融合STEM教育的生物科技探究活動
——以“探究紅花酢漿草對綠豆種子和幼苗的化感作用”為例

吳其蔓 溫可佳 伍艷霞 謝雪榮 陳學梅 胡位榮

（廣州大學生命科學學院 廣東·廣州 510006）

0 引言

STEM教育具有跨學科的特點，培養學生綜合運用科學、技術、工程和數學等領域的知識，進行探究性活動；而科技探究活動是指學生圍繞某一科學知識進行自主探究的學習活動，相對驗證性實驗而言，更有利于激發學生的探究欲望。[1]STEM教育和科技探究活動均強調實踐性，應用得當可有效培養學生的科學探究和科學思維等學科核心素養。[2]

當前高中生物的實驗教學存在“重視教師講解實驗，忽視學生探究實驗”的誤區，學生習慣“接受性學習”，很少通過自己的主動實踐去獲取知識，操作技能和思維創新能力得不到應有的提高。[3]隨著《普通高中生物學課程標準》（2017年版）生物新課標的實施，教師可組織學生在生物科技探究活動中，以小組合作的形式設計實驗方案，親自動手，感受實驗過程，獲得實驗結果并討論交流，通過具體的案例幫助學生認識科學、技術、工程和數學的相互關系，利于達成生物學科核心素養。以廣東省第三屆中小學科技活動方案設計大賽獲獎作品“探究紅花酢漿草對綠豆種子和幼苗的化感作用”為例，開展融合了STEM教育的探究性活動教學。

1 融合STEM教育的生物科技探究活動流程

1.1 情景引入，提出問題

為使生物實驗課堂貼近生活，增加其趣味性，教師先向學生介紹：紅花酢漿草即校園常見的開紅花的“三葉草”，在我國作為觀賞植物引入，后逸生為常見的田間惡性雜草，已被我國列為外來有害植物。[4]化感作用指一種植物通過釋放出化學物質對周圍植物的生長發育過程產生有益或有害的影響，[5]外來入侵物種的化感作用常常會抑制本地植物的生長。

接著引導學生思考問題：外來入侵物種紅花酢漿草對其他植物的萌發和生長起促進還是抑制的化感作用？其不同器官的化感作用是否一致？

1.2 作出假設，分組討論

學生作出假設：紅花酢漿草對其他植物的化感作用表現為抑制其他植物的萌發和生長，且不同器官的化感作用不一樣，主要是葉在起抑制作用。

為使學生進一步明確實驗目的和制定出實驗方案，教師將5-6個同學分為一個小組進行討論：（1）是否采用對照實驗的方法？（2）實驗材料如何選擇？自變量和因變量如何確定？（3）是否需要設置濃度梯度？（4）怎樣配制紅花酢漿草的根、莖、葉的提取液？（5）怎樣培養綠豆種子和綠豆幼苗？（6）怎樣將數據轉化成柱狀圖或折線圖？（7）如何減小實驗誤差？

1.3 制定方案，實施計劃

學生在教師引導下完成實驗方案，如表1，為培養學生的團隊意識和合作能力，教師將全班同學分成3個小組，分別負責“探究紅花酢漿草的根、莖、葉對綠豆種子萌發和幼苗生長的化感作用”，每組推舉一位組長，每組學生明確任務并各自分工。

表1 探究活動設計方案

表2 紅花酢漿草的根、莖、葉提取液（0.10g/mL）對綠豆幼苗的化感作用比較

1.4 分析結果，交流分享，延伸探究

各小組記錄數據后，繪制柱狀圖和折線圖，對實驗結果進行分析，判斷與假設是否相同并得出相應的實驗結論。

柱狀圖以“紅花酢漿草的根、莖、葉對綠豆種子發芽率的影響”為例：如圖1，3個小組的結論均為：一定濃度的紅花酢漿草的提取液表現出抑制綠豆種子萌發的化感作用。

圖1 紅花酢漿草的根、莖、葉對綠豆種子發芽率的影響

折線圖以“紅花酢漿草的根對綠豆幼苗生長的化感作用”為例，如圖2，負責“根”的小組分析并得出結論：紅花酢漿草根的提取液對綠豆幼苗的生長有明顯抑制作用，綠豆苗的主根受抑現象突出；且濃度越高、抑制作用越明顯。“紅花酢漿草的莖、葉對綠豆幼苗生長的化感作用”亦用折線圖表示。

