“種群的數量變化”一節教學中學生STEM素養達成的實踐探索

許潤青

摘要：以“種群的數量變化”為例，嘗試培養學生的科學、技術、工程和數學等STEM綜合素養。

關鍵詞：種群的數量變化STEM素養 生物學教學

中圖分類號：G633.91 文獻標志碼B

STEM是科學（Science）、技術（Technology）、工程（Engineering）、數學（Mathematics）四個詞的縮寫。STEM素養的內涵在于重視科學、技術、工程和數學整合，提高學生探究和解決實際問題的能力，是當前國際上具有一定影響力的教育理念之一。我國新頒布的《普通高中生物學課程標準（2017年版）》（以下簡稱新課標）也高度重視學科間的聯系，強調生物學和數學、技術、工程學、信息科學是相互滲透、共同發展的。新課標學業質量水平部分也強調學生能夠基于生命觀念，將STEM知識和能力運用在實踐活動中，解決生活中的實際問題。如何在高中生物學教學中培養學生的STEM素養，筆者以人教版必修三第四章第二節“種群數量的變化”為例，結合課堂教學活動進行了嘗試，收到了較好的教學效果。

1本節內容涉及的STEM要素分析（表1）

2教學設計

2.1教材分析

“種群的數量變化”這節內容涵蓋種群數量的變化情況，包括種群數量增長的“J”型、“S”型、波動和下降曲線以及“探究培養液中酵母菌種群數量的變化”實驗等。本節內容的學習可為后續學習群落結構、生態系統的結構、功能、穩定性及生態環境保護等知識打下基礎。

2.2翻轉課堂，調整教材順序

課前，學生先進行酵母菌培養和純化技術、血球計數板結構和顯微計數技術的學習，然后，學生以小組合作的形式討論設計探究方案、實施實驗、觀察、計數、統計數據。課上進行小組匯報，再學習種群數量變化的“J”型、“S”型、波動和下降曲線。

2.3問題驅動下學生探究性實驗安排

“探究培養液中酵母菌種群數量的變化”是新課標中唯一通過實驗構建數學模型的實驗，非常重要。

根據學生討論和設計的實驗方案，教師將全班學生分成5組，每組學生帶著要思考的問題，利用1周左右的時間在實驗室各完成一項實驗。

第1組探究“酵母菌種群數量隨時問的變化”（每天定時分瓶并添加新的培養液，共7d），思考：數學模型建構的一般步驟是什么？

第2組探究“酵母菌種群數量隨時間的變化”（一定時間內原瓶培養，共6d），思考：如何對模型進行檢驗或修正？

第3組探究“不同溫度條件下酵母菌種群數量隨時問的變化”（共5d），第4組探究“不同pH條件下酵母菌種群數量隨時間的變化”（共5d）。小組共同思考：保護大熊貓和滅鼠的根本措施是什么？

第5組探究“酵母菌種群數量隨時問的變化”（一定時間內原瓶培養，共10d），思考：如何科學養魚、捕魚、售魚的工程學問題？

3基于發展STEM綜合素養的生物教學

3.1提高實驗操作技能，發展學生STEM技術素養

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。

首先生物興趣小組派代表出示課前實驗中的照片和視頻，介紹酵母菌培養實驗中涉及的滅菌技術、無菌操作技術、平板劃線和稀釋涂布平板法分離酵母菌技術，尤其是血球計數板顯微計數技術的具體操作方法和注意事項，讓其他學生在提高實驗操作技能的同時，真切感受到技術在生物科學中的重要作用，發展學生的STEM技術素養。

3.2建構數學模型，發展學生STEM數學素養

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。

3.2.1基于探究實驗1，構建種群數量“J”型增長的數學模型

第1組學生介紹本組實驗操作步驟、播放實驗過程片段視頻、照片，并提供每天定期取樣后所得實驗數據等，說明每次檢測后應馬上分裝到更大的容器中，并添加新的培養液，共完成7d的實驗。

教師指出：“在實驗室設置的培養條件下酵母菌1.5h繁殖一代，即一個酵母菌從孕育出芽到芽體脫落成一個獨立的個體需要1.5h，1個酵母菌可以變成2個。”

學生列出的過程如下：

0h：（1;2°）;

1.5h：（2;2¹）;

3h：（4;2²）;

4.5h：（8;2³）;

6h：（16;2⁴）;

教師引導學生推導種群數量“J”型增長計算公式，構建數學公式模型：Nt=Noλ^t（No為該種群的起始數量，t為時間，N1表示t年后該種群的數量，入表示一定時間內種群數量為初始數量的倍數）。接著，學生將第1組提供的實驗數據用Excel轉化成曲線模型，比較兩種模型的優缺點，思考酵母菌種群的增長規律，以及種群符合“J”型增長需要滿足的條件。學生總結回答課前思考題：數學模型建構的一般步驟為“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——通過進一步實驗或觀察等，對模型進行檢驗或修正”。

3.2.2基于探究實驗2，構建種群數量“S”型增長的數學模型

第2組的學生匯報“酵母菌種群數量隨時問的變化”研究成果，指出其操作要點與第1組基本相同，主要區別是不分裝也不添加新培養液，只在原瓶中培養，并用Excel把實驗數據繪制成坐標曲線。學生通過分析，認識到任何一個自然環境的資源和空間都是有限的，種群不可能一直呈“J”型增長，進而推導出種群的“S”型增長曲線，即邏輯斯蒂曲線。接著，學生在同一坐標中繪制同一種群的“J”型增長曲線和“S”型增長曲線，分析造成2條曲線差異的原因，引出對環境阻力及影響種群數量變化因素的分析，從而對前面構建的種群數量“J”型增長的數學模型進行了檢驗或修正。

