“應用微生物解除環境污染”社團課程設計

王懷玲

學習與多環芳烴類物質苯并芘（BaP）相關的生物學相關知識，并不僅局限于學習如何使用顯微鏡觀察口腔細胞、觀察我們手上的細菌等基礎操作內容，而是要把所學知識應用于解決實際問題，讓學生接觸最新的科學知識。本社團課程的設置基于STEM教育理念，以當下熱點為抓手，通過項目式課題形式開展，可提高課程的完整性、趣味性和豐富程度，同時增強學生的自豪感和使命感。將枯燥的知識以最優的形式呈現給學生，吸引他們的注意力，提高其對學科的興趣，為以后相關的學習打下扎實的基礎。

一、小學科學社團服務課程分析

社團服務實踐是培養學生科學核心素養及創新能力的重要學習途徑之一。中小學生是祖國的未來，我們將以學生為本的教學方法作為引導，并結合《國務院關于進一步加強環境保護工作的決定》中“中小學生及幼兒園教育結合有關內容普及環境保護知識”的要求，引導中小學生學習環境知識和技能，滲透環境與發展知識的教育，培養環境保護的意識。主要采用項目式課題的方式引領社團課程，讓創新源于生活，又服務于生活，將社團課程與社會學習結合，給學生帶來全新的視野，有利于學生建立自身的成就感和自豪感，乃至社會責任感，為進一步提高社團課程的教學質量增磚添瓦。

近十年來，隨著沿海河口、港灣地區經濟的迅速發展，環境污染、生態破壞等問題日益嚴重，大量工業和生活廢水、廢物的排放，使得沿海海域的水質、土質和生態環境日益惡化，有毒污染物在環境中的積累和食物鏈的累積效應已成為當今一大不可忽視的環境問題。其中環境科學研究在中小學段已經開展了一系列嘗試。如，香港仁愛堂田家炳小學開展了“空氣污染及水質污染”社團活動，帶領學生通過micro：bit編程及接收空氣質量傳感器測定水質污染情況，并提出改善水質的方法，增強了學生探究學習、合作的能力，增強了學生的環保意識。澳門地區主要通過普及自然常識，如“制作仿生態箱”，來實施環保教育和工程技術教育，將“生態箱原理”“模型制作與材料選擇”以及數學模型相結合，學生相互討論交流確定生態箱的設計方案，并及時改進，學習科學探究的基本方法。

由此可見，環境課程教育已經逐步融入日常教與學的過程中。因此，本課題的情境設計立足于“生活化、現實化”，通過解決實際問題，有目標地去實施。帶著問題去探究學習，可降低課程設計和實施的難度，同時增加學生探究的成就感和自豪感。遵循全面發展的原則，實踐“生活及教育”思想，探索社團教育與生活教育的內在聯系，設計社團教育課程，并為進一步加強社團課程建設提供更多的建議。

二、社團課程設計策略

（一）課程設計目標

本課程設計的目標主要包括四個層面：課程設計目標、學校目標、學生培養目標以及自然和生態目標。

第一是課程設計目標：采用項目式課題研究方式，構建微生物降解環境污染物苯并芘理論模型，研究緩解水體污染的有效解決方法。

第二是學校目標：通過構建項目式社團課程體系，使本社團課程發展成為小學社團教學研一體化課程基地，同時促進教師專業素養、學校教育教學質量的全面提升。

第三是學生培養目標：學生通過項目式課題研究探索過程，學習環境與科學領域的粗淺知識，感受知識的力量，激發內在的學習動機。更重要的是，提高學生的環境保護意識和愛護地球家園的責任感和使命感。

第四是自然和生態目標：通過自然教育，培養具有強烈生態環保意識和良好生態文明習慣的接班人，全面提升中小學生的生態文明素養。

（二）課程設計重難點

雖然，目前學生社團項目豐富多彩，但是獨具特色又能聯系實際解決關鍵問題的優質社團課程卻是現在急需的。我們首先根據研究熱點問題，通過創設真實情境，構建項目式課題研究內容，形成獨具特色的社團課程內容和模式。其次，我們結合學校條件，有的放矢地選擇合適的社團課程內容。課程需要不斷地創新，并且根據不同年級學生的特點，設計不同難度的課程。最后是將獨具特色的社團課程實現合作教學。合作學校的教學資源主要是學生共同講授一個課程，但是不同學校具有不同的特點，可能有不同的教學時間和不同的教學方法，所以需要教師在調查、交流、分析的基礎上，對內容和方式進行整合、分析、優化等處理。這是課程開展過程中較為繁重的工作之一。

（三）課程設計內容

本課程的研究對象為中小學生，其課程設計分為以下四個部分：第一部分魚菜共生系統;第二部分構建苯并芘（BaP）環境污染物污染模型;第三部采用16sRNA篩選降解苯并芘（BaP）菌株種類;第四部分采用高效液相色譜法（HPLC）檢測環境中BaP的殘余量。每個部分的具體設計思路及思考如下：

