高中生物實驗與STEM 教育的融合
——以“環(huán)境因素對光合作用強(qiáng)度的影響”為例

陜西

生物學(xué)作為高中階段重要課程之一，其知識內(nèi)容和結(jié)構(gòu)體系并非完全獨(dú)立，而是與數(shù)學(xué)、化學(xué)等其他學(xué)科有著緊密聯(lián)系，同時，生物學(xué)作為21 世紀(jì)自然科學(xué)的重要組成部分，與工程技術(shù)、技術(shù)美學(xué)的結(jié)合也日益緊密。STEM 教育注重在新情境下以問題或項目為驅(qū)動、通過跨學(xué)科的形式，利用科學(xué)（Science）、技術(shù)（Technology）、工程（Engineering）和數(shù)學(xué)（Mathematics）解決實際問題，不僅有助于培養(yǎng)學(xué)生實驗探究和設(shè)計能力、創(chuàng)造性實踐能力，同時也有利于提升學(xué)生的社會參與度，增強(qiáng)社會責(zé)任意識。與我國十九大精神關(guān)于“培養(yǎng)什么人、怎樣培養(yǎng)人”的教育理念相吻合。本文以“探究環(huán)境因素對光合作用強(qiáng)度的影響”實驗為例，嘗試探究應(yīng)如何在高中生物實驗教學(xué)中開展STEM 教育。

1.教學(xué)設(shè)計思路——體現(xiàn)STEM 教育的科學(xué)性

“環(huán)境因素對光合作用強(qiáng)度的影響”是人教版高中生物教材必修1《分子與細(xì)胞》第五章第4 節(jié)“能量之源——光與光合作用”中的一個探究課題。這個探究課題中涉及了生物實驗探究的基本過程、化學(xué)實驗試劑的配制要求、數(shù)學(xué)統(tǒng)計學(xué)的基本要求以及優(yōu)化實驗操作的手工制作光合作用反應(yīng)盒。因此，此探究實驗對培養(yǎng)學(xué)生學(xué)科核心素養(yǎng)，體現(xiàn)STEM 教育理念是非常有意義的。

本探究實驗的教學(xué)設(shè)計思路：根據(jù)不同環(huán)境因素對植物光合作用的影響總結(jié)促進(jìn)植物光合作用的最適環(huán)境因素→分析、確定實驗變量→提出假設(shè)→設(shè)計實驗方案→進(jìn)行某環(huán)境因素的預(yù)實驗→反思改進(jìn)，實施實驗方案→記錄實驗過程，收集實驗數(shù)據(jù)→分析解釋，交流評價→優(yōu)化方案，制作學(xué)具。

1.1 提出問題

教師創(chuàng)設(shè)真實情境：陜北地區(qū)夏季光照充足，晝夜溫差較大，當(dāng)?shù)爻霎a(chǎn)的土豆淀粉含量高、紅棗含糖量高，這與植物光合作用強(qiáng)度密不可分。學(xué)生根據(jù)光合作用的有關(guān)知識，主動思考這些環(huán)境因素與土豆中淀粉、紅棗中含糖量的關(guān)系，提出問題：不同種類的植物光合作用強(qiáng)度是否存在區(qū)別？是否光照強(qiáng)度越大，植物光合作用強(qiáng)度越大？不同溫度條件對植物光合作用強(qiáng)度有何影響？

1.2 作出假設(shè)

在教師引導(dǎo)下，學(xué)生提出假設(shè)：不同種類的植物細(xì)胞內(nèi)光合色素的含量、與光合作用有關(guān)酶的含量可能存在差異，故不同種類的植物光合作用強(qiáng)度存在差異。不同光照強(qiáng)度可能影響植物光反應(yīng)階段產(chǎn)生的[H]和ATP 的含量。不同溫度條件可能影響有關(guān)酶的活性，進(jìn)而對光合作用強(qiáng)度產(chǎn)生間接影響。

