融入STEM 教育理念的生物學(xué)專題復(fù)習(xí)教學(xué)
——以“光合作用與細(xì)胞呼吸實(shí)驗(yàn)探究”復(fù)習(xí)為例

陸曉燕

（古田第一中學(xué)，福建 寧德 352200）

STEM 教育是融合科學(xué)與數(shù)學(xué)知識(shí)，以先進(jìn)技術(shù)及工程思維解決現(xiàn)實(shí)世界問題的教育模式。生物學(xué)是自然科學(xué)領(lǐng)域的重要學(xué)科之一，它在微觀和宏觀方面的迅猛發(fā)展，得益于數(shù)學(xué)研究，更離不開信息技術(shù)、工程技術(shù)的支持。［1］筆者嘗試在高三生物學(xué)專題復(fù)習(xí)教學(xué)中融入STEM 理念，圍繞某一核心知識(shí)，以問題情境引導(dǎo)學(xué)生理解與運(yùn)用生物學(xué)必備知識(shí)，形成系統(tǒng)學(xué)、工程學(xué)思維，同時(shí)提升探究與實(shí)踐能力，旨在提高復(fù)習(xí)教學(xué)的有效性與針對(duì)性。現(xiàn)以“光合作用與細(xì)胞呼吸實(shí)驗(yàn)探究”專題復(fù)習(xí)為例，探討生物學(xué)專題復(fù)習(xí)教學(xué)策略。

一、闡釋專題復(fù)習(xí)設(shè)計(jì)思路

“光合作用”與“細(xì)胞呼吸”是高中生物學(xué)“分子與細(xì)胞”模塊的重要內(nèi)容，是生物學(xué)大概念“細(xì)胞的生存需要能量和營養(yǎng)物質(zhì)”涉及的主要生理過程，其是細(xì)胞代謝中最核心的物質(zhì)和能量變化過程。為更好地將STEM 理念融入生物學(xué)復(fù)習(xí)教學(xué)，幫助學(xué)生學(xué)會(huì)整合多學(xué)科知識(shí)，提升解決實(shí)際問題所要掌握的技術(shù)素養(yǎng)，以及為解決問題或完成項(xiàng)目而應(yīng)具備的工程素養(yǎng)［2］，根據(jù)《普通高中生物學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017 年版）》（下文簡稱“課程標(biāo)準(zhǔn)”）要求，“光合作用與細(xì)胞呼吸實(shí)驗(yàn)探究”專題復(fù)習(xí)教學(xué)設(shè)計(jì)思路是：以生物學(xué)高考試題及實(shí)驗(yàn)裝置創(chuàng)設(shè)系列問題情境，引導(dǎo)學(xué)生應(yīng)用光合作用和細(xì)胞呼吸等核心知識(shí)，分析實(shí)例、設(shè)計(jì)與實(shí)施實(shí)驗(yàn)方案，促進(jìn)學(xué)生聚焦生命觀念，復(fù)習(xí)、重構(gòu)相關(guān)概念及重要概念，提升科學(xué)思維及科學(xué)探究能力，發(fā)展生物學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)，實(shí)現(xiàn)二輪復(fù)習(xí)目標(biāo)。

二、制訂專題復(fù)習(xí)目標(biāo)

根據(jù)課程標(biāo)準(zhǔn)的內(nèi)容要求、學(xué)業(yè)質(zhì)量水平、教學(xué)建議及具體學(xué)情，制訂“光合作用與細(xì)胞呼吸實(shí)驗(yàn)探究”專題復(fù)習(xí)目標(biāo)。

第一，通過分析有關(guān)生產(chǎn)實(shí)例，闡明提高農(nóng)作物產(chǎn)量的具體措施，如延長光照時(shí)間、提高CO2濃度、增大晝夜溫差等，從而厘清光合作用與細(xì)胞呼吸在物質(zhì)、能量方面的關(guān)聯(lián)，形成結(jié)構(gòu)與功能觀、物質(zhì)與能量觀等生命觀念。第二，通過設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案，能熟練寫出實(shí)驗(yàn)思路并預(yù)期實(shí)驗(yàn)結(jié)果及實(shí)驗(yàn)結(jié)論。能根據(jù)所提供的生物材料和實(shí)驗(yàn)器材，篩選所需用具進(jìn)行實(shí)驗(yàn)裝置的組裝，并進(jìn)一步完善實(shí)驗(yàn)。學(xué)會(huì)建構(gòu)物理模型的方法，發(fā)展分析問題、解決問題能力及創(chuàng)造性思維能力。第三，通過有關(guān)資料的閱讀，能運(yùn)用所學(xué)的生物學(xué)知識(shí)和方法，對(duì)生產(chǎn)生活中的有關(guān)問題作出理性的判斷和解釋，增強(qiáng)尊重科學(xué)、理智運(yùn)用科學(xué)成果提高人類生活質(zhì)量的社會(huì)責(zé)任意識(shí)與擔(dān)當(dāng)。

