張 利 王 威

（四川師范大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院 四川成都 610101）

在《義務(wù)教育生物學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2011年版）》中，要求學(xué)生初步學(xué)會(huì)生物科學(xué)探究的一般方法，發(fā)展學(xué)生實(shí)施計(jì)劃、得出結(jié)論、表達(dá)和交流的科學(xué)探究能力和創(chuàng)新能力。但目前在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，學(xué)生所探究的問題、實(shí)施的方案往往都是由教師規(guī)定的，并未實(shí)現(xiàn)“探究”。下面基于STEM理念，以“正交試驗(yàn)法探究泡菜最佳酸度”實(shí)驗(yàn)為例，提出中學(xué)階段的新方法——正交試驗(yàn)法，引導(dǎo)學(xué)生面向真實(shí)問題，利用多學(xué)科知識(shí)解決實(shí)際困難，經(jīng)歷完整的科學(xué)探究過程，最終實(shí)現(xiàn)科學(xué)探究能力的提高。

1 基于生活，創(chuàng)設(shè)情境

STEM教育理念強(qiáng)調(diào)把知識(shí)還原于生活，結(jié)合生活中真實(shí)、有趣的問題設(shè)計(jì)學(xué)習(xí)任務(wù)，通過學(xué)生的問題解決完成教學(xué)。泡菜在生活中非常常見，教師以大多數(shù)人關(guān)心的泡菜口感與泡菜安全作為導(dǎo)入，能夠很好地引起學(xué)生興趣。泡菜中含有的乳酸菌會(huì)產(chǎn)生乳酸，使泡菜具有酸味，酸度除了影響風(fēng)味，還是衡量泡菜安全性的重要指標(biāo)。泡菜發(fā)酵過程的有機(jī)酸既能抑制致病菌、腐敗菌的生長(zhǎng)，又能降解雜菌引起的亞硝酸鹽，因此，提高泡菜酸度能增加泡菜的安全性。那么，在家庭新制泡菜的過程中，泡菜的酸度應(yīng)該控制在哪個(gè)水平才既能保證良好的風(fēng)味，又能保證泡菜的安全呢？有哪些因素能引起酸度發(fā)生變化呢？各個(gè)因素保持在什么水平狀態(tài)下能夠使泡菜酸度保持在最佳水平呢？

2 明確目標(biāo)，提出任務(wù)

學(xué)生在中學(xué)階段未接觸過正交試驗(yàn)法，并且實(shí)驗(yàn)中涉及到跨學(xué)科的知識(shí)與原理。因此，制定明確的任務(wù)目標(biāo)，可以減少學(xué)生探究過程中的盲目性。根據(jù)試驗(yàn)進(jìn)程，設(shè)計(jì)任務(wù)目標(biāo)如下：

（1）認(rèn)識(shí)泡菜的制作原理、酸味的產(chǎn)生過程及正交試驗(yàn)。

（2）掌握泡菜酸度的定量檢測(cè)方式。

（3）通過文獻(xiàn)查閱和單因素實(shí)驗(yàn)確定影響新制泡菜酸度的主要因素及各因素最佳水平。

（4）通過正交實(shí)驗(yàn)，找出對(duì)新制泡菜酸度影響程度更高的單因素，找出各因素相互搭配的最佳水平配方，優(yōu)化泡菜方案。

3 提供資料，問題驅(qū)動(dòng)

問題驅(qū)動(dòng)、持續(xù)探究、指向核心知識(shí)等是STEM教育理念的重要特征，這使得它具有很強(qiáng)的系統(tǒng)性。所以在探究活動(dòng)前期，教師需要給學(xué)生提供優(yōu)質(zhì)材料及問題引導(dǎo)。教師所給的資料及問題需要基于課標(biāo)，圍繞主題；便于交流討論，體現(xiàn)問題驅(qū)動(dòng)；過程突出，體現(xiàn)工程思維。

本探究實(shí)驗(yàn)需要學(xué)生認(rèn)識(shí)泡菜的制作原理、酸味的產(chǎn)生過程、酸度的檢測(cè)方法以及正交試驗(yàn)，所以教師給出的資料包括乳酸菌簡(jiǎn)介、泡菜制作原理——乳酸菌發(fā)酵、泡菜酸度、酸堿滴定法、正交試驗(yàn)法。

教師拋出的問題必須方向明確，重點(diǎn)突出：

（1）對(duì)于人體而言，攝入食物的pH安全且適宜的范圍是多少？泡菜中的pH與酸度分別指什么？

（2）泡菜酸味產(chǎn)生的原因和機(jī)制是什么？有哪些主要因素在影響新制泡菜的酸度？并梳理出每個(gè)主要因素可能的水平情況。

（3）怎樣測(cè)定泡菜的酸度？

（4）正交試驗(yàn)法的原理是什么?它有哪些優(yōu)勢(shì)?