1.3 交流討論，完善思路

教師展示問題，學(xué)生交流討論：①查閱有關(guān)資料或進(jìn)行預(yù)實驗，選取比較合適的自變量范圍進(jìn)行實驗。②假如分別確定植物種類、光照強(qiáng)度、CO2濃度為自變量，如何設(shè)置對照組？③植物光合作用強(qiáng)度大小如何檢測或體現(xiàn)？④植物葉圓片上浮的原因是什么？⑤為何要將植物葉圓片放在注射器里反復(fù)拉動活塞？⑥每只燒杯中放入一片小圓形葉片的操作是否可行？⑦怎樣配制不同濃度的NaHCO3溶液？⑧如何觀察并記錄植物葉圓片的上浮情況？⑨如何將植物種類、光照強(qiáng)度、CO2濃度對光合作用強(qiáng)度影響的實驗同時進(jìn)行？這樣可以使學(xué)生進(jìn)一步厘清探究思路。

1.4 制訂計劃

此基于STEM 理念的探究實驗教學(xué)預(yù)計用時10 天，各小組同學(xué)在實驗開始前，要制訂好小組的實驗計劃、參與人員和預(yù)期時間，并將任務(wù)拆分為各個小任務(wù)。各小組之間互相評價，教師給予指導(dǎo)性幫助。

1.5 實施計劃

各小組修訂完善實驗計劃后即可開始實驗流程，認(rèn)真操作，分工協(xié)作，對植物光合作用強(qiáng)度（葉圓片上浮情況）進(jìn)行觀察和記錄。

1.6 分析解釋

各小組根據(jù)實驗過程中記錄第一片葉圓片上浮所用的時間、一半葉圓片上浮所用的時間、全部葉圓片上浮所用的時間，繪制成表格或曲線圖，對實驗結(jié)果進(jìn)行分析解釋，判斷假設(shè)正確與否，得出結(jié)論。

1.7 交流分享，優(yōu)化裝置

本次實驗結(jié)束后，各小組匯報每組研究的某一環(huán)境因素對植物光合作用強(qiáng)度的影響結(jié)果，根據(jù)各小組實驗數(shù)據(jù)，尋找不同環(huán)境因素對光合作用強(qiáng)度影響的最適條件，并以此環(huán)境條件數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，優(yōu)化實驗裝置，制作出能同時測量多個環(huán)境因素對光合作用強(qiáng)度影響的光合作用反應(yīng)盒。將實驗過程和制作的裝置在全班交流分享。

2.多學(xué)科整合——運(yùn)用STEM 教育的技術(shù)性

STEM 教育是基于技術(shù)方面，融合多學(xué)科的綜合教育活動。若要參與基于STEM 教育理念的探究實驗，學(xué)生須掌握一定的實驗探究技能和科學(xué)研究方法，比如配制不同濃度的NaHCO3溶液、制作多功能簡易光合作用反應(yīng)盒、科學(xué)統(tǒng)計葉圓片上浮情況、根據(jù)記錄的數(shù)據(jù)繪制表格或曲線圖等，通過動腦、動手順利完成本次實驗探究，進(jìn)一步理解環(huán)境因素對光合作用過程的影響，感受實驗探究的樂趣。

2.1 注重細(xì)節(jié)，精準(zhǔn)配制

探究“環(huán)境因素對光合作用強(qiáng)度的影響”實驗中，需要學(xué)生配制不同濃度的NaHCO3溶液。教師需要提前引導(dǎo)學(xué)生回顧化學(xué)學(xué)科中試劑配制的相關(guān)注意事項以及相關(guān)用具的規(guī)范使用，如配制溶液時需要使用靜置后的蒸餾水、所用容器應(yīng)用蒸餾水潤洗2～3 次、定容時的注意事項、配制完成的溶液的轉(zhuǎn)移和儲存等。

2.2 工具制作，科學(xué)探究

在制作簡易光合作用反應(yīng)盒的過程中，首先需要利用立體幾何中三視圖的有關(guān)知識，設(shè)計光合作用反應(yīng)盒的三視圖（如圖1、圖2、圖3），標(biāo)注各個結(jié)構(gòu)的長、寬、高，考慮材料之間的嵌合須預(yù)留間隙，設(shè)計完成的三視圖需通過小組自評、組間互評的方式不斷優(yōu)化完善，確定最終方案后購買材料進(jìn)行制作。

圖1 光合作用盒立體圖

圖2 底板與頂板

圖3 中間隔板

教師在引導(dǎo)學(xué)生解決問題的過程中，要多次提出學(xué)生未注意到的細(xì)節(jié)和疑惑，引起學(xué)生的重視和關(guān)注，讓其意識到一些未注意的細(xì)節(jié)，使學(xué)生知道“怎么做”“為什么這么做”。只有真正參與到科學(xué)探究過程中，學(xué)生才能充分考慮到各個細(xì)節(jié)，才能精確制作完美的教學(xué)工具。