三、實(shí)施專題復(fù)習(xí)教學(xué)

（一）聚焦生產(chǎn)情境，導(dǎo)入專題復(fù)習(xí)

基于建構(gòu)主義學(xué)習(xí)理論的STEM 教育強(qiáng)調(diào)：在真實(shí)的情境下，綜合應(yīng)用多學(xué)科知識(shí)解決實(shí)際問題。在這一過程中，新情境中的新問題有助于學(xué)習(xí)者在原有的知識(shí)經(jīng)驗(yàn)基礎(chǔ)上建構(gòu)知識(shí)。［3］利用生產(chǎn)實(shí)例導(dǎo)入教學(xué)，激發(fā)學(xué)生的復(fù)習(xí)興趣，并創(chuàng)設(shè)系列問題情境，使得模糊的概念清晰化、零碎的知識(shí)系統(tǒng)化，提高復(fù)習(xí)效率。

首先，介紹中國蔬菜之鄉(xiāng)“山東壽光蔬菜大棚”的發(fā)展史：以往在寒冬臘月，當(dāng)?shù)毓限r(nóng)為提高黃瓜產(chǎn)量，并使之早日上市，應(yīng)用日夜燃燒煤球爐的方法為蔬菜大棚供暖?，F(xiàn)在，應(yīng)用高科技的智能綜合管理系統(tǒng)及有關(guān)先進(jìn)設(shè)施，促進(jìn)蔬菜快速生長，實(shí)現(xiàn)增產(chǎn)增效。以此創(chuàng)設(shè)系列問題：①以往瓜農(nóng)的措施科學(xué)嗎？你會(huì)選擇哪種方法？并闡述理由。②請(qǐng)分析智能放風(fēng)機(jī)、LED 補(bǔ)光燈、地下地?zé)峁艿赖仍O(shè)施是如何促進(jìn)蔬菜產(chǎn)量的提升？③造成光合作用和細(xì)胞呼吸強(qiáng)度發(fā)生改變的環(huán)境因素有哪些？生產(chǎn)實(shí)踐上提高農(nóng)作物產(chǎn)量的具體措施有哪些？

圍繞上述問題，引導(dǎo)學(xué)生復(fù)習(xí)有關(guān)光合作用與呼吸作用知識(shí)：第一，影響光合作用的環(huán)境因素有光照、溫度、CO2濃度、礦質(zhì)元素等。第二，LED 補(bǔ)光燈的適時(shí)利用，既能補(bǔ)充植物所需光照，又能延長光照時(shí)間，有利于植物體內(nèi)有機(jī)物的合成。冬季大棚中地?zé)峁艿涝鰷?，能提高土壤溫度，促進(jìn)根部細(xì)胞的有氧呼吸，有利于植物對(duì)土壤中礦質(zhì)元素的吸收。不同種類的礦質(zhì)元素與光合色素、ATP、NADPH 的形成皆存在密切關(guān)系，影響光合作用過程。智能綜合管理的通風(fēng)措施，既能保證蔬菜大棚中CO2的供應(yīng)，又能增大晝夜溫差，使得植物體內(nèi)有機(jī)物的積累量增大，植物生長加快、產(chǎn)量提高。復(fù)習(xí)這些核心知識(shí)，為開展課堂復(fù)習(xí)教學(xué)活動(dòng)奠定知識(shí)基礎(chǔ)。

（二）開展科學(xué)探究活動(dòng)，助力技術(shù)工程素養(yǎng)提升

為了提升學(xué)生的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)能力，發(fā)展技術(shù)工程素養(yǎng)，以高考試題及實(shí)驗(yàn)裝置創(chuàng)設(shè)問題情境，組織學(xué)生開展科學(xué)探究活動(dòng)，充分彰顯高中生物學(xué)課程的理科屬性，培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)思維能力與科學(xué)探究能力。

