張 瑩 李艷梅

(山東省淄博實(shí)驗(yàn)中學(xué) 淄博 255000)

STEM教育最早出現(xiàn)于美國的大學(xué)教育中，是科學(xué)(science)、技術(shù)(technology)、工程(engineering)和數(shù)學(xué)(mathematics)四門學(xué)科英文首字母的縮寫，強(qiáng)調(diào)跨學(xué)科的融合，倡導(dǎo)以工程設(shè)計(jì)過程為主導(dǎo)，以學(xué)生的主動實(shí)踐為中心，通過合作完成在真實(shí)情境中的學(xué)習(xí)。

本文以人教版高中生物學(xué)選修教材中“分解纖維素的微生物的分離”為例，嘗試運(yùn)用STEM理念，借助項(xiàng)目式教學(xué)(Project-Based Learning)的方法，以真實(shí)情境作為問題驅(qū)動，通過小組合作學(xué)習(xí)的方式開展融合各學(xué)科知識的項(xiàng)目探究，以期提升學(xué)生創(chuàng)新性思維、科學(xué)探究、社會責(zé)任等學(xué)科核心素養(yǎng)。項(xiàng)目探究過程中生成性問題的出現(xiàn)，會引出新的探究項(xiàng)目，因此本文將按時間順序介紹不同探究階段所確立的問題與項(xiàng)目。

1 前期項(xiàng)目探究

1.1 項(xiàng)目確立背景 教材實(shí)驗(yàn)過程介紹： 土壤取樣→選擇培養(yǎng)→梯度稀釋→將樣品涂布到鑒別纖維素分解菌的培養(yǎng)基上→選擇產(chǎn)生透明圈的菌落。

因教材提供的實(shí)驗(yàn)方案過于籠統(tǒng)，無具體實(shí)驗(yàn)步驟，筆者帶領(lǐng)興趣小組學(xué)生，按照已有的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)和教材提供的信息(包括實(shí)驗(yàn)過程、培養(yǎng)基配方等)開展前期探究。但均以失敗告終，重復(fù)實(shí)驗(yàn)后仍無明顯改善。問題主要集中在雜菌污染、菌落太小、生長狀況不佳，鑒定階段得不到能產(chǎn)生透明圈的菌落。

1.2 項(xiàng)目內(nèi)容及任務(wù)分解 根據(jù)實(shí)驗(yàn)出現(xiàn)的問題，興趣小組查閱了分離利用土壤微生物的相關(guān)論文，充分溝通論證后，確定了此階段的項(xiàng)目主題： 設(shè)計(jì)學(xué)校所在地域纖維素分解菌分離的初步方案。

此項(xiàng)目可分解為三個具體任務(wù)： ①分析學(xué)校所在地域土壤特點(diǎn)，依據(jù)特點(diǎn)初步改進(jìn)實(shí)驗(yàn)步驟；②探究纖維素分解菌的培養(yǎng)溫度和時間；③尋找能有效降低雜菌污染的方法。

1.3 項(xiàng)目探究過程及結(jié)論 成立兩個同步開展探究活動的項(xiàng)目小組。小組利用微信群隨時發(fā)布實(shí)驗(yàn)近況，實(shí)現(xiàn)資源共享。

1.3.1 實(shí)驗(yàn)步驟的初步改進(jìn) 分析前期實(shí)驗(yàn)的失敗原因，大家認(rèn)為這可能與3月份山東地區(qū)的土壤環(huán)境有關(guān)，低溫干旱條件下土壤含菌量較少，不易分離。

項(xiàng)目小組決定嘗試在“土壤取樣”和“選擇培養(yǎng)”間增加“富集培養(yǎng)”步驟，使土壤中大多數(shù)微生物(包括目的菌)得到增殖，具體操作為： 將土壤浸出液接種到PDA(馬鈴薯葡萄糖瓊脂)固體培養(yǎng)基上培養(yǎng)，一段時間后用接種環(huán)挑取不同形態(tài)的菌落分別接種到液體選擇培養(yǎng)基中，待渾濁后依次接種到固體選擇培養(yǎng)基、鑒別培養(yǎng)基上，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見圖1，經(jīng)剛果紅染色后可看到明顯透明圈。