2.3 數(shù)學(xué)建模，挖掘本質(zhì)

本次探究實驗結(jié)果是不同植物在不同光照強(qiáng)度、不同CO2濃度下光合作用強(qiáng)度的大?。ㄈ~圓片上浮所用的時間），通過對數(shù)據(jù)的比較分析，可以充分體現(xiàn)這些環(huán)境因素對光合作用強(qiáng)度的影響。為了準(zhǔn)確判斷分析，教師需引導(dǎo)學(xué)生了解半數(shù)致死量的計算方法和意義，這樣有助于減小極端情況引起的實驗誤差，降低重復(fù)實驗的次數(shù)，增加實驗結(jié)果的說服力和可信度，所以本次實驗對葉圓片上浮情況進(jìn)行統(tǒng)計時，不僅統(tǒng)計每組第一片葉圓片上浮所用的時間、全部葉圓片上浮所用的時間，還增加了對半數(shù)葉圓片上浮所用的時間的統(tǒng)計，再設(shè)置3 組重復(fù)實驗，以最后各組實驗數(shù)據(jù)的平均值作為最終的實驗結(jié)果，以最大限度減小實驗誤差。

3.聯(lián)系實際——完善STEM 教育的創(chuàng)新性

3.1 不斷優(yōu)化，改進(jìn)創(chuàng)新

考慮到教學(xué)進(jìn)度進(jìn)展到這部分內(nèi)容時，北方多數(shù)地區(qū)正值秋冬季節(jié)，溫度偏低，同時低濃度CO2也會導(dǎo)致該實驗耗時較長，利用課堂時間（45 min）進(jìn)行實驗所得現(xiàn)象不明顯。因此教師在引導(dǎo)學(xué)生完成光合作用反應(yīng)盒制作后，還要鼓勵學(xué)生對實驗條件進(jìn)行優(yōu)化和創(chuàng)新：①利用LED燈帶組合代替普通光源，通過改變燈帶組合亮燈的數(shù)量實現(xiàn)對光照強(qiáng)度的調(diào)節(jié)，確保通過調(diào)節(jié)光源與葉圓片之間距離調(diào)節(jié)光照強(qiáng)度的效果明顯；②變換LED 燈帶組合的光源類型：增設(shè)暖白色光源、紅色光源、綠色光源等，探究不同光質(zhì)對光合作用強(qiáng)度的影響（實驗結(jié)果如表），通過分析數(shù)據(jù)可知不同光質(zhì)對光合作用強(qiáng)度的定性影響，以具體數(shù)字呈現(xiàn)實驗結(jié)果，讓學(xué)生在數(shù)量的變化中深入理解光合作用的本質(zhì)。

3.2 聯(lián)系實際，學(xué)以致用

本實驗裝置可以同時開始6 組光合作用探究實驗，因此在實驗材料的選取上有較大的靈活性。教材中推薦使用菠菜葉片，因此教師可以引導(dǎo)學(xué)生嘗試使用生活中常見的綠色植物進(jìn)行實驗，比如蔬菜類：油麥菜、小青菜、菠菜等，家庭常見綠植類：綠蘿、平安樹、白鶴芋等。最終實驗結(jié)果可得：蔬菜類葉圓片適合在低溫條件下進(jìn)行光合作用，家庭綠植進(jìn)行光合作用所需的溫度較高。這就為他人栽培或種植這些植物的所需適宜溫度提供建議。學(xué)生在基礎(chǔ)實驗操作過程中，將所學(xué)知識運(yùn)用到解決實際問題當(dāng)中，促進(jìn)了能力發(fā)展，增強(qiáng)了社會責(zé)任。

4.結(jié)束語

實驗教學(xué)的本質(zhì)，是讓學(xué)生親身體驗實驗過程，增強(qiáng)感性認(rèn)識。將“環(huán)境因素對光合作用強(qiáng)度影響”的實驗與STEM 教育融合，不僅有利于對問題提出創(chuàng)造性解決方案，還可以將對實驗結(jié)果的感性認(rèn)識進(jìn)一步轉(zhuǎn)化為定量認(rèn)識，有利于學(xué)生對實驗過程整體和細(xì)節(jié)的把握，提升綜合能力和學(xué)科核心素養(yǎng)。