基于STEM 理念的初中生物學實驗設計
——以蘇科版“植物的蒸騰作用”為例

文｜楊 珍

蘇科版八年級上冊生物學中的“植物的蒸騰作用”實驗，展示了實驗在生物學教學中的價值和重要性。該實驗涵蓋在“生態系統的穩定”章節，通過具體實驗操作，學生可以深入了解綠色植物在生物圈水循環中的角色，以及葉片結構和蒸騰作用之間的內在聯系。本研究旨在探討如何將STEM 理念融入“植物的蒸騰作用”的實驗設計和實施中，以促進學生對生物學現象的深入理解和培養學生的探究能力。

一、“植物的蒸騰作用”的實驗設計

1.實驗目的

在“植物的蒸騰作用”中，學生通過觀察和操作，能夠深刻地理解蒸騰作用及其在生物圈水循環中的重要角色。通過對植物葉片的直接觀察和蒸騰作用的測定，學生能夠更清晰地了解到水分在植物體內的運動方式，以及其最終通過蒸騰作用返回到大氣中的過程。這一過程不僅關系到植物的生長發育，更在生物圈的水循環中起到不可或缺的作用。

2.實驗原理

實驗原理是實驗的核心，它指導整個實驗的設計和實施。在“植物的蒸騰作用”實驗中，理解葉片結構、氣孔和蒸騰作用之間的關系至關重要，葉片是植物進行光合作用和蒸騰作用的主要場所。其中，氣孔作為葉片的一個重要結構，直接參與了蒸騰作用，影響著水分的釋放和氣體的交換。氣孔位于葉片的表皮細胞之間，是一個微小的開口結構。在這個實驗中，學生將通過顯微鏡觀察到氣孔的具體形態和結構，理解其在蒸騰作用中的作用。氣孔的開閉由其周圍的兩個保衛細胞控制，這影響著水氣的釋放量和速率。蒸騰作用是植物葉片通過氣孔釋放水蒸氣到大氣中的過程。這一過程受多種因素的影響，包括環境溫度、濕度、光照強度等。在實驗中，通過改變這些條件，學生可以觀察到蒸騰作用的變化，從而深入了解其背后的生理機制和生態意義。在生物圈的水循環中，植物的蒸騰作用起到橋梁作用。它將地表和植物體內的水分轉化為水蒸氣，釋放到大氣中，參與云的形成和降水過程。這一過程不僅維持了生物圈內的水分平衡，還影響著全球的氣候和生態系統。通過本實驗，學生能夠直觀地了解到這一過程，領略生物學的奧秘和生態學的重要性。

二、“植物的蒸騰作用”的實驗步驟與方法

1.準備材料

要確保“植物的蒸騰作用”實驗的順利進行，事先準備好所有必要的材料是關鍵。選擇健康、生長旺盛的綠色植物作為實驗對象，可以考慮選用具有較大、平滑葉片的植物，以便于后續的觀察和分析。在植物選擇方面，應注意植物種類的代表性，確保實驗結果的普適性和可推廣性。顯微鏡是本實驗的重要工具，需要根據實驗的具體要求，選擇分辨率、放大倍數適當的顯微鏡。必要時，教師可以準備數字顯微鏡以便于圖像的捕捉和分析。顯微鏡在使用前，要確保其清潔、校準，減少誤差，保證觀察的準確性。計量設備的選擇與準備也不容忽視。為了準確測量植物蒸騰作用的相關參數，如水蒸氣的釋放量等，需要精確、可靠的計量設備。這包括但不限于計量罐、稱重設備等。這些設備要在實驗前進行校準和測試，確保數據的準確。此外，教師還需要準備其他輔助材料，如刻度容器、濾紙等，以及記錄數據的筆記本和攝像設備。所有這些材料都應根據實驗的具體需求和步驟事先準備妥當，確保實驗過程的流暢和數據的準確。