圖1 鑒別培養(yǎng)基上的目的菌菌落

1.3.2 培養(yǎng)條件的改進(jìn) 為探究合適的培養(yǎng)溫度和時間，在上述實(shí)驗(yàn)過程中，項(xiàng)目小組進(jìn)行了不同溫度、不同培養(yǎng)時間的對照實(shí)驗(yàn)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)： 與30℃比較，37℃培養(yǎng)時菌落生長速度更快、培養(yǎng)時間更短，但會出現(xiàn)霉菌類纖維素分解菌生長迅速，菌絲覆蓋其他菌落的現(xiàn)象，對后續(xù)菌種的分離造成干擾，綜合考慮后項(xiàng)目小組決定采用30℃培養(yǎng)3～4 d的方案。

至此，前期探究過程中出現(xiàn)的問題，在項(xiàng)目小組的合作、探究、交流中得到了有效解決，項(xiàng)目學(xué)習(xí)的效果初顯。

2 中期項(xiàng)目探究

與前期以小組為單位進(jìn)行探究的方式不同，中期探究以班級實(shí)驗(yàn)教學(xué)的形式開展。

2.1 課堂教學(xué)導(dǎo)入 播放“秸稈喂豬，以草節(jié)糧”視頻： 介紹擁有多項(xiàng)飼料發(fā)明專利的發(fā)明人曹明軍，如何只用小小一包“菌料”，就可以化腐朽為神奇，將廢棄秸稈變?yōu)樨i用飼料的過程。以“應(yīng)用”促“研究”，用神奇的秸稈變豬食，引起學(xué)生對“菌料”極大的探究欲望。

2.2 利用材料引導(dǎo)學(xué)生確定實(shí)驗(yàn)總體思路 展示教師課前搜集的分離利用微生物的資料：“勝利油田被石油污染土壤中分離出能降解柴油的酵母菌”“被重金屬污染土壤中分離出能吸附重金屬的微生物”“被H2S污染土壤中分離出能將H2S轉(zhuǎn)化為自身可利用S的微生物”。

引導(dǎo)學(xué)生總結(jié)得出分離利用土壤中微生物的總體思路： 土壤取樣→選擇培養(yǎng)→鑒別。

2.3 確定項(xiàng)目內(nèi)容及任務(wù)分解 全班學(xué)生分為8個項(xiàng)目小組，各組經(jīng)過交流討論后確定出項(xiàng)目主題： 進(jìn)一步完善實(shí)驗(yàn)方案并嘗試探究不同土壤類型中纖維素分解菌的差異。

此項(xiàng)目可分解為三個具體任務(wù)： ①探究不同環(huán)境土壤取樣對實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響；②設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)探究選擇培養(yǎng)基與鑒別培養(yǎng)基在組成和用途方面的異同，并對兩種剛果紅染色方法進(jìn)行比較；③小組合作完善實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方案。

2.4 項(xiàng)目探究過程及結(jié)論 具體探究過程如下：

(1) 匯總各小組提出的土樣類型： 河邊沙土、松針營養(yǎng)花盆土(市售)、花盆土、草地土(表層和深層)、導(dǎo)入中提到的“菌料”(市售)。班級討論決定去掉河邊沙土和普通花盆土兩種土樣類型。原因如下： 河邊沙土腐殖質(zhì)較少；松針腐葉花盆土與普通花盆土成分相似，前者腐殖質(zhì)含量多更合適。最后確定設(shè)置4類土樣： 1—表層草地土，2—松針腐葉花盆土，3—深層草地土(地下20 cm)，4—菌料。為提高效率，確定小組實(shí)驗(yàn)任務(wù)： 1、 2組選用1—表層草地土，3、 4組選用2—松針腐葉花盆土，5、 6組選用3—深層草地土，7、 8組選用4—菌料。每組安排值日生定期觀察菌落生長情況并拍照上傳微信群。

