基于STEM理念的高中生物探究實踐——以“氯化鈉濃度對植物細胞有絲分裂的影響”為例

鄭耀賢

（北京師范大學（珠海）附屬高級中學 廣東珠海 519080）

《普通高中生物學課程標準（2017年版）》要求學生主動地參與學習，通過探究性學習活動或完成工程學任務，提升應用知識的能力，培養創新精神，探討或解決現實生活中的某些問題。高階的學業質量水平（水平三、水平四）要求能夠運用科學、技術、工程學和數學（STEM）知識和能力設計方案，并在實踐活動中實施，解決生活中的問題。

真正的科學探究是跨學科的知識、能力和技術的綜合實踐活動，因此，基于STEM理念的科學探究是目前國際科學教育的重要理念，也是提升學生生物學學科核心素養的重要途徑，將其滲透到中小學生物學的教學研究中很必要。目前，基于STEM理念在中小學生物學教學中的實踐還缺乏具體的案例，基于項目開展真實的科學探究實踐是落實STEM理念的主要途徑之一。

觀察細胞的有絲分裂是高中生物教材中一個經典的基礎性實驗，也是衛生學校、師范院校及醫學院校的生物學實驗內容之一。有調查發現幾乎所有學校在開展本實驗時，都是教師提前做好所有準備，學生只是按部就班完成“解離——漂洗——染色——制片”等步驟，屬于低階水平的學習活動，實驗效果也不理想。下面以指導學生開展“探究氯化鈉濃度對植物細胞有絲分裂的影響”為例，開展基于STEM理念的生物科學探究實踐，在實踐中逐步提升生物學學科核心素養，以供參考。

1 組建課題小組，培訓基本技能

真實的科學實踐探究活動通常需要繁雜的前期準備和持續的觀察、記錄，同時會涉及到跨學科的知識和技能，學生難以獨立完成。由對生物學感興趣的學生組合成3-5人的課題小組合作開展探究活動，具有較大的可操作性。教師對小組成員進行基本技能的培訓，培訓內容主要是與實驗探究密切相關的技能，如材料的選擇、根尖的培養、根尖的分生區的位置、顯微鏡的使用、拍照的方法、數學建模軟件的基本操作等，為探究實踐的有效開展破除非目標性壁壘。

2 創設真實情境，明確探究項目

教師創設問題情境：寒冷的天氣會影響植物的生長，是否表明溫度會影響細胞的分裂？鹽堿地生長的植物也會影響植物的生長，是否表明土壤無機鹽會影響細胞的分裂？適當的紫外線強度有利于生物的生長，隨著臭氧層的破壞，過強的紫外線會灼傷動物的皮膚，是否會影響植物的正常生長和分裂？廢電池對環境的帶來危害的報道很多，但也有權威科學家通過實驗發現與新聞報道相去甚遠，那么，廢舊電池對植物的生長和增殖有什么影響呢？各小組對問題展開思考、討論、分析。通過頭腦風暴法，課題小組提出可開展以下的探究：紫外線（UV-B）照射對植物根尖分生區細胞有絲分裂的影響；氯化鈉濃度對植物根尖分生區細胞有絲分裂的影響；干電池浸出液對植物根尖分生區細胞有絲分裂的影響；外界溫度對植物根尖分生區細胞有絲分裂的影響；重金屬鉛對植物根尖分生區細胞有絲分裂的影響。以下以“探究氯化鈉濃度對植物根尖分生區細胞有絲分裂的影響”進行說明。

3 設計項目方案

設計并實施恰當可行的實驗方案屬于高階的科學探究水平，需注意選擇合適的材料、藥品、試劑、器具，遵循實驗設計的基本原則，制訂科學合理的實驗步驟等方面。

3.1 材料選擇

常規實驗一般用洋蔥作為實驗材料。但是，洋蔥存在休眠期較長，生根數目偏少等情況。實踐表明大蒜誘發生根較容易，生根數目遠多于洋蔥，是一種很好的實驗材料。并且，大蒜的價格低廉，因此小組確定以大蒜作為本探究的材料。另外，實踐發現紅蔥頭也具有類似大蒜的優點，同樣可以作為改進材料。

