基于STEM理念的實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新

陳能訓(xùn) 羅福海 李樸

STEM理念在培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)、技術(shù)、工程、數(shù)學(xué)以及跨學(xué)科融合中發(fā)揮著重要作用。在生物教學(xué)中融入STEM理念，能使學(xué)生感受到生物學(xué)與科學(xué)發(fā)展、技術(shù)革新密切相關(guān)，并在潛移默化中提升學(xué)生的思維能力、動(dòng)手能力和解決問題的能力等。滲透STEM理念的生物教學(xué)應(yīng)結(jié)合學(xué)科特點(diǎn)，發(fā)展跨學(xué)科融合的實(shí)驗(yàn)教學(xué)案例是一個(gè)很好的途徑。

我們以“探究CO2濃度對(duì)光合作用強(qiáng)度的影響”實(shí)驗(yàn)為例，從實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新的緣起、實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)、實(shí)驗(yàn)過程、實(shí)驗(yàn)結(jié)果和實(shí)驗(yàn)評(píng)析與反思5個(gè)方面，分析STEM理念的實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新教學(xué)實(shí)踐，探索課堂教學(xué)新模式，思考教學(xué)實(shí)踐的可行性和現(xiàn)實(shí)意義。

一、實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新的緣起

（一）實(shí)驗(yàn)分析

教材中，“探究環(huán)境因素對(duì)光合作用強(qiáng)度的影響”這個(gè)實(shí)驗(yàn)有利于學(xué)生構(gòu)建光合作用過程和原理的應(yīng)用模型，但教材中并未展示CO2濃度對(duì)光合作用強(qiáng)度的影響，不利于學(xué)生理解光合作用受哪些因素的綜合影響。在實(shí)驗(yàn)過程中，操作時(shí)易出現(xiàn)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(dǎo)致細(xì)胞充水不足，葉片不易下沉，或水分過多導(dǎo)致葉肉細(xì)胞結(jié)構(gòu)被破壞。

2.不能定量分析光照強(qiáng)度的大小與光合作用強(qiáng)度的關(guān)系。

（二）STEM理念引領(lǐng)下的實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新教學(xué)目標(biāo)

多學(xué)科融合，創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)思路，運(yùn)用可視化技術(shù)，定量分析并呈現(xiàn)結(jié)果;改進(jìn)實(shí)驗(yàn)裝置，探索變量控制，提高工程素養(yǎng);處理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，構(gòu)建數(shù)學(xué)模型，提高數(shù)學(xué)素養(yǎng)。該實(shí)驗(yàn)涉及的STEM教學(xué)目標(biāo)見表1。

二、實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

（一）實(shí)驗(yàn)原理

植物在光合作用中，通過固定CO2生成糖類等有機(jī)物（主要為淀粉），淀粉遇碘變藍(lán)色，可目測(cè)其中的差別，同時(shí)碘與淀粉能形成穩(wěn)定的藍(lán)色復(fù)合物，實(shí)驗(yàn)?zāi)茉诳梢姽鈪^(qū)測(cè)定，且測(cè)定的靈敏度高。因此，可用特定波長(zhǎng)吸收值來相對(duì)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(huán)境下CO2的濃度。

（二）實(shí)驗(yàn)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(jì)。

（三）實(shí)驗(yàn)裝置

實(shí)驗(yàn)共設(shè)置5個(gè)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(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)裝置如圖1（a）所示，該裝置僅通過改變X溶液可實(shí)現(xiàn)對(duì)自變量的控制。實(shí)物圖如圖1（b）所示。

三、實(shí)驗(yàn)過程

將正常生長(zhǎng)的綠蘿在無光照條件下放置24 h，消耗其有機(jī)物，取形態(tài)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(jìn)行不同濃度NaHCO3溶液環(huán)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(jìn)行顯色反應(yīng)并記錄顯色結(jié)果。同時(shí)，使用分光光度計(jì)測(cè)定顯色反應(yīng)的吸光值，記錄實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)并通過標(biāo)準(zhǔn)曲線計(jì)算淀粉含量。

四、實(shí)驗(yàn)結(jié)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(jìn)行顯色反應(yīng)，結(jié)果如圖3所示。由顯色結(jié)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(jìn)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(nèi)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(zhǎng)和650 nm波長(zhǎng)光下具有較大吸收波峰的能力，本實(shí)驗(yàn)選擇550 nm波長(zhǎng)下測(cè)定各處理組的相對(duì)吸光值，結(jié)果如表2所示。在550 nm波長(zhǎng)下，除甲組外，其余各處理組的相對(duì)吸光值隨著CO2濃度的增加而逐漸增大。

進(jìn)一步分析淀粉和碘顯色反應(yīng)550 nm波長(zhǎng)下吸光值的標(biāo)準(zhǔn)曲線（圖4）可得550 nm波長(zhǎng)下不同相對(duì)吸光值對(duì)應(yīng)的淀粉濃度，進(jìn)而得出6 h內(nèi)綠蘿葉片合成的淀粉量，計(jì)算結(jié)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(nèi)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(huán)境的CO2濃度，使綠蘿進(jìn)行光合作用并合成淀粉，且在一定范圍內(nèi)，綠蘿葉片光合作用強(qiáng)度隨CO2濃度的增加逐漸增強(qiáng)。

乙組在無CO2的情況下依然有淀粉生成量，經(jīng)推測(cè)，是由于綠蘿葉片在無光照處理后，細(xì)胞內(nèi)依然存在C3、C5等化合物，當(dāng)給予適宜光照后，光反應(yīng)產(chǎn)生的[H]、ATP可將葉綠體基質(zhì)中的C3還原為有機(jī)物，從而實(shí)現(xiàn)淀粉的合成。

五、實(shí)驗(yàn)評(píng)析與反思

本創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)以STEM 教育為理念，以實(shí)驗(yàn)探究為手段，以教材實(shí)驗(yàn)為立足點(diǎn)，制訂多維度的教學(xué)目標(biāo)，準(zhǔn)備學(xué)習(xí)資源和實(shí)驗(yàn)材料，運(yùn)用技術(shù)分析和工程設(shè)計(jì)組織教學(xué)，使學(xué)生將合作學(xué)習(xí)、探究實(shí)踐貫穿始終。

實(shí)驗(yàn)通過選擇合適的觀測(cè)指標(biāo)，利用標(biāo)準(zhǔn)曲線，在可視化的基礎(chǔ)上相對(duì)定量地探究了CO2濃度對(duì)植物光合作用強(qiáng)度的影響。此外，實(shí)驗(yàn)還可進(jìn)行延伸，如進(jìn)一步相對(duì)定量地探究光照強(qiáng)度、溫度、CO2濃度等影響因素獨(dú)立、綜合作用，探究植物生長(zhǎng)的最佳光照強(qiáng)度、溫度、CO2濃度等。