基于核心素養(yǎng)的探究活動開發(fā)與實(shí)踐
——以“調(diào)查深圳五大河流抗生素耐藥菌的實(shí)驗(yàn)研究”為例

楊玲玲 陳興華

（深圳第二外國語學(xué)校 廣東深圳 518110）

1 探究活動的開發(fā)背景

《普通高中生物學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版）》（以下簡稱《課程標(biāo)準(zhǔn)》）強(qiáng)調(diào)學(xué)科核心素養(yǎng)的重要性，并指出科學(xué)探究活動的設(shè)計(jì)和安排要真正起到激發(fā)思維、培養(yǎng)能力的作用。針對人教版普通高中生物選修1“專題2微生物的培養(yǎng)與應(yīng)用”的內(nèi)容，《課程標(biāo)準(zhǔn)》明確指出“教師既要使用講授演示的方法進(jìn)行教學(xué)，更要為學(xué)生提供實(shí)驗(yàn)條件及必要的參考資料，指導(dǎo)其設(shè)計(jì)和進(jìn)行實(shí)驗(yàn)”，推薦開展配制培養(yǎng)基、滅菌、接種、培養(yǎng)、計(jì)數(shù)等實(shí)驗(yàn)操作，以及分離土壤中分解尿素的細(xì)菌，并進(jìn)行計(jì)數(shù)。考慮到學(xué)生對分解尿素的細(xì)菌比較陌生，結(jié)合高中生的認(rèn)知程度和興趣指向，將教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行以下拓展：在深圳市各級“河長”的嚴(yán)格管理和保護(hù)下，深圳河流水質(zhì)得到了明顯改善，肉眼可見的垃圾基本絕跡，但是河流中的抗生素污染無法通過肉眼觀察，而抗生素耐藥菌感染數(shù)量的增加已經(jīng)嚴(yán)重威脅到全球公共健康。那么，深圳河流中抗生素耐藥菌的含量如何呢？

依據(jù)本章核心概念“通過調(diào)整培養(yǎng)基的培養(yǎng)可以有目的的培養(yǎng)某種微生物”，以及現(xiàn)代生物進(jìn)化理論中的原理——“抗生素的長期濫用可加速耐藥性細(xì)菌在環(huán)境中繁殖與散播”，師生共同設(shè)計(jì)了“以調(diào)查深圳五大河流中抗生素耐藥菌”為主題的探究活動，旨在使教學(xué)內(nèi)容情景化、課程內(nèi)容結(jié)構(gòu)化，將學(xué)科知識延伸到課外，引導(dǎo)學(xué)生從不同的角度和高度關(guān)注抗生素污染這一社會熱點(diǎn)問題，最終落實(shí)到對學(xué)生的生物學(xué)核心素養(yǎng)的培養(yǎng)上。

2 探究活動的實(shí)施過程

2.1 文獻(xiàn)檢索和資料查詢

以“抗生素and耐藥and（河流or水體）”為關(guān)鍵詞進(jìn)行檢索，共檢索到19篇相關(guān)文獻(xiàn)，研究內(nèi)容主要分為水體中抗生素抗性基因分布的檢測和抗生素濃度的測定兩大類，其中徐維海博士等人曾經(jīng)測試過珠三角重要水體中抗生素的含量水平和分布，并分析了其中潛在的生態(tài)風(fēng)險。未檢索到通過耐藥菌的種類和數(shù)量反映深圳主要河流抗生素污染的文獻(xiàn)。除了文獻(xiàn)數(shù)據(jù)庫，教師還可引導(dǎo)學(xué)生從圖書館、政府網(wǎng)站、新聞報(bào)道、博物館等多種途徑搜集抗生素污染的相關(guān)資料。

2.2 微生物培養(yǎng)技術(shù)的校內(nèi)外學(xué)習(xí)

借助校本選修課程平臺，參考人教版普通高中生物《選修1·生物技術(shù)實(shí)踐》的操作，以校園內(nèi)小水池的水樣為樣品，在生物探究室學(xué)習(xí)配制培養(yǎng)基、滅菌、接種、培養(yǎng)、計(jì)數(shù)等實(shí)驗(yàn)操作。同時，組織學(xué)生參觀深圳大學(xué)化工學(xué)院和生命科學(xué)學(xué)院的實(shí)驗(yàn)室，使學(xué)生體驗(yàn)真實(shí)的科學(xué)研究氛圍，進(jìn)一步熟悉微生物培養(yǎng)相關(guān)的實(shí)驗(yàn)技能。

