張柳 劉曉晴

1 設計理念

工程學中創(chuàng)意、設計、實踐、產(chǎn)品等重要屬性和要素可以實現(xiàn)這樣的育人價值，培養(yǎng)學生的創(chuàng)新、實踐和問題解決能力。生物學教師可在生物課堂中加入工程設計元素。

任何科學教育如果只關(guān)注科學事實的，而不去理解這些科學事實是如何創(chuàng)立出來的，或者忽視了科學在人類社會里的重要應用，都將會歪曲科學并將工程的重要性邊緣化。生物學教育的基本理念之一就是教學過程重實踐?？茖W實踐包括科學探究和工程實踐，“重實踐”環(huán)節(jié)中必然會涉及超越學科本身的知識和能力的要求，教師要適當?shù)貙⒖鐚W科知識和技能融入實踐活動，特別是將STEM教育（科學、技術(shù)、工程學和數(shù)學）整合到實踐活動中。STEM教育中最核心的部分就是工程設計和實踐過程。在《普通高中生物學課程標準（2017年版）》中，單獨將“生物技術(shù)與工程”設為選擇性必修模塊，本質(zhì)上就是體現(xiàn)對于STEM教育的重視。

2 科學探究視野下的課程設計

本研究通過一節(jié)有關(guān)“蘋果褐變”現(xiàn)象的課例，幫助學生了解酶的活性會受到環(huán)境因素的影響，同時教師在教學中體悟科學探究與工程實踐的區(qū)別。

蘋果褐變是指植物細胞中的多酚氧化酶存在于細胞質(zhì)中，底物酚類物質(zhì)則大多存在于細胞的液泡中。在細胞結(jié)構(gòu)完整的情況下，植物細胞在氧氣存在的情況下酚類物質(zhì)和多酚氧化酶也不會結(jié)合在一起發(fā)生酶促褐變。但當果蔬被機械破壞后，細胞結(jié)構(gòu)受損使得液泡中的大量酚類物質(zhì)外溢從而造成了兩種物質(zhì)的酶促褐變反應。

科學探究視野下的課程設計包括了提出問題、設計實驗和分組進行實驗、交流與討論和總結(jié)階段。

提出問題階段：學生通過觀察生活中蘋果褐變現(xiàn)象和查閱文獻，了解蘋果褐變的原因、多酚氧化酶和防止褐變的相關(guān)知識。學生推測影響蘋果的褐變程度的變量并提出假設。

設計和分組實驗階段：學生分組通過觀察生活中的蘋果褐變現(xiàn)象、蘋果在不同保存方法下的褐變程度、探究影響酶活性的因素的實驗以及定量比較不同水果在不同時間點的顏色變化等實驗來檢驗假設。

交流與討論階段：學生在討論實驗的結(jié)果后，得出溫度、pFI、底物濃度、酶的濃度、抑制劑等均會影響酶活性的結(jié)論。

課程總結(jié)階段：總結(jié)防止食物發(fā)生褐變的方法。為學生介紹不會發(fā)生褐變的轉(zhuǎn)基因“北極蘋果”。同時從進化的角度，讓學生了解水果中含有多酚氧化酶的意義。

3 工程實踐視野下的課程設計

蘋果汁在加工過程中易發(fā)生酶促褐變，導致色值下降、品質(zhì)劣變和營養(yǎng)價值降低，從而降低了果汁的附加值，嚴重影響了產(chǎn)品的銷售。因此在工程實踐的視野下，學生可以通過研究蘋果汁酶促褐變的機理，尋求抑制酶促褐變的方法，提高蘋果汁的品質(zhì)。

定義問題階段：首先學生觀察到剛剛榨完的蘋果汁迅速褐變，思考改變蘋果品相的方法。學生將這樣一個復雜的問題拆分成可實施的小問題，具體來講就是研究褐變的具體反應、影響褐變的因素以及通過添加什么樣的成分減緩褐變的速度，定量和定性分析問題所面對的標準和約束，這就是辨識需求或問題的過程。

調(diào)查需求或問題階段：學生通過調(diào)查超市和鮮榨果汁店的蘋果汁銷售情況以及參觀匯源果汁公司來了解蘋果汁生產(chǎn)相關(guān)的知識。通過查閱與蘋果汁生產(chǎn)相關(guān)的文獻，了解超聲波和維生素C等因素提高鮮榨蘋果汁的品質(zhì)。學生進行影響多酚氧化酶的科學探究實驗，了解到溫度、酸堿度等這些因素都會影響褐變的時間，所以自然想到可以通過加入維生素C、檸檬、鹽水、做成蘋果醋或者加入冰塊的方式來提高蘋果汁的品質(zhì)。