3.2.3種群增長率和增長速率推導與比較

種群增長率和種群增長速率是描述種群增長的兩個重要的量，學生很容易把這兩個概念混淆，這一點甚至是一線生物教師的爭議點。

以種群的“J”型增長為例，根據種群數量“J”型增長計算公式：Nt=Nobt，教師引導學生推算出種群增長率和種群增長速率。

種群增長率=一定時間內增長的個體數量，初始個體數量=（這一次總數-上一次總數）/（上一次總數）×100%=（Noλ^t-Noλ^t-1）/Noλ^t-1x100%=λ-1，由于A是一個常數，所以種群增長率是一個定值。

種群增長速率=一定時間內增長的個體數量/時間=（現有個體數-原有個體數）/時間=（Noλ^t-Noλ^t-1）/1年=Noλ^t（λ-1）/年。此表達式清晰顯示，種群增長速率也是一個指數函數，“J”型增長的種群增長速率同樣呈指數增長的特征。

“S”型增長的種群增長率和種群增長速率，在高中階段的學習中不適合采用公式推導的方法進行定量分析，教師可以引導學生進行定性分析得出曲線。

3.3深化科學探究活動，發展STEM科學素養

科學知識、科學方法、科學探究、科學思維都屬于科學的范疇。本節內容用到四種科學方法：微生物培養法、抽樣檢測法、顯微觀察法、數學模型法。本節內容的主線則是“探究培養液中酵母菌種群數量變化”的系列探究實驗的分析。在實驗1和實驗2建構了種群增長的“J”型和“S”型數學模型的基礎上，教師引導學生進一步深入探究，養成高階科學思維，發展STEM科學素養。

3.3.1基于探究實驗3、實驗4，明確K值的生物學含義

第3組和第4組學生匯報探究“不同溫度、pH條件下酵母菌種群數量隨時問變化”的實驗過程、方法及依據實驗數據繪制的坐標圖。學生分析得出：K值會受環境因素影響，不是固定不變的，進而明確K值（環境容納量）的生物學含義，以及K/2的意義和價值。接著，教師引導學生分析課前思考題：大熊貓棲息地遭到破壞后，由于食物的減少和活動范圍的縮小，其K值就會變小，這是大熊貓種群數量銳減的重要原因。建立自然保護區，改善棲息環境，提高環境容納量，是保護大熊貓的根本措施。再結合“思考與討論”防治城市鼠害，進行討論：滅鼠時如果只采取殺死老鼠這一辦法，效果往往不好。更有效的滅鼠辦法是既殺死老鼠，又清除垃圾，嚴密儲存食物，使K值降低，這就從根本上限制了老鼠的種群數量。

3.3.2基于探究實驗5，總結種群數量變化的類型

第5組學生匯報探究“酵母菌種群數量隨時問的變化”的實驗操作過程、方法及數據，并依據實驗數據繪制成坐標圖，得出種群數量的變化還有波動和下降等其他類型，進一步對種群增長的“J”型和“S”型數學模型進行了檢驗或修正。

3.4項目驅動下的頭腦風暴，發展學生STEM工程素養

在國際科學教育領域，促進學科之間的融合與聯系，培養學生的科學技術素養，提高學生實踐能力已成為主流觀點。如何將生物科學與工程學進行整合是在中學生物學教學中培養STEM素養的關鍵。

教師促進學生開啟頭腦風暴：當前豬肉價格飛漲，許多家庭的膳食結構改為少吃豬肉，多吃魚了。請你運用本節課所建構的數學模型思考如何科學養魚、捕魚、售魚的工程學問題。

學生通過課前查閱資料，課堂熱烈討論后回答：

養魚：應該減少污染物排放，改善魚塘生態環境，提高所養魚種的K值;參考“四大家魚混合放養”模式，多種淡水魚類混合放養，提高各種魚的總產量;參考“桑基魚塘”模式進行生態養魚，既能獲得理想的經濟效益，又減少了環境污染。

捕魚：在數量方面當種群數量超過K/2后開始捕魚，捕獲后達到K/2，可以獲得持續捕獲量;在質量方面要考慮所捕魚的大小，要用超過一定大小網眼的漁網捕魚;針對不同時期的水域，制定相應的禁漁期，避開魚產卵繁殖期，以保證魚類資源的可持續發展。

售魚：意識到品牌效應的重要性，爭創知名品牌;針對人們對有機食品的喜愛，養有機魚，打有機牌;當前是網絡時代，可以開網店、微店等，充分利用互聯網銷售;不僅賣新鮮魚，還可以把魚加工成多種產品，如腌制魚、魚干、魚膠、魚子醬等;發展旅游業，建造魚莊或農家樂，游客既可以體驗釣魚的樂趣，又可以吃自己親手釣的魚燒出的各種菜品，很有成就感。

學生通過頭腦風暴，積極獻計獻策，運用并拓展本節所學知識和方法，探討解決現實生活、生產中的問題，把生物科學和工程學有機結合起來，發展了STEM綜合素養。