2.3 采樣點(diǎn)的確定和水樣采集

深圳河流眾多，根據(jù)2003年深圳全市河道堤防普查成果，集雨面積大于1 km2的河流共計(jì)310條。其中流域面積大于100 km2的河流有5條，即深圳河、茅洲河、龍崗河、坪山河、觀瀾河。為了使調(diào)查對象更加具有代表性，最終確定從這五大河流中采樣，每條河流選擇1或2個水質(zhì)差異顯著的采樣點(diǎn)。采集水樣時，先用繩索把已滅菌的藍(lán)蓋試劑瓶瓶口綁緊，隨后將瓶子扔入河水中，灌滿水后將瓶子提起來，檢測水樣pH，蓋緊瓶蓋，編號后置于4℃冰箱中保存。同時在表格中記錄采樣地點(diǎn)、水體澄清程度、是否有氣味、pH、河道植被覆蓋情況。

2.4 抗生素的選擇與配制

市面上在售的抗生素種類繁多，按化學(xué)結(jié)構(gòu)可分為青霉素類、頭孢菌素類、氨基糖苷類、四環(huán)素類、氯霉素類、大環(huán)內(nèi)脂類等，從中選擇容易購買的紅霉素（大環(huán)內(nèi)脂類）、鹽酸四環(huán)素（四環(huán)素類）、硫酸鏈霉素（氨基糖苷類）、硫酸卡那霉素（氨基糖苷類）4種抗生素。參考產(chǎn)品說明書和《分子克隆實(shí)驗(yàn)指南》上介紹的相應(yīng)抗生素的配制方法和使用濃度進(jìn)行配制，使用醫(yī)用一次性無菌針筒和含0.22 μm濾膜的過濾器過濾除菌后，存儲于4℃冰箱備用。因購買的硫酸卡那霉素是注射液，直接稀釋后存儲于4℃冰箱。

2.5 水樣接種與檢測

選擇觀瀾河某醫(yī)院出水口和觀瀾河大橋下的水樣做預(yù)實(shí)驗(yàn)，用于確定水樣的稀釋倍數(shù)、接種量、培養(yǎng)時間等，為正式實(shí)驗(yàn)摸索條件。預(yù)實(shí)驗(yàn)過程中，學(xué)生自發(fā)進(jìn)行了分工，每個學(xué)生負(fù)責(zé)用其中一種抗生素檢測水樣。每個樣品均設(shè)置兩個對照組和兩個實(shí)驗(yàn)組：對照組1（不接種水樣、不含抗生素的培養(yǎng)基）用于檢測培養(yǎng)基的滅菌是否合格；對照組2（不接種水樣、含有抗生素的培養(yǎng)基）用于檢測抗生素的過濾除菌是否徹底；實(shí)驗(yàn)組1（接種水樣、含有抗生素的培養(yǎng)基）用于檢測水樣中耐藥菌的種類和數(shù)量；實(shí)驗(yàn)組2（接種水樣、不含抗生素的培養(yǎng)基）用于檢測水樣中耐藥菌和不耐藥菌的總量。接種后對培養(yǎng)皿進(jìn)行編號標(biāo)記，37℃培養(yǎng)箱倒置培養(yǎng)，24 h后觀察菌落生長情況，統(tǒng)計(jì)每個平板上菌落的種類和數(shù)量，推算出單位體積水樣中耐藥菌的活菌數(shù)量。

