基于思維建模的實驗教學設計與實踐

鄭美芬 李麗潔 張琦 常智敏

摘? ?要：以高中生物學“探究影響酵母菌種群數量變化的因素”實驗為例，構建基于思維建模的實驗教學設計與實踐，需要教師在綜合利用多種數字化實驗設備的基礎上，開放性、多角度、科學地探究溫度、溶解氧、營養條件、代謝產物等因素對酵母菌種群數量的影響，以期借此縮短實驗周期，提高探究效率，進而培養學生的思維建模能力。

關鍵詞：高中生物;酵母菌種群數量;探究實驗;思維建模;數學模型

中圖分類號：G633.91? ?文獻標識碼：A? ?文章編號：1009-010X（2021）32-0059-04

思維建模是一種建構性學習方式，即學習者根據自己先前的知識經驗，使用所給的工具（軟工具和硬工具），建構對當前學習的理解，并將這種理解通過模型表達出來，由此促進學生對知識的深層理解。思維能力和思維建模能力不是一個概念，思維能力不能等同于思維建模能力，思維建模能力其實是將思維過程可視模型化的能力。本文以高中生物學“探究影響酵母菌種群數量變化的因素”實驗為例，從實驗內容的重構、多角度科學探究建構數學模型、綜合運用數字化設備建模、運用思維建模關注生活中的問題四個方面，基于科學思維，引導學生建構相關模型，由此可培養學生的生物學科核心素養。

一、教學過程重實踐，發現問題

教學過程要注重實踐，并在實踐中發現問題。教師通過創新和改革，將課本中需連續耗時7天的實驗觀察、數據整理，縮短到只需10個小時，如此可使實驗更簡捷。縮短實驗周期，提高探究效率，優化實驗進程，這些都有利于學生更好地進行科學探究。

（一）教材實驗

《普通高中生物學課程標準（2017年版）》中關于本實驗的描述：“要求學生能夠運用數學模型，分析和解釋影響這一變化規律的因素，并應用于相關實踐活動中。”高中生物必修三教材關于本實驗的要求是：“要求學生能運用科學探究的方法，對其進行初步探究，并建構模型，同時熟悉抽樣檢測法。”

筆者開放實驗室，讓學生分組進行教材實驗，即用5%的葡萄糖溶液作為底物培養酵母菌，并每天在同一時間觀察酵母菌的生長情況，如此連續7天，然后記錄數據，繪制曲線。在實驗中學生利用兩個酒精燈火焰間形成的無菌區域進行無菌接種，并徹底清潔血球計數板，用吹風機烘干，然后用0.2%的亞甲基藍染色，以區分活細胞和死細胞，最后用數碼顯微鏡觀察，五點取樣求平均值，如此可使結果更準確。

通過改進實驗、關注細節、規范操作、重復實驗，盡可能減小誤差。學生在此過程中能夠理解實驗原理，并初步建構模型，但對血球計數板的使用還不夠熟練，對影響種群數量變化因素的綜合性理解也不全面。在此基礎上確定了本節課的實驗課題。

（二）發現問題

問題1：從曲線（圖1）中看到，酵母菌的生長在第1天時達到峰值，后面6天保持相對穩定，沒有出現典型的“S”型增長。

問題2：學生在分析實驗結果時發現，各組所得的實驗數據有明顯差異——達到峰值的時間不同，有的組一天就達到峰值，有的兩天;峰值數值高的組是低的組的十倍;曲線變化有的組呈典型的拋物線狀，有的組曲線相對平緩。

學生在實踐中發現問題，不囿于定論，提出質疑，敢于批判，由此可形成嚴謹的科學思維。筆者在教學過程中引導學生注重實踐，重構實驗內容，并高度關注學生學習過程中的實踐經歷，強調學生的學習過程是主動參與的過程，如此可讓學生更加積極地參與動手和動腦活動。

二、多角度進行科學探究，改進實驗

根據學生提出的問題，改進實驗內容，以多角度地進行科學探究。改變課本中傳統實驗只探究單一影響因素的情況，進一步探究溫度、溶解氧、營養條件、代謝產物等因素對種群數量變化的影響，由此建構數學模型，以多角度深入地進行科學探究，進而使學生形成整體性思維。

問題1：從曲線中看到，酵母菌的生長在第1天時達到峰值，后面6天保持相對穩定，沒有出現典型的“S”型增長。

針對問題1學生上網查閱資料：“在適宜條件下，不同種類的酵母菌大約2小時增殖一代，10小時左右達到穩定期。”新教材選擇性必修三中也有相關實驗。基于此學生設計實驗——以5%的葡萄糖作為底物培養酵母菌，每2小時觀察、計數一次，共觀察12個小時，在實驗進行到第10個小時時可以觀察到酵母菌種群數量的增長趨勢和峰值。問題1的解決為問題2的突破奠定了基礎。

問題2：各組之間的數據有差異。

針對問題2學生做出以下假設：營養條件、溫度、氧氣、代謝產物等因素會影響酵母菌種群數量的變化。每組選擇一個變量即影響因素設計實驗，在此過程中如何控制變量是關鍵。

營養條件組：增加底物種類，增設無菌水組、馬鈴薯培養液組以及5%的葡萄糖和馬鈴薯培養液混合組。即配制不同營養條件的培養液。

溫度組：學生首先想到的是恒溫培養箱，但一臺恒溫培養箱只能設置一個溫度，且實驗周期長。學校有多臺數顯恒溫水浴鍋可以設置多組實驗溫度，但只能設置高于室溫的溫度，對于低于室溫的溫度，可加入瓶裝冰水調節，只要上、下溫度誤差不超過0.5攝氏度就行。