(2) 選擇培養(yǎng)基與鑒別培養(yǎng)基在組成方面都是以纖維素為唯一碳源，都具有“選擇”作用。不同之處在于鑒別培養(yǎng)基中需添加剛果紅。針對此分析，有項(xiàng)目小組提出質(zhì)疑： 鑒別培養(yǎng)基=選擇培養(yǎng)基+剛果紅，此等式成立嗎？如果成立，在固體選擇培養(yǎng)基中加入剛果紅可以出現(xiàn)透明圈嗎？

(3) 綜合以上探究結(jié)果，各項(xiàng)目小組討論交流后最終確定以下實(shí)驗(yàn)方案(圖2)。

圖2 完善后的實(shí)驗(yàn)方案

2.5 項(xiàng)目結(jié)果分析與討論 實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表1。結(jié)果分析： ①比較四組實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，除3—深層草地土樣品外，其他土壤樣品均獲得較明顯透明圈。4組所得透明圈最大，推測菌料中的目的菌分解纖維素能力最強(qiáng)。②A、 B、 C三種方案都能獲得較好實(shí)驗(yàn)結(jié)果，無明顯差異。此結(jié)論支持鑒別培養(yǎng)基=選擇培養(yǎng)基+剛果紅。比較B、 C兩種方案中的剛果紅染色方式，發(fā)現(xiàn)B方案易出現(xiàn)漂洗過程中菌落浮起被帶走的現(xiàn)象，故推薦先將剛果紅與鑒別培養(yǎng)基其他成分一同加入，經(jīng)滅菌、培養(yǎng)基凝固后再接種培養(yǎng)的C方案。

3 后期項(xiàng)目探究

3.1 項(xiàng)目確立的背景 中期項(xiàng)目結(jié)果匯報后，項(xiàng)目小組間對于所獲目的菌分解纖維素的能力大小產(chǎn)生了不同意見，第2組與4組學(xué)生都認(rèn)為本小組所得目的菌分解能力最強(qiáng)，針對這一爭執(zhí)，項(xiàng)目小組確定出課外探究項(xiàng)目： 探究判斷纖維素分解菌分解能力大小的具體依據(jù)。

3.2 項(xiàng)目探究過程及結(jié)論 項(xiàng)目小組成員經(jīng)過交流和查找資料，確定出此項(xiàng)目的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)思路： 通過比較不同菌株纖維素分解酶的活性來判斷。實(shí)驗(yàn)步驟設(shè)計(jì)如圖3所示：

圖3 酶解法比較纖維素分解菌分解能力的實(shí)驗(yàn)步驟

應(yīng)用紫外分光光度計(jì)，在540 nm波長下測定OD值，根據(jù)葡萄糖標(biāo)準(zhǔn)曲線計(jì)算酶活力(表2)。

表2 不同H/C值纖維素分解菌酶活性的比較

分析得出結(jié)論： H/C值與酶活力呈正相關(guān)。因此，應(yīng)將透明圈與菌落直徑之比作為判斷纖維素分解菌分解能力大小的依據(jù)。

在帶領(lǐng)學(xué)生沿著科學(xué)研究過程的各個階段推進(jìn)時，我們發(fā)現(xiàn)： 當(dāng)對一個科學(xué)問題有了更多洞察時，通常會產(chǎn)生更多的問題。借助這些不斷生成的問題，運(yùn)用STEM理念和方法，學(xué)生完成了一個個項(xiàng)目問題的生成、探究、解決和運(yùn)用，實(shí)現(xiàn)了在創(chuàng)造性思維、科學(xué)探究等生物學(xué)核心素養(yǎng)方面的升級蛻變。