圖2 紅花酢漿草的根對綠豆幼苗生長的化感作用

最后全班幾個小組共享數據，將數據繪制成表格，如表2所示。

全班同學分析交流后得出總結論：（1）紅花酢漿草對綠豆種子的化感作用表現為抑制綠豆種子的萌發；（2）紅花酢漿草的莖對綠豆幼苗生長產生逆濃度促進、高濃度抑制的化感作用，葉和根對綠豆幼苗產生抑制其生長的化感作用，且化感作用隨提取液濃度升高而增強。（3）同一植物不同器官的化感作用不同。總體來說，紅花酢漿草對綠豆種子和幼苗的化感作用從強到弱依次為葉＞根＞莖。

最后，教師需對學生的實驗結論進行針對性的評價，并引導學生展開“頭腦風暴”：討論有關外來入侵物種的防治措施，鼓勵學生對自己的學習情況進行總結與評價。[6]

2 科技探究活動的反思

2.1 科學（S）層面——學習科學的實驗探究方法

STEM理念與生物探究性實驗結合要求學生能夠以科學的方法進行探究性實驗，即針對現實世界的生物學問題或特定的生物學現象（紅花酢漿草肆意生長）進行觀察、提問、作出假設、設計實驗、實施方案以及對結果的交流與討論，在此探究過程中習得生物學知識（理解化感作用的含義），掌握科學的探究方法，比如遵照單一變量原則進行對照實驗。

2.2 技術（T）層面——掌握規范的實驗操作技能

基于STEM教育的生物探究實驗有一定的技術性，要求學生能正確使用實驗工具，進行準確的實驗操作，掌握搜集和處理信息的技能，如利用解剖刀分離紅花酢漿草的根、莖、葉三個部位、掌握水培種植技術、紅花酢漿草提取液的配制操作、準確測量主根長度和株高長度等。學生只有通過動手做實驗，才能掌握規范的實驗操作技能、形成嚴謹的科學實驗態度并進一步理解化感作用的含義。

2.3 工程（E）層面——聯系生活，學以致用

在生物教學中，STEM教育的工程性是指將所學生物科學知識應用于實際生產生活中。[7]本探究實驗中，教師引導學生聯系生活，討論外來入侵物種的化感作用在生活中的實際應用：（1）紅花酢漿草在一些地區仍被作為觀賞植物被大量引入，學生可以向大眾科普外來入侵物種紅花酢漿草肆意生長的危害，從而及時控制紅花酢漿草的蔓延；（2）展開“頭腦風暴”，討論防治措施：如開發新型綠色除草劑除去田間的紅花酢漿草。教師還鼓勵學生進行實驗創新：紅花酢漿草是否也能夠通過化感作用抑制其他雜草的生長？從而鍛煉學生的創新思維。

2.4 數學（M）層面——構建生物數學模型

生物數學模型指將實驗獲得的數據轉化為直觀的數學模型，對實驗結果進行定量描述，把復雜的生物科學問題形象化。本探究實驗中，學生需運用公式計算出提取液的稀釋比例。3個小組的學生記錄實驗數據后，在教師引導下根據公式計算出發芽率、相對主根長、相對側根數以及相對株高，繪制出柱狀圖、折線圖和表格，運用數學模型得出清晰的實驗結果，對化感作用這一抽象的概念有更直觀的了解，整理和分析數據的能力也得到了鍛煉。

3 結語

在本探究實驗中，學生能夠設計出探究性實驗方案并實施方案，掌握了4種科學的實驗方法：對照實驗法、培養皿濾紙法、水培法和數學模型法，科學探究能力得到鍛煉。在對實驗結果進行交流和總結后，能夠利用科學概念“化感作用”解釋紅花酢漿草肆意生長的生命現象，并發散思維討論如何利用“化感作用”解決生活中的實際問題，最后形成關注外來入侵物種以及保護生態環境的社會責任意識。綜上，融合了STEM教育的中學生物科技探究活動可以培養學生的綜合素質和生物學科核心素養。