律，解釋現象

學生根據學習獲取的知識，解釋：植物在生長過程中，為什么根總是表現為向地生長，莖表現為背地生長？教師點撥歸納，促進知識的深化和鞏固。

4.2 聯系實際，學以致用

教師引導學生聯系生活，討論生物學原理的應用。①森林木材的保持：應用頂端優勢。②棉花、番茄、果樹的多結果，行道樹、綠籬的處理：去除頂端優勢。③單子葉植物中去除雙子葉植物的雜草：生長素類似物的最適濃度不同。④無子番茄的培育：生長素類似物促進子房發育成果實，且有最適濃度。⑤促進月季花、玫瑰的插條生根：解決插條不容易生根問題。⑥盆景造型的制作。

將高中生物實驗與STEM教育融合，學生在掌握實驗的科學方法、實驗的操作技能的同時，將生物問題轉化為數學問題，并將所學知識運用于生產生活實際中，充分體現對學生能力和素養的培養，有利于創新人才的發展。