3.2 根尖培養

取大小基本一致的健壯大蒜瓣，剝去其干燥的膜質鱗被，保留下端微微突起的根原體，放入盛有清水的燒杯中，水剛好浸沒大蒜根部，放入光照培養箱（溫度25℃，光照度80%）中培養，每天換水1次，待根生長到1～2 cm時進行預處理。

3.3 氯化鈉溶液濃度確定

在進行科學研究時，有時需要在正式實驗前先做一個預實驗，這樣可以為進一步的實驗探索條件。教師將“中國知網”、國家數字圖書館、百度學術等文獻檢索途徑介紹給學生，并指導學生進行檢索各小組通過檢索，初步確定了以0、50、100、150、200 mg·L-1濃度的氯化鈉溶液開展預實驗，將大蒜移入盛有不同濃度的氯化鈉培養液燒杯中連續培養72 h后取根尖進行觀察。預實驗發現200 mg·L-1的氯化鈉處理24 h后根部基本潰爛，100 mg·L-1和150 mg·L-1處理72 h后，根部也基本潰爛了，說明外界溶液濃度過高導致根部細胞失水過多死亡。因此，本探究將溶液濃度梯度確定為0、25、50、75 mg·L-1。

3.4 確定取材時間

結合人教版必修1教材和其他文獻查閱，可知大蒜根尖的分裂在一天的不同時間里存在差異，其有絲分裂的高峰期為上午。因此剪取根尖的時間安排在上午，并且要考慮與上課時間錯開，所以最終確定剪取時間為早上9∶30，剛好是學校大課間的時間，具有可操作性。

3.5 根尖剪取長度

根尖分生區是根尖有絲分裂比較旺盛的區域，因此實驗材料應該為根尖最前面2 mm長的區域。不過，由于剪取后的材料要進行一系列的操作，太短的材料不易操作并容易丟失，因此，確定每次剪取根尖的長度為1 cm左右。待全部處理后，要制片前，再切取根尖分生區2 mm的區域。

3.6 染色液選擇

利用顯微鏡對本實驗的觀察，必須依賴染色液對染色體進行染色后進行判斷。因此適合的染色液對實驗的順利開展起到至關重要的作用。人教版教材提供了龍膽紫染液、醋酸洋紅染液和改良苯酚品紅染液作為染液。這三種染液都為堿性染液，容易與染色體著色。預染色后發現用改良苯酚品紅染液染色，細胞質色澤很淺，染色體呈粉紅色，觀察效果最好，有利于顯微拍照，因此，本探究確定用其作為染液。不過改良苯酚品紅的配制較復雜，并且配置好需靜置一周以上，所以，本研究取用實驗室去年配制好的染液，效果很好。另外，由于該染液的著色較淺，所以染色的時間可以控制在6～8 min。

3.7 制片

光學顯微鏡是利用光線的投射進行觀察，因此制片時只有將材料充分分散開，形成單個細胞之間彼此分離的狀態，才能較好進行觀察和統計。染色好的根尖蓋好蓋玻片，然后用平整的鉛筆頭緩慢均勻的敲擊蓋玻片，直至將材料敲至雨霧狀，進行鏡檢，可以觀察到彼此分離的細胞。