設計解決方案階段：學生分組討論解決方案，比如有一個小組選用市場購買的新鮮蘋果為主要原料，加入蔗糖、檸檬酸、維生素C和果膠酶，輔以相應的抗氧化劑和物理護色的手段進行果汁制作。設置護色與未通過護色以及市場購買所得蘋果汁樣品三個對照組，檢測其產(chǎn)品和半產(chǎn)品的糖度、酸度、pH等理化性質(zhì)和感官評價來進行研究。這一個階段中，基于學生掌握的科學概念、所獲得的實證數(shù)據(jù)和評價標準來權(quán)衡，通過迭代檢測，設計出新的問題解決方案并進行實施。

學生完成關(guān)于蘋果汁加工的原料要求、關(guān)鍵工藝原理、工藝要點與產(chǎn)品配方原則的簡化報告書并在校內(nèi)進行關(guān)于蘋果汁的市場調(diào)查，形成研究報告。最后，學生分組匯報各自的設計和產(chǎn)品。

事實上，在控制酶促褐變的生產(chǎn)中，除去酚類物質(zhì)可能性小，可行的方法就是從多酚氧化酶和氧氣入手解決問題，如控制酶反應的條件、隔絕氧氣、使用反應抑制劑、降低酶活性等措施。

4 科學探究與工程實踐的異同

公民對科學和工程學的深入理解是理性決策的前提：在人類探索新知識、改造自然界和改變自身生活方式的過程中，科學和工程學是兩種最為有效的手段。在課堂實驗中，學生無法單獨使用某一種模式。學生在研究如何改良蘋果汁品質(zhì)時，既要進行科學探究，又要把項目的目標理解成對預期結(jié)果的優(yōu)化——生產(chǎn)出品質(zhì)更好的蘋果汁。真正的科學家和工程師正在做研究時，常會同時運用科學探究和工程實踐?？茖W強調(diào)知識概念的形成和發(fā)展，力圖更好地解釋世界;工程學關(guān)注活動中的體驗和結(jié)果的形成過程，更加側(cè)重改造世界?？茖W的認知可在工程學情境中構(gòu)建，工程實踐也可以通過科學認知過程獲得證據(jù)，兩者交融在一起。

但是，科學探究和工程實踐在以下方面存在差異。

①科學探究與工程實踐在目的和任務上不同：科學探究活動是為了解釋關(guān)于某個現(xiàn)象的問題，如“蘋果為什么會褐變呢”，學生的主要任務在于認識和解釋科學概念。工程實踐則是解決一個由困難、需要或期望所引發(fā)的問題。例如，“如何能讓蘋果不褐變呢”或“怎樣改良蘋果汁的品質(zhì)呢”，學生的任務是明確一個成功的方案應當達到的標準和面臨的限制，并在理解科學概念的基礎上，實現(xiàn)對其的利用，解決遇到的問題。

②科學探究和工程實踐的成果不同：科學探究活動的成果主要是檢驗現(xiàn)有的理論和解釋，或修正并發(fā)展新的理論和解釋;而工程實踐則是在多個研究方面之間尋求平衡，提出一系列解決方案，并有一個最優(yōu)之選。

③對學生的評價標準不同：科學探究活動中，學生能夠通過自己已有的科學概念及實證研究對現(xiàn)象建構(gòu)邏輯上連貫的解釋，并向他人進行展示;學生能夠參與討論，交流觀點和探究的結(jié)果。工程實踐活動中，學生的解決方案還需要滿足很多其他方面的標準，諸如是否達到預期功能、技術(shù)的可行性、成本、安全性、美感以及對法律的遵守。

科學探究和工程實踐在很多方面都是有所重疊。計劃并開展實踐是共同形式。研究方式都包括了模型、推理和辯論，都以實證為基礎：在科學中，使用模型使得超越可見范圍、想象一個尚未看到的世界成為可能，而推理和辯論是識別一系列推論的優(yōu)點與不足，以及找出自然現(xiàn)象的最佳解釋的基礎;工程上使用模型來分析現(xiàn)有體系以尋找缺陷所在和解決方案，通過推理和辯論找到問題的最佳解決方案。在工程與技術(shù)活動中，數(shù)據(jù)能幫助學生確定哪種設計能最能解決問題，以及能否在可接受的預算內(nèi)完成。數(shù)學或計算方法對已經(jīng)建立的關(guān)系和原理進行表征是整個設計的一個組成部分。

科學探究和工程實踐同屬于科學實踐，兩者在教學中占據(jù)同等重要的地位。在進行課程設計時，教師可以將科學探究的實驗加入工程學思想轉(zhuǎn)化成STEM課程，首先找出中學階段生物學課程中的科學探究活動、工程與技術(shù)活動之間的交集，并分析現(xiàn)有的科學探究活動缺乏工程與技術(shù)方面的哪些元素，從工程和技術(shù)的角度設計科學探究活動。目前STEM課例眾多，但是課程在縱向上還缺乏系統(tǒng)性，可以構(gòu)建中學生物學科的STEM路徑圖，以此為基礎更好地開發(fā)和設計STEM課程。

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