2.6 結(jié)果與分析

各調(diào)查水樣中含硫酸鏈霉素、紅霉素、硫酸卡那霉素、鹽酸四環(huán)素耐藥菌的數(shù)量（個/mL）依次如下：觀瀾河主體水樣——210、640、35、378，觀瀾河某醫(yī)院出水口水樣——27 500、136 000、6 000、172 500，茅洲河沙井河沙松橋下段——14 000、42 000、6 500、74 000，茅洲河沙井河沙后亭雨水泵站旁——22 500、65 000、33 500、32 000，龍崗河——245、1160、20、200，坪山河——75、1065、15、105，深圳河——375、605、5、230。據(jù)此分析：（1）觀瀾河某醫(yī)院出水口和茅洲河的耐藥菌含量最高，生態(tài)風(fēng)險較高，需要加強(qiáng)監(jiān)控與治理；（2）龍崗河、坪山河、深圳河耐藥菌含量相對少，植被覆蓋較多，引入綠色植物到河床中對凈化水體具有一定的促進(jìn)作用；（3）五大河流中紅霉素耐藥菌平均含量最高，其次是四環(huán)素耐藥菌，卡那霉素耐藥菌含量最少。紅霉素耐藥菌的廣泛分布可能與其使用量大有關(guān)，自1952年推出大環(huán)內(nèi)酯類抗生素以來，紅霉素常作為家禽和水產(chǎn)養(yǎng)殖的增長劑被添加到飼料中，該類抗生素在中國的用量僅次于內(nèi)酰胺類藥物。

3 探究活動的成果與評價

3.1 學(xué)生關(guān)注社會議題和參與社會事務(wù)的興趣增加，社會責(zé)任意識增強(qiáng)

結(jié)題報(bào)告中，學(xué)生寫到“從實(shí)驗(yàn)研究和現(xiàn)場調(diào)查結(jié)果來看，有些河流如茅洲河的治污道路還很漫長，河流中抗生素污染嚴(yán)重。據(jù)相關(guān)報(bào)道和我們的現(xiàn)場調(diào)查，仍然存在直接將未經(jīng)處理的污水排放到河流的現(xiàn)象。面對這一嚴(yán)峻的現(xiàn)實(shí)，我們深刻地認(rèn)識到：河流的排污口必須加大監(jiān)控力度，排污不合格的單位要加大懲處力度，尤其是醫(yī)院和藥廠更應(yīng)該自覺遵守污水排放規(guī)定。河流污染的治理需要環(huán)保部門和監(jiān)管機(jī)構(gòu)多巡查，也需要民眾一起監(jiān)督，多方形成合力，才能有效減少抗生素污染，防范公共生態(tài)風(fēng)險，逐步實(shí)現(xiàn)青山綠水的中國夢。”與茅洲河和觀瀾河相比，龍崗河、坪山河和深圳河的耐藥菌含量相對較少，河床上覆蓋了多種多樣的植物，這些植物可以起到凈化水體，減少耐藥菌污染的作用。因此，學(xué)生建議有關(guān)部門在治污的過程，適當(dāng)引進(jìn)水生植物，這樣既能有效降解水體中的污染物，還能夠美化景觀，同時為民眾提供休閑娛樂的場所。

3.2 學(xué)生運(yùn)用多學(xué)科知識解決實(shí)際問題的能力得到提升

本探究活動雖然是以生物學(xué)科知識和關(guān)鍵能力為基礎(chǔ)，但活動實(shí)施過程中涉及到了多門學(xué)科知識和方法的綜合應(yīng)用。由于實(shí)驗(yàn)過程中選取了多種水樣和抗生素，重復(fù)實(shí)驗(yàn)后獲得的數(shù)據(jù)較多，需要學(xué)生靈活運(yùn)用數(shù)學(xué)方法對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和分析，并采用表格和曲線等方式呈現(xiàn)結(jié)果。在采樣河流的選擇上，需要學(xué)生利用地理學(xué)科知識，了解和分析河流的自然環(huán)境和水系特征選取具有代表性的河流。在開題和結(jié)題報(bào)告的準(zhǔn)備過程中，學(xué)生嘗試撰寫與熟知的記敘文、議論文完全不同的科技論文……通過解決這些真實(shí)情景中遇到的具體問題，學(xué)生綜合運(yùn)用多學(xué)科知識的能力得到極大的提高。