3.8 拍照和統計

利用顯微攝像頭，連接上電腦，隨機選取10個視野，拍照儲存。再通過計數，統計出總細胞數和處于分裂期的細胞數，算出不同條件下的分裂指數。

4 實施探究項目

（1）實驗器材：顯微鏡、筆記本電腦、顯微攝像頭、天平、小錐形瓶、載玻片、蓋玻片、氯化鈉、固定液、解離液、改良苯酚品紅、大蒜。

（2）實驗方法：

①培養根尖：用清水培養剝去干燥的膜質鱗被的蒜瓣若干，每天換水，待根尖長至1 cm長。

② 配制培養液：小組成員配制0、25、50、75 mg·L-1的氯化鈉溶液各100 mL待用。

③氯化鈉處理：將根尖長至1 cm長的蒜瓣移到不同濃度的氯化鈉溶液中培養72 h。

④取根和固定：在不同濃度培養了72 h（即第四天的9∶30）后，各取2～3條長約1 cm的根尖，然后移入卡諾氏固定液（無水乙醇與冰醋酸的體積比為3∶1）中，并分別用標簽做好標記；固定0.5～1 h后，用蒸餾水潤洗3 min左右。

⑤解離及漂洗：將固定后的根尖放入培養皿中，加入少許解離液（體積分數為15%的鹽酸和95%的酒精按1∶1混合），解離4 min左右。取出根尖放入盛有清水的培養皿中漂洗10 min。

⑥染色及壓片：用剪刀剪取根尖尖端2 mm，接著放進改良苯酚品紅染液中，染色5 min，然后壓片。

⑦鏡檢和顯微拍攝及數據統計：將壓片好的裝片置于顯微鏡下鏡檢，連接顯微攝像頭和計算機，每個裝片隨機選取10個視野進行拍照，統計細胞分裂數目，計算分裂指數。有絲分裂指數=（視野中分裂期的細胞數/視野中觀察到的細胞總數）×100%。

5 結果與分析

實驗結果見表1。

表1 不同氯化鈉濃度培養液對大蒜根尖有絲分裂指數的影響

據表1可知，氯化鈉溶液對大蒜根尖有絲分裂存在影響，25 mg·L-1和50 mg·L-1氯化鈉溶液培養72 h后，能促進根尖細胞的有絲分裂，而較高濃度的氯化鈉溶液會抑制有絲分裂。這可能是由于低濃度的氯化鈉能為植物細胞提供生長所必須的無機鹽離子，促進分裂。植物對無機鹽的需求量較低，因此，較高濃度的培養液培養后，可能由于引起細胞失水影響植物的代謝，間接影響植物細胞的有絲分裂；而過高的濃度可引起細胞失水過多而死亡，從而出現預實驗出現的根尖潰爛的現象。

6 表達與交流

課題小組完成探究實驗后派出代表向全班同學做結題匯報，將問題的生成、實驗設計、實驗準備、實驗過程、實驗結果、結果分析以及建議進一步探究的問題等進行分享，并分享了開展探究實踐過程中在科學、技術、數學與工程學（STEM）等方面所得到的提升和感受，最后接受同學的質詢。

7 教學反思

學生在開展探究實踐中，親歷了提出問題、獲取信息、尋找證據、檢驗假設、發現規律等過程，發展了學生的科學探究素養。學生在開展該探究活動中，能親切地感悟到生物與環境的密切聯系，發展了穩態與平衡觀等生命觀念；同時，培養了關注環境嘗試解決現實生活問題，形成生態意識等社會責任素養。學生在設計實驗和通過數學建模進行演繹推理提出實驗結論的過程中發展了科學思維素養。

在現有中小學教育中，有效開展STEM教育的2種典型路徑是：①基于項目開展真實的科學探究實踐，其結果是新發現或新理論；②應用科學原理和工程技術，設計方案解決現實生活中的問題。跨學科和基于設計是STEM教育的重要特征，開展該項目需要運用生物、化學、數學、信息技術、顯微攝影等跨學科的知識與技能，才得以順利完成。同時，學生在設計實驗的過程和優化實驗方法尋找最佳試劑配比等多方面做出了努力，這也是工程學的思維路徑。該探究實踐經歷的時間較長，學生需要主動參與尋找文獻支持，需要在不斷試誤中優化方案，在“嘗試——失敗——再嘗試”的循環中，感悟到了科學探索的不容易，也體會到來之不易的成功的喜悅，在解決真實情境中的實際問題中實現知識、能力、情感態度價值觀的提升。