首先，以生物學(xué)高考2016 年課標(biāo)II 第31 題為例，引導(dǎo)學(xué)生分析該實(shí)驗(yàn)的自變量與因變量，了解該實(shí)驗(yàn)是定性分析光合作用和呼吸作用的關(guān)系。為了定量分析光合作用和呼吸作用關(guān)系，利用有色液滴移動(dòng)實(shí)驗(yàn)裝置（圖1），引導(dǎo)學(xué)生小組討論：圖1 裝置中若加入不同的實(shí)驗(yàn)材料和試劑可以開展哪些探究實(shí)驗(yàn)？經(jīng)過討論、相互補(bǔ)充，學(xué)生總結(jié)：可以利用該裝置開展光合速率及呼吸速率測(cè)定、探究呼吸方式及呼吸底物、CO2濃度對(duì)光合速率的影響、光照強(qiáng)度對(duì)光合速率的影響、溫度對(duì)光合速率影響等一系列探究實(shí)驗(yàn)。

圖1 有色液滴移動(dòng)實(shí)驗(yàn)裝置

以生物學(xué)高考試題及實(shí)驗(yàn)裝置創(chuàng)設(shè)問題情境，引導(dǎo)學(xué)生走出死記硬背知識(shí)的誤區(qū)，促進(jìn)學(xué)生理解與應(yīng)用有關(guān)光合作用、細(xì)胞呼吸等核心知識(shí)，正確認(rèn)識(shí)這兩核心知識(shí)之間的內(nèi)在聯(lián)系，為復(fù)習(xí)提供思維與探究支架。

接著，進(jìn)一步創(chuàng)設(shè)問題情境：

某學(xué)習(xí)小組為探究不同光照強(qiáng)度對(duì)黑藻光合作用的影響，將生長發(fā)育狀況良好的黑藻分別裝入6 個(gè)含等量1%NaHCO3 溶液的錐形瓶中，并連接U 型管（管中裝入一定量的水），用不同瓦數(shù)的LED 光源進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，得到下列結(jié)果（表1）［4］

表1 不同光照強(qiáng)度對(duì)黑藻光合作用的影響

①分析表1 數(shù)據(jù)，說出U 型管液面高度的變化代表什么含義？闡明黑藻光合作用強(qiáng)度變化與光照強(qiáng)度變化的關(guān)系？

②若將上述材料放在圖2 所示的裝置中，用同樣梯度的LED 光源進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，則紅色液滴該如何移動(dòng)？若在單位時(shí)間內(nèi)測(cè)得紅色液滴向右移動(dòng)的距離，它表示的是真光合速率還是凈光合速率？兩者的關(guān)系如何表述？

圖2 凈光合速率測(cè)定裝置

③若要進(jìn)一步研究CO2濃度對(duì)黑藻光合速率的影響，應(yīng)如何設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)？請(qǐng)說出設(shè)計(jì)思路并預(yù)測(cè)實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

④為探究NaHCO3 濃度（即CO2濃度）對(duì)光合作用的影響，該實(shí)驗(yàn)小組用圖2 實(shí)驗(yàn)裝置進(jìn)行相關(guān)實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖3。當(dāng)NaHCO3 溶液濃度超過一定值后，黑藻的光合速率為什么反而下降？請(qǐng)說明理由。

圖3 不同濃度NaHCO3溶液對(duì)黑藻光合速率的影響

⑤該小組利用圖2 裝置深入探究細(xì)胞呼吸的方式，實(shí)驗(yàn)室提供萌發(fā)的種子、盆栽幼苗、1%NaHCO3溶液、1%NaOH 溶液、蒸餾水及多套有色液滴移動(dòng)裝置。請(qǐng)大家從中選擇合適材料和試劑，設(shè)計(jì)正確的實(shí)驗(yàn)裝置,幫助他們完成任務(wù)（要求：由各小組代表上臺(tái)演示小組實(shí)驗(yàn)裝置并說明設(shè)計(jì)思路）。

通過系列探究活動(dòng)，引導(dǎo)學(xué)生逐步深入地探究光照強(qiáng)度、CO2濃度影響黑藻光合速率等相關(guān)問題，學(xué)會(huì)合理選擇實(shí)驗(yàn)材料，明確對(duì)照裝置中分別選擇NaOH溶液和蒸餾水的生物學(xué)意義；正確辨析真正光合速率、凈光合速率和細(xì)胞呼吸速率的關(guān)系等重要概念；結(jié)合數(shù)學(xué)相關(guān)知識(shí)，靈活運(yùn)用實(shí)驗(yàn)裝置圖、數(shù)據(jù)表格圖及坐標(biāo)曲線圖等表達(dá)對(duì)有關(guān)生物學(xué)規(guī)律的認(rèn)識(shí)。同時(shí)，指導(dǎo)學(xué)生小組合作設(shè)計(jì)、評(píng)價(jià)與修正實(shí)驗(yàn)裝置，促進(jìn)學(xué)生探究萌發(fā)種子的呼吸方式及其所消耗的底物等，正確認(rèn)識(shí)呼吸熵概念。布置學(xué)生課后繼續(xù)完成不同溫度、不同光質(zhì)等因素對(duì)光合速率影響的相關(guān)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，建構(gòu)光合作用與呼吸作用知識(shí)網(wǎng)絡(luò)圖。