1.魚菜共生系統

本部分擬以本校的魚菜共生系統為載體。本校的魚菜共生系統是新型的復合耕作體系，把水產養殖和水耕栽培這兩種完全不同的農耕技術，通過虹吸系統等巧妙地融合在一起，從而實現養魚不換水而無水質憂患、種菜不施肥而正常成長的生態共生效應。整個系統是一個閉合的循環系統，易于控制影響水質的外界因素，嚴格控制進入與進出，有利于水質的檢測。魚菜共生系統內的生物，可以飼養魚類或是模式動物模型斑馬魚（斑馬魚一般用于生物實驗中，屬于一種易于飼養的模式動物，和人類基因有著87%的高度相似性。這意味著其實驗結果在大多數情況下適用于人體，常可用于水質環境的監測，作為模式生物的優勢很突出）。在飼養斑馬魚的過程中，魚類的糞便及多投的魚食等有機物，在水中可以分解成氨氮、亞硝酸鹽等有毒物質，而這些有毒物質恰好是水生蔬菜等植物的優質肥料。魚缸中的水先流入地下的過濾系統，經過四層過濾，去掉魚類的糞便和魚食等雜物，同時硝化菌在里面進行初步培育。接下來，水流入我們的種植床。種植床中的砂石一方面可以固定蔬菜，一方面可以作為循環水養魚的生物過濾材料。眾多的細菌在上面附著滋生，可以形成穩固的生物分解系統。水通過虹吸系統進入過濾槽，進一步過濾，最終形成優質水體，再進入魚缸中循環利用。我們的魚菜共生系統連有pH、溶氧量和氧還原電位檢測儀等，智能監控我們的魚菜共生系統。

2.構建苯并芘環境污染物污染模型

我們通過這個魚菜共生系統要做什么呢？如何讓這個課程落地呢？現在環境污染越來越嚴重，比如，各種塑化劑、芳香烴（苯并芘）等環境污染物在食品中的污染越來越嚴重，是食品安全領域內的研究熱點。因為魚菜共生系統屬于密閉環境，很容易控制其他因素，因此，我們可以根據這個特點，通過模式生物（斑馬魚）研究環境污染物苯并芘等在生物體內的代謝，為研究環境污染物的代謝途徑提供非常好的研究工具。我們通過在魚菜共生系統水體中，加入一系列濃度的苯并芘，觀察斑馬魚的生存狀況，篩選出對斑馬魚生存狀況影響不嚴重的濃度進一步研究，并以此濃度為基礎構建苯并芘環境污染物污染模型。

3.采用16sRNA篩選降解苯并芘（BaP）菌株種類

根據實驗室已配備的實驗儀器，如顯微鏡、超凈臺等，本部分的課程設計主要是通過項目式學習來進行。該部分屬于本課題的核心。首先通過查閱文獻，了解目前已經報道的可用來降解環境污染物的微生物;其次，在已構建模型的魚菜共生系統（含污染物）中培養已知微生物。在不同時間段收集水體，采用16sRNA技術，通過基因熱圖等技術篩選優勢菌種。探究分為兩個層面：首先，探究優勢菌種是什么;其次，探究優勢菌種何時達到種群最大化。掌握以上內容后，對其進行驗證，完成微生物降解環境污染物苯并芘污染模型的構建。

在這個過程中，要引導學生充分學習生物相關技術和知識，包括使用顯微鏡、微生物劃平板等，同時引導學生對生活用水中的微生物進行跟蹤觀察研究，并在此基礎上綜合利用不同學校的資源，明確合作教學的內容、環節、操作流程、已有資源分享等，開拓多元化的社團教學方式，在合作教學過程中促進交流與學習。

4.采用高效液相色譜法（HPLC）檢測環境中BaP的殘余量

整合前面的課程，通過應用微生物降解環境污染物苯并芘污染模型，引導學生實際檢測模型的效果。本部分主要采用高效液相色譜法（HPLC）技術檢測水體環境中苯并芘的含量，通過前后對比，得到微生物對環境污染物的降解效率。本部分是我們課題的收尾階段，可以給學生呈現直觀的數據，通過數據增強學生的成就感，意識到自己也可以為保護環境增磚添瓦，激發其環境保護意識。我們的模型還有很多可拓展的方面，比如，依托魚菜共生系統探究環境污染物在斑馬魚體內的生物富集等科學問題。此部分將所學的知識外顯化，將不同學生的思維納入統一的課程成果，同時充分保護學生的創新性思維，并在課程開展過程逐步完善課程內容。現初步搭建的社團課程內容體系如圖1。

三、總結與思考

通過項目式課題研究的引領，在遵循學生身心發展及深度學習的客觀規律基礎上，著眼于學生個性化發展的長遠需求，實現個性化教育教學。利用數字化技術，提升課堂的邏輯性、趣味性、交互性、有效性，從而促使學生的學習潛能不斷被激發，通過項目式深度學習解決生活當中的實際問題。在課程實施過程中，要堅持不斷創新信息化技術平臺，使數據分析簡單化，合適中小學生操作，并總結一套數據分析模板，及時發現分析過程中的問題。若出現異常數據，要精準對接，找出原因，對癥下藥，解決問題，讓學生體驗探索—解疑—發現—改進的探究過程。

社團服務課程整體設計遵循“新·生活”教育理念，通過設置項目式情境，在實際體驗生活的過程中學習，多種感官參與學習，將復雜枯燥的生物知識變得豐富多彩，使中小學生產生學習的內驅力。本課題的主要成果是成功構建以項目式形式開設社團服務課程的基本模式，并形成相關前沿課題的基本模式，鼓勵實驗學校、實驗學科和教師深度實踐、積極探索變式。同時，本課題的重點是，通過應用微生物解除環境污染，將社團模式與環境保護相結合，將前沿的、先進的數字化技術納入教育教學領域，使技術與教學深度融合、有機整合、相輔相成，打造創客創新教育模式的新高地。學生通過“探究式+項目式”學習，培養科學素養，并借此促進教師的專業素養、學生的學科素養、學校的教育教學質量全面提升。更重要的是，這項研究能使學生了解目前環境污染現狀，激發環境保護意識，增強愛護地球家園的責任感和使命感。