STEM理念下的生物學課程案例設計

陳惠如

(廣東省深圳市光明區馬山頭學校 深圳 518106)

生物學STEM課程案例是由一系列跨學科的活動組成[1]，筆者在教學實踐中對一些科學現象進行了STEM課程案例設計，具體如下：

1 水果電池

自然界中存在著許多活的“發電機”，如電鰩、電鰻等。它們能夠產生天然的電流，用于防御天敵、捕獲獵物等，以更好地在自然界中生存。水果電池，就是用水果制作成的電池，但也不是任何一種水果都可以制作而成的，一定要是含有果酸的水果，如檸檬、酸橙、蘋果、梨和菠蘿等，這是由于水果中的果酸可作為電解質來構成導通回路。

原理： 水果中的酸性液體相當于電解質溶液，由于銅和鋅(鎂)的金屬活性不同，其中較活潑的金屬鋅(鎂)能置換出酸性液體中的氫離子——鋅，電極上的鋅單質脫去電子形成鋅離子，進入酸性液體中；脫去的電子通過導線流到銅電極，與酸性溶液中的氫離子結合，形成氫氣分子，導線中的電流驅動數字時鐘或發光二極管工作。

材料用具： 橙子、西紅柿、蘋果等新鮮多汁的水果、1.5 V堿性干電池2節、1.5 V螺口小電珠、大頭針、銅片若干、鋅片若干、導線若干、水杯、鱷魚夾線、數字時鐘、發光二極管。

活動步驟： ①將橙子等水果用手按壓使其松軟多汁；②把準備好的銅片、鋅片裁剪成長方形；③把銅片、鋅片與導線連接；④把銅片和鋅片成對插入橙子中并連接數字時鐘或發光二極管；⑤觀察數字時鐘是否接通或發光二極管是否發光(圖1)，若接通則說明產生了電流。

圖1 橙子電池

思考與討論： ①為什么要將橙子等水果用手按壓？②水果中的水主要是自由水還是結合水？③如果想讓電池的電壓更大，可以怎樣連接？

2 體驗虹吸式口器模型

虹吸式口器是鱗翅目成蟲所特有的，包括蛾、蝶兩類昆蟲。成蟲多以花蜜等作為補充營養，如桃小食心蟲、蘋果小卷葉蛾、棉鈴蟲、菜粉蝶和印度谷螟等。它們顯著的特點是具有一條能彎曲和伸展的喙(虹吸管)，適于吸食花粉管底部的花蜜。

圖2 公道杯

古代漢族飲酒器具——公道杯(圖2)，就是模仿昆蟲的虹吸式口器制成的，是一件既有科學技術原理，也富含人生哲理的盛酒器具。杯中央立一龍頭，體內有一空心瓷管(相當于昆蟲的虹吸管)，管下有一個通杯底的小孔，向杯內注水時，若水位低于瓷管上口，水不會漏出；當水位超過瓷管上口，水即通過杯底的漏水孔漏光。那如何模仿昆蟲的虹吸式口器來仿制一個公道杯？

材料用具： 礦泉水瓶、可彎吸管、熱熔膠槍。

活動步驟： ①取一礦泉水瓶，先把礦泉水瓶分成兩半；②在瓶蓋上打孔放入吸管；③用熱熔膠把吸管固定，封住縫隙；④往杯子里倒入水，水一旦倒滿，就會從杯子里漏出去。

思考與討論： 以構建虹吸式口器模型為依托，將“科學、技術、工程和數學”整合到教學活動中，在動手操作中探究得出虹吸式口器的特點，進而理解“結構和功能相適應”的生命觀點。

3 “爬行高手”的秘密

壁虎可以說是動物界爬行能力最強的動物，甚至可以在光滑的玻璃上爬行。為什么壁虎在天花板或光滑的玻璃上都能“健步如飛”呢？

原理： 壁虎能在光滑的玻璃上自由行走，主要是靠它前肢和后肢的指、趾。它們的前后肢每一個指、趾端都有一褶一褶的瓣，瓣與瓣間形成一條條溝稱之為吸盤。它們靠這些吸盤來增加指趾與玻璃面之間的摩擦。雖然，每個吸盤產生的力量微不足道，但累積起來就很可觀。因此，它能在天花板上或光滑的玻璃上行走而不會掉下來。

活動步驟： ①把兩本書放到桌子上，把裝訂的一邊相對；②把書本的每一頁依次互相重疊；③直到所有的紙張都重疊在一起，此時輕輕壓合一下(排出空氣)；④雙手把書拿起來，就難以將它們分開。

思考與討論： 本案例以生活中常見現象為出發點吸引學生的興趣，用紙張的重疊來模擬壁虎趾端的吸盤，該活動操作簡單，學生能深刻地體會到雖然每個“吸盤”產生的力量微不足道，但較多“吸盤”累積起來的力量，會產生意想不到的效果，可培養學生遷移思維能力。

4 體驗視覺的錯覺

視覺錯覺對于大腦來說是一種真實的感知覺，它反映的是人視網膜物理(光)輸入和大腦皮層視覺中樞感知之間的不一致，是人類大腦通過復雜的腦區之間的相互作用和海量神經計算而產生的。人類在自然生活中，由于視覺刺激和場景的不同，再加上觀察者生理和心理上的差異，可以自覺和不自覺地感知到諸如大小、顏色、形狀和位置等視覺錯覺。

活動步驟： 展示圖3和圖4，其中圖3內圓周圍分別圍繞的是更大的圓、更小的圓，學生會誤以為2個內圓的大小不同；圖4是3個人身高的比較實驗，由于他們所處的背景是一個逐漸收縮的視野，所以學生會根據經驗判斷遠處的物體大于近處的物體。

圖3 比較兩個內圓的大小

圖4 比較三個人身高

思考與討論： 對物體大小的感知，源于物體在視網膜上所形成的物像的大小。同一物體在視網膜上構成物像的大小，常因所觀察物體距離遠近而改變，距離愈遠，物像愈小。如一輛汽車從遠處向近處駛來時，投射到我們視網膜上的物像會產生一個由小到大的變化過程。但是對于不知實際尺寸的物體，并不能通過視網膜上的物像大小來判斷其真實的大小，所看到的物體大小錯覺通常受到背景環境的影響。如圖4就是通過添加的一些輻射線條，會造成對視覺深度的錯覺，進而導致大腦對物體的大小產生了誤判。