（三）應(yīng)用數(shù)字化實(shí)驗(yàn)，提升復(fù)習(xí)教學(xué)效果

根據(jù)課程標(biāo)準(zhǔn)在“實(shí)施建議”提出的要求“進(jìn)行生物學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)，要同時(shí)重視定性實(shí)驗(yàn)和定量實(shí)驗(yàn)，要讓學(xué)生在量的變化中了解事物的本質(zhì)，給學(xué)生提供機(jī)會(huì)學(xué)習(xí)不同的測(cè)量方法”。［1］指導(dǎo)生物學(xué)課外興趣小組利用數(shù)字化實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)完成有關(guān)光合作用與細(xì)胞呼吸探究實(shí)驗(yàn)，鼓勵(lì)學(xué)生利用課外時(shí)間到數(shù)字化實(shí)驗(yàn)室親身體驗(yàn)新技術(shù)新工具的應(yīng)用。

課堂復(fù)習(xí)教學(xué)時(shí)，指導(dǎo)學(xué)生思考：有色液滴實(shí)驗(yàn)裝置雖然可以通過液滴移動(dòng)來測(cè)定光合作用和呼吸作用過程中O2或CO2量的變化情況，但所需時(shí)間較長，數(shù)據(jù)變化不夠精確，大家是否有更好的方法？并介紹學(xué)校數(shù)字化實(shí)驗(yàn)室配備情況及數(shù)字化實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的操作步驟，幫助學(xué)生了解數(shù)字化實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)具有快速、直觀、量化、智能化等優(yōu)點(diǎn)，有助于迅速、準(zhǔn)確地以曲線、圖表等直觀形式呈現(xiàn)實(shí)驗(yàn)結(jié)果。［5］同時(shí)，讓學(xué)生明白數(shù)字化實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)采集器可以連接多個(gè)傳感器，這意味著測(cè)定環(huán)境因素對(duì)光合速率的影響時(shí)，可同時(shí)連接光照、溫度、O2等傳感器，以獲得多因子變量對(duì)光合速率影響的曲線圖。進(jìn)一步引導(dǎo)學(xué)生遷移應(yīng)用上述知識(shí)：溫室栽培農(nóng)作物時(shí)，白天要適當(dāng)提高溫度，同時(shí)增加CO2濃度，以提高光合速率；溫度適宜時(shí)，也可適當(dāng)增加光照強(qiáng)度和CO2濃度來提高光合速率。這樣才能真正做到應(yīng)用所學(xué)的生物學(xué)思想、知識(shí)和方法，合理地解釋生產(chǎn)生活中有關(guān)問題。并讓學(xué)生領(lǐng)悟生物科學(xué)的發(fā)展和技術(shù)領(lǐng)域的革新是密不可分的，每一次技術(shù)方法的進(jìn)步，都為相關(guān)研究領(lǐng)域的突破帶來新的契機(jī)，并有助于中學(xué)生物學(xué)教學(xué)改革。促進(jìn)學(xué)生關(guān)注生物科學(xué)領(lǐng)域的發(fā)展及生物學(xué)社會(huì)熱點(diǎn)問題，增強(qiáng)學(xué)生的社會(huì)責(zé)任感。

“光合作用與細(xì)胞呼吸實(shí)驗(yàn)探究”專題復(fù)習(xí)融合STEM 教育理念，以生產(chǎn)實(shí)例創(chuàng)設(shè)情境，以高考試題及實(shí)驗(yàn)裝置為線索，設(shè)計(jì)系列探究活動(dòng)，幫助學(xué)生在解決問題的過程中，查缺補(bǔ)漏，深入地理解、靈活地應(yīng)用光合作用及細(xì)胞呼吸等核心知識(shí)，學(xué)會(huì)多角度地思考問題，以及生物學(xué)探究實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方法，提高獲取信息能力、科學(xué)思維能力及科學(xué)探究能力，發(fā)展核心素養(yǎng)。