3.3 通過對科研職業(yè)的初體驗(yàn)，學(xué)生生涯規(guī)劃能力得到提高

為了進(jìn)一步熟悉微生物培養(yǎng)相關(guān)實(shí)驗(yàn)技能，學(xué)生走進(jìn)深圳大學(xué)化工學(xué)院和生命科學(xué)學(xué)院實(shí)驗(yàn)室，進(jìn)行了為期兩天的“科學(xué)家職業(yè)體驗(yàn)”。“在這之前，我所想象的實(shí)驗(yàn)室是多彩活潑，生動有趣的地方。然而，親身體驗(yàn)后發(fā)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)室更多的是嚴(yán)謹(jǐn)，甚至還有一些枯燥乏味。”面對深圳特區(qū)報(bào)的采訪，學(xué)生告訴記者，“如果沒有對科學(xué)足夠的熱愛，沒有足夠的耐心或嚴(yán)謹(jǐn)，那就很難在實(shí)驗(yàn)室呆下去。”這是校外實(shí)驗(yàn)室學(xué)習(xí)帶給他的最深刻的體會。“我眼中的職業(yè)”不一定是真實(shí)職業(yè)的樣子，這種認(rèn)知偏差很容易對學(xué)生的專業(yè)和職業(yè)選擇造成誤導(dǎo)。通過體驗(yàn)科研人員的日常工作、感受真實(shí)的科研氛圍，學(xué)生開始探索自我，認(rèn)識科研職業(yè)，思考未來發(fā)展和努力的方向。

3.4 獲得成就感，增強(qiáng)自信心，強(qiáng)化學(xué)生合作探究意識

隨著探究活動的開展，學(xué)生對微生物培養(yǎng)與應(yīng)用的相關(guān)內(nèi)容理解更加深入，真正做到將知識內(nèi)化，因此在相關(guān)題目的作答上逐漸體現(xiàn)出優(yōu)勢，進(jìn)一步增加了他們學(xué)習(xí)生物的自信心。結(jié)題匯報(bào)時，本課題受到了評委老師的高度認(rèn)可，獲得深圳市中小學(xué)生探究性小課題優(yōu)秀研究成果一等獎。在深圳市青少年科技活動中，獲得第三十四屆深圳市青少年科技創(chuàng)新大賽科技實(shí)踐項(xiàng)目一等獎。這些成績帶給了學(xué)生較強(qiáng)的成就感。學(xué)生通過參加各種比賽，一方面有機(jī)會了解其他選手的創(chuàng)意和成果，開拓了視野；另一方面使活動成果有了對外宣傳和交流的途徑，進(jìn)一步強(qiáng)化合作意識。

4 探究活動的反思

此次探究活動是為發(fā)展學(xué)生核心素養(yǎng)而開發(fā)，通過構(gòu)建真實(shí)的探究情景，充分調(diào)動學(xué)生的積極性，提升學(xué)生對多學(xué)科知識的綜合運(yùn)用能力，引導(dǎo)學(xué)生在真實(shí)問題的研究中主動承擔(dān)社會責(zé)任。總體而言，探究活動取得了一些成果，達(dá)到預(yù)期目標(biāo)，符合現(xiàn)代高中教育改革要求。回顧活動實(shí)施過程，師生面臨了多種困難和挑戰(zhàn)。課堂時間有限和實(shí)驗(yàn)周期長是探究活動難以開展的重要因素。由于活動安排在每周一次的校本課程，而實(shí)驗(yàn)樣品準(zhǔn)備、器皿消毒和滅菌、水樣接種等步驟往往難以在一節(jié)課內(nèi)完成，學(xué)生需要利用課余時間參與探究活動。考慮到高中生課業(yè)壓力較重，學(xué)生選擇利用假期時間完成外出采樣和實(shí)地調(diào)查。同時，學(xué)生的理論基礎(chǔ)和動手能力不一，出現(xiàn)個別學(xué)生主宰活動，而部分學(xué)生參與度低的現(xiàn)象。教師需要提前了解學(xué)生的特長，適時引導(dǎo)，盡量使學(xué)生找到與能力相匹配的方面……從活動的開展到結(jié)題，僅依靠個人力量很難完成，學(xué)生之間取長補(bǔ)短，教師適時鼓勵和引導(dǎo)尤為重要。學(xué)生在參與探究活動的過程中發(fā)展核心素養(yǎng)，教師在指導(dǎo)探究活動的過程中提升教學(xué)能力。