氧氣：用過氧化氫分解實驗制造氧氣，然后用注射器向培養瓶中注入不同體積的氧氣，得到高氧組、低氧組和無氧組。但這一裝置不能持續供氧，且在進行酵母菌種群計數時，不易控制氧氣量，因此予以否定。

溶解氧：通過改變搖床的轉速，改變溶液中溶解氧的濃度。為了避免計數時對裝置中的溶解氧產生影響，我們可以同時設置6個組進行實驗，然后每2小時取1個組進行測量計數。

如何測定溶解氧呢？可利用溶解氧傳感器。即學生首先進行調零校正，然后再進行數據測量。利用溶解氧傳感器對未接種酵母菌的5%的葡萄糖溶液，在不同轉速下的溶解氧進行測定可以發現，在50r/min～250r/min范圍內，溶解氧隨轉速的增加而增加。

代謝產物：利用二氧化碳傳感器和酒精傳感器測量二氧化碳和酒精的含量。由于實驗條件的限制，我們只是將其作為因變量進行檢測而沒有作為自變量進行檢測。通過檢測發現，在一定時間內，隨著酵母菌種群數量的增加，二氧化碳和酒精逐漸積累。

其他各組按照實驗方案完成實驗，并展示交流。

營養條件組：在不同的營養條件下，酵母菌的種群數量出現了不同的峰值，營養條件越高，酵母菌種群數量的峰值就越高，并在一定時間內出現了S型增長。我們的實驗一共做了三次，前兩次的數據差異較大，分析造成這種情況的原因可能是酵母菌的稀釋倍數不夠，出現了凝聚現象，第三次實驗時將稀釋倍數由十倍增加到了50倍，酵母菌能夠分散均勻，便于觀察，因此得到了正確的結論。

溫度組：從圖像中我們看出，在不同的溫度條件下，酵母菌的增長有所不同，但在一定時間內都呈現出了S型曲線的增長，其中250℃最為適宜，種群數量最多。實驗后，我們與另一個溫度組進行數據比較，發現他們組的數據較小，通過交流發現原因是他們取液時振蕩不充分，移液時吸管較為靠上，導致實驗數據較小。改正后，兩組實驗數據相近。

溶解氧組：通過分析數據可知，種群數量會隨溶解氧的增加而增加，溶解氧越高，峰值出現的越早且越高。我們組在進行實驗時發現，反復從同一個錐形瓶中取樣會使培養液減少，從而影響實驗結果，因此我們組同時設置了六組實驗，每兩個小時取一組進行測量計數，如此既有效避免了上述問題，又防止了計數時對裝置中的溶解氧產生影響。

在本實驗中，教師在課本實驗的基礎上，增加了對溫度、溶解氧、營養條件、代謝產物等多個因素的探究，同時引導學生自主設計探究方案并動手實踐完成實驗，如此能提升學生的科學探究能力。通過以上學習，學生對影響酵母菌種群數量變化的因素有了綜合性的認識，有利于學生形成整體性思維。

三、綜合運用數字化設備，建構數學模型

運用數學模型解釋種群數量變化的規律，把數字化的數學模型及時轉化為生物學概念模型，如此能幫助學生形成生物與環境相適應的生態觀，加深學生對生物學概念的理解。

溶解氧傳感器使結果能以數字化的形式呈現，數碼顯微鏡便于微觀世界生物的準確計數，多種數字化設備的綜合運用，可使定性實驗轉化為定量實驗。

學生對不同營養條件（圖2）、溫度（圖3）、溶解氧條件（圖4）下的數學模型進行匯總，發現在一定空間內，酵母菌種群數量的增長不是單一環境因素作用的結果，而是綜合性的，受多種環境因素的共同作用。在環境條件不受破壞的情況下，一定空間中所能維持的種群最大數量稱為環境容納量，又稱為K值。深刻理解了環境容納量的概念后，有利于學生形成相關概念模型。

學生綜合運用數字化設備進行數據處理，通過分析與綜合，建構數學模型，闡釋數量變化的規律并結合科學事實與證據，運用科學的思維方法，理解影響酵母菌種群數量變化的因素。然后學生對數學模型進行歸納與綜合，以建構概念模型，實現模型的轉化，如此有利于提高學生的認知水平，確立正確的生態觀。

四、關注生活，培養學生的生物學科核心素養

通過科學實踐，將知識遷移到日常生活中的食品發酵問題，如此有利于使學生認同工業發酵的重要性。例如學生發酵面粉，通過對比未發酵面團和發酵1小時面團的大小，發現29℃比26℃更適宜發酵面粉，加白糖組比加牛奶組的面團發酵得更大。此外筆者還帶領學生參觀了石家莊市華北制藥新藥研發中心，了解了他們的研究方向，同時還參觀了河北正定子龍醉酒廠，看到了拌糧與裝甑的過程，由此拓展了學生的視野，在學生心中埋下了科研的種子。

本節課以高中生物學“探究影響酵母菌種群數量變化的因素”實驗作為開放性科學探究活動，綜合利用了多種數字化實驗設備，搭建了微觀生物學的教學平臺，建構了數學模型，并有效提升了學生的科學思維及探究能力。同時引導學生開展基于實踐問題的跨學科研究，由此可幫助學生形成了整體性思維，培養學生的生物學科核心素養。

參考文獻：

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