基于STEM理念的實驗創新

陳能訓 羅福海 李樸

STEM理念在培養學生科學、技術、工程、數學以及跨學科融合中發揮著重要作用。在生物教學中融入STEM理念，能使學生感受到生物學與科學發展、技術革新密切相關，并在潛移默化中提升學生的思維能力、動手能力和解決問題的能力等。滲透STEM理念的生物教學應結合學科特點，發展跨學科融合的實驗教學案例是一個很好的途徑。

我們以“探究CO2濃度對光合作用強度的影響”實驗為例，從實驗創新的緣起、實驗設計、實驗過程、實驗結果和實驗評析與反思5個方面，分析STEM理念的實驗創新教學實踐，探索課堂教學新模式，思考教學實踐的可行性和現實意義。

一、實驗創新的緣起

（一）實驗分析

教材中，“探究環境因素對光合作用強度的影響”這個實驗有利于學生構建光合作用過程和原理的應用模型，但教材中并未展示CO2濃度對光合作用強度的影響，不利于學生理解光合作用受哪些因素的綜合影響。在實驗過程中，操作時易出現以下問題：

1.通過注射器真空滲水使葉片下沉這一操作不易把控，可能導致細胞充水不足，葉片不易下沉，或水分過多導致葉肉細胞結構被破壞。

2.不能定量分析光照強度的大小與光合作用強度的關系。

（二）STEM理念引領下的實驗創新教學目標

多學科融合，創新實驗設計思路，運用可視化技術，定量分析并呈現結果;改進實驗裝置，探索變量控制，提高工程素養;處理實驗數據，構建數學模型，提高數學素養。該實驗涉及的STEM教學目標見表1。

二、實驗設計

（一）實驗原理

植物在光合作用中，通過固定CO2生成糖類等有機物（主要為淀粉），淀粉遇碘變藍色，可目測其中的差別，同時碘與淀粉能形成穩定的藍色復合物，實驗能在可見光區測定，且測定的靈敏度高。因此，可用特定波長吸收值來相對定量分析淀粉的生成量，探究不同條件下的光合速率差異，NaHCO3溶液可分解并維持一定環境下CO2的濃度。

（二）實驗器材

綠蘿，NaOH溶液（2 mol/L），NaHCO3溶液（濃度分別為0.1% 、1.0% ），無水乙醇，I2-KI溶液，燒杯，酒精燈，普通離心管（15 mL），微量離心管（2 mL），研缽，分光光度計。

（三）實驗裝置

實驗共設置5個處理組：無光照組（甲組）、無CO2組（乙組，用2 mol/L NaOH溶液去除CO2）、正常組（丙組，無NaHCO3溶液）、0.1%濃度NaHCO3溶液組（丁組）、1.0% 濃度NaHCO3溶液組（戊組）。設計實驗裝置如圖1（a）所示，該裝置僅通過改變X溶液可實現對自變量的控制。實物圖如圖1（b）所示。

三、實驗過程

將正常生長的綠蘿在無光照條件下放置24 h，消耗其有機物，取形態相近的枝條水培于5組紙杯中，按上述分組在40 W的光源下進行不同濃度NaHCO3溶液環境處理6 h。各處理組取1.5 g葉片，用無水乙醇水浴加熱脫色后晾干，用研缽碾碎并加水溶解淀粉，將溶解后的淀粉懸液依次分裝于普通離心管中備用。

最后取各處理組淀粉懸液0.2 mL依次加入微量離心管中，加入等量I2-KI溶液進行顯色反應并記錄顯色結果。同時，使用分光光度計測定顯色反應的吸光值，記錄實驗數據并通過標準曲線計算淀粉含量。

四、實驗結果

各處理組淀粉懸液如圖2所示。將各處理組淀粉懸液與I2-KI溶液進行顯色反應，結果如圖3所示。由顯色結果可得，甲組與I2-KI溶液顏色相近，說明無光照條件下，綠蘿葉片不能進行光合作用，無法合成淀粉，從乙組—丙組—丁組，隨著CO2濃度的增加，離心管內懸液的顏色越來越深，表明隨著CO2濃度的增加，淀粉生成量增加。

研究表明，淀粉溶液在550 nm波長和650 nm波長光下具有較大吸收波峰的能力，本實驗選擇550 nm波長下測定各處理組的相對吸光值，結果如表2所示。在550 nm波長下，除甲組外，其余各處理組的相對吸光值隨著CO2濃度的增加而逐漸增大。

進一步分析淀粉和碘顯色反應550 nm波長下吸光值的標準曲線（圖4）可得550 nm波長下不同相對吸光值對應的淀粉濃度，進而得出6 h內綠蘿葉片合成的淀粉量，計算結果如表3所示。

由表3可知，除甲組外，其余各組隨CO2濃度的增加，6 h內合成的淀粉量逐漸增多，說明一定濃度的NaHCO3溶液可分解并維持一定環境的CO2濃度，使綠蘿進行光合作用并合成淀粉，且在一定范圍內，綠蘿葉片光合作用強度隨CO2濃度的增加逐漸增強。

乙組在無CO2的情況下依然有淀粉生成量，經推測，是由于綠蘿葉片在無光照處理后，細胞內依然存在C3、C5等化合物，當給予適宜光照后，光反應產生的[H]、ATP可將葉綠體基質中的C3還原為有機物，從而實現淀粉的合成。

五、實驗評析與反思

本創新實驗以STEM 教育為理念，以實驗探究為手段，以教材實驗為立足點，制訂多維度的教學目標，準備學習資源和實驗材料，運用技術分析和工程設計組織教學，使學生將合作學習、探究實踐貫穿始終。

實驗通過選擇合適的觀測指標，利用標準曲線，在可視化的基礎上相對定量地探究了CO2濃度對植物光合作用強度的影響。此外，實驗還可進行延伸，如進一步相對定量地探究光照強度、溫度、CO2濃度等影響因素獨立、綜合作用，探究植物生長的最佳光照強度、溫度、CO2濃度等。