2.操作步驟

本實驗的操作步驟涵蓋葉片采集、氣孔觀察、蒸騰作用的測定。首先是葉片采集，要選取健康、完整的葉片，避免選擇受損或病變的葉片。使用剪刀沿著葉柄切取，然后放入透明塑料袋中保持新鮮；氣孔觀察需要利用之前準備好的顯微鏡。將采集到的葉片制作成臨時裝片固定在顯微鏡的載玻片上，通過顯微鏡觀察氣孔的分布、形狀和大小，并用攝像設備記錄下清晰的圖像，以便后續的分析和討論；蒸騰作用的測定需要用到刻度容器和稱重設備。首先，在固定的時間間隔內，用刻度容器收集植物釋放到大氣中的水蒸氣。其次，利用稱重設備測量葉片在蒸騰作用過程中的質量變化。通過這些數據，我們可以計算出蒸騰作用的速率和效率。

3.數據記錄

本實驗的重點是對氣孔數量和結構以及植物蒸騰作用的速率和效率進行準確測量和分析。在氣孔觀察階段，通過高清顯微鏡和相機設備，記錄清晰的氣孔圖像，并通過計數分析得出每平方毫米葉片面積上氣孔的平均數量為50 個。同時，我們還需要對氣孔的形狀、大小以及分布等信息進行詳細的記錄和分類，以供后續的數據對比和分析。

蒸騰作用測定的數據更為豐富，采用精確計量設備，每隔30 分鐘測量一次葉片質量和收集到的水蒸氣量。首次測量，葉片質量為20.5 克，水蒸氣量為0；經過30 分鐘后，葉片質量減少到20.2 克，水蒸氣量增加到0.3 毫升。繼續測量，直至180 分鐘，通過對比分析葉片質量和水蒸氣量的變化趨勢，發現兩者之間存在明顯的負相關關系，具體的測量數據如表1所示。

表1 蒸騰實驗數據測定表

通過分析表1 的數據，根據葉片質量下降與水蒸氣量增加之間的關系，可以初步判定植物蒸騰作用速率和效率與葉片氣孔數量和結構關系密切。

三、STEM 理念在“植物的蒸騰作用”實驗中的體現

1.科學

在“植物的蒸騰作用”實驗中，學生被引導去觀察葉片的氣孔，一個微小卻對植物生命至關重要的結構。學生學習如何使用顯微鏡，如何精確地記錄氣孔的數量和形態。這些步驟都深深植根于科學的方法——觀察、記錄、分析。在分析階段，學生需要思考氣孔數量和形態與蒸騰作用之間的聯系，這里涉及生物學和生態學的知識。學生需要理解，是怎樣的氣孔結構促成高效的蒸騰，這背后又有怎樣的生物學機制。每一個問題的回答，都需要學生運用已有的知識，同時鼓勵他們去探索未知、去查詢資料、去求證假設。這一切都是科學思維的體現。

2.技術

在本次實驗中，技術的應用體現在多個方面，尤其是在實驗操作和數據分析階段。在實驗操作中，學生使用先進的顯微鏡來觀察植物葉片的氣孔。這一技術工具不僅使微小的氣孔清晰可見，還能通過數字成像技術捕獲和存儲圖像數據，為后續的分析提供便利。技術的應用使學生能更深入、細致地探索氣孔與蒸騰作用之間的關系，推動他們的科學探究進入更高層次。在數據分析階段，技術同樣發揮著重要的作用。通過專業的數據分析軟件，學生能更準確和高效地處理實驗數據，識別和分析蒸騰作用的模式和趨勢。

3.工程

工程在這里并不只是一個具體操作或者技術應用，它更是一種對復雜系統和流程的理解和掌控。在實驗的每個階段，都需要工程的精確和嚴謹。比如，在準備材料時，工程思維要求我們不僅要準備所需的物品，還要考慮這些物品的性能、精度，以及它們之間的相互關系和影響。同樣，在實驗操作中，工程思維也起到了核心作用。它指導學生如何精確地采集葉片、如何有效地觀察氣孔、如何準確地測定蒸騰作用。每個操作都需要精確和嚴謹，這不僅是技術和技能的要求，更是對整個實驗流程和結構的深刻理解。

4.數學

數學作為實驗的基石，在“植物的蒸騰作用”實驗中扮演著關鍵角色。在實驗的數據記錄和分析階段，數學的作用尤為顯著。學生通過數學工具，對實驗數據進行統計和分析，這不僅增強了數據的可讀性和可理解性，更使實驗結果更為準確和可靠。如“植物的蒸騰作用”實驗，數學幫助學生量化了蒸騰作用的速率和效率，使這一復雜的生物現象可以被量化和分析。通過數學模型和算法，學生可以更深入地探索蒸騰作用與氣孔參數、環境條件之間的關系，揭示出這一生物現象背后的規律和原理。

四、“植物的蒸騰作用”實驗的結果與討論

1.展示實驗結果

完成“植物的蒸騰作用”實驗后，學生得到一系列翔實的數據和觀察結果。實驗數據如表2 所示，通過這些數據，可以更直觀地理解蒸騰作用及其與各種環境因素的關系。一是葉片氣孔的觀察，學生利用顯微鏡，深入探索了氣孔的結構和分布。每片葉子都呈現出一個微觀的奇妙世界，氣孔以其特有的形態和排列，揭示了生命的精妙構造。二是蒸騰作用的測定，實驗數據顯示，隨著光照強度的增加，而濕度保持適中的條件下，蒸騰作用更為明顯。學生通過精確的計量和記錄，對不同條件下的蒸騰速率有了清晰的認識。

表2 植物蒸騰作用數據表

由表2 可以看出，隨著光照強度的增加，植物的蒸騰作用也隨之增強，這也驗證了實驗前的假設。實驗結果不僅印證了蒸騰作用的基本原理，還揭示了其在不同環境條件下的動態變化特征。

為了對實驗數據進行深入分析，采取了數據對比和圖表展示的方法，明確了葉片蒸騰作用在不同條件下的變化特點，以此更好地適應外界環境的變化，這也揭示了生物與環境之間存在微妙而復雜的關系。

2.結果討論

實驗數據和觀察結果帶來了豐富的信息，引領學生深入探討植物蒸騰作用與生物圈水循環的內在聯系。氣孔的結構和分布直接影響蒸騰作用的效率。通過對比分析，學生發現，在光照充足、溫度適中的條件下，氣孔更傾向于打開，促使水分蒸發，這一點從蒸騰速率的數據也得到了驗證。學生進一步探討了蒸騰作用對生物圈水循環的影響。實驗數據顯示，蒸騰作用是植物釋放水分到大氣中的主要途徑。這一過程不僅幫助植物調節體溫、輸送營養，還對大氣濕度、云的形成和降水量產生影響。學生認識到，蒸騰作用是生物圈水循環中不可或缺的一環，它連接著陸地生態系統與大氣系統，維護著地球上的水分平衡。通過對實驗結果的深入分析，學生不僅加深了對蒸騰作用的理解，還開始思考更廣泛的生態和環境問題。這次實驗讓學生認識到，生物和環境是一個不可分割的整體，每一個生物過程都與環境息息相關，互相影響。這種認識將激發學生進一步探索生物與環境的關系，為生物學和生態學的學習奠定堅實的基礎。

本次實驗深入探討了植物的蒸騰作用及其在生物圈水循環中的關鍵角色。學生親手操作、觀察和分析，不僅積累了實驗技能，更在STEM 理念的指引下，拓寬了對生物學和生態學的認知。實驗的每一步都是探索與發現的旅程，每一個數據都揭示了生物與環境的緊密聯系。期望這次實驗能夠成為學生科學探索之旅的起點，引領他們走向更廣闊的學術領域。