正交試驗(yàn)探究的是多因素多水平的影響。通過本環(huán)節(jié)，學(xué)生已經(jīng)確定了想要探究的影響泡菜酸度的各種因素。如何確定各個(gè)因素的水平梯度呢？

4 設(shè)計(jì)單因素實(shí)驗(yàn)，確定水平梯度，探究單因素的最佳水平

工業(yè)泡菜中，一般是向泡菜中添加占總質(zhì)量6%的鹽類，放在20℃條件下發(fā)酵5 d，泡菜即可成熟。教師向?qū)W生提供工業(yè)泡菜制作條件，引導(dǎo)學(xué)生設(shè)置各單因素合適的水平梯度，設(shè)計(jì)并完成單因素實(shí)驗(yàn)，找出泡菜酸度最適宜時(shí)的各單因素的最佳水平。以含鹽量對(duì)泡菜酸度的影響為例，向?qū)W生提供實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)參考，降低實(shí)驗(yàn)開放水平，避免難度過大。方法步驟：（1）設(shè)置泡菜的含鹽量分別為3%、6%、9%，每種含鹽量設(shè)置3個(gè)平行組：取9口相同的處理好的泡菜壇子分別編號(hào)為Y1、Y2、Y3，W1、W2、W3，S1、S2、S3。

（2）每壇中分別倒入1 kg涼開水，放入白蘿卜0.5 kg。添加的涼開水與白蘿卜的量可根據(jù)實(shí)際情況決定。

（3）Y1、Y2、Y3分別加入質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3%的泡菜鹽，W1、W2、W3分別加入質(zhì)量分?jǐn)?shù)為6%的泡菜鹽，S1、S2、S3分別加入質(zhì)量分?jǐn)?shù)為9%的泡菜鹽，放入20℃的恒溫箱中，5 d后測(cè)量蘿卜的酸度，記錄結(jié)果（表1）。

表1 不同含鹽量影響下的泡菜酸度數(shù)據(jù)表

在本環(huán)節(jié)，學(xué)生確定了各單因素的水平梯度，找出了泡菜酸度最適宜時(shí)的各單因素的最佳水平，并且初步嘗試了泡菜酸度的檢測(cè)方法，完成了正交試驗(yàn)前的技術(shù)鋪墊。

5 根據(jù)因素與水平，完成正交試驗(yàn)

教師提出問題：如何確定哪個(gè)單因素對(duì)泡菜酸度的影響程度更高？各個(gè)單因素的最佳水平組合在一起，是否就是制作泡菜的最優(yōu)配方呢？如何找出各因素水平相互搭配的最佳方案？教師以問題導(dǎo)入，進(jìn)入正交試驗(yàn)環(huán)節(jié)，既引起學(xué)生的興趣與思考，也點(diǎn)明本環(huán)節(jié)的核心任務(wù)。

5.1 確定正交表

正交試驗(yàn)需要一個(gè)至關(guān)重要的工具——正交表。正交表的表名以Ln（mk）表示，表現(xiàn)為k列n行的矩陣，有k個(gè)因素，每個(gè)因素都分為m個(gè)水平，n表示組合試驗(yàn)的方案的個(gè)數(shù)。

5.1.1 明確因素水平梯度

以泡制時(shí)間、含鹽量、溫度3個(gè)因素，每個(gè)因素3個(gè)水平為例，設(shè)計(jì)因素水平梯度表，見表2。

表2 因素水平梯度表

5.1.2 選擇正交表

由n=k*（m-1）+1計(jì)算可知，n=7。查表可知，沒有n=7的正交表，根據(jù)選表的原則，應(yīng)該找出滿足試驗(yàn)次數(shù)大于n、水平數(shù)大于等于m、因素?cái)?shù)大于等于k的正交表。所以選擇L9（34）正交表（表3）。

表3 L9（34）正交表

5.1.3 完善正交表

選擇出的最適正交表是3因素3水平，因此，整理時(shí)應(yīng)刪除1列因素，并將表2中的因素水平梯度對(duì)應(yīng)到表3中，見表4。

表4 影響泡菜酸度的正交表示例

5.2 進(jìn)行試驗(yàn)，處理實(shí)驗(yàn)結(jié)果

實(shí)驗(yàn)設(shè)置共10組，包括正交表中的9組試驗(yàn)，以及第十組——單因素實(shí)驗(yàn)確定的各個(gè)單因素最佳水平的組合。教師引導(dǎo)學(xué)生分組實(shí)驗(yàn)，各小組根據(jù)實(shí)驗(yàn)方案進(jìn)行實(shí)驗(yàn)操作，記錄實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，處理實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

5.2.1 推斷泡菜酸度變化規(guī)律

根據(jù)數(shù)據(jù)，推斷泡菜酸度的變化規(guī)律。

5.2.2 計(jì)算分析正交試驗(yàn)結(jié)果，選取優(yōu)化方案

把每個(gè)因素同水平的三個(gè)方案酸度值相加，分別得到K1、K2、K3，例如時(shí)間的K1=X1+X2+X3。再分別計(jì)算出各自的算術(shù)平均值，記為K1、K2、K3。例如K1=K1/3。將計(jì)算結(jié)果分別對(duì)應(yīng)記在時(shí)間、鹽量、溫度這三個(gè)因素的下方。

各因素的K最大值減去最小值，計(jì)算各因素的極差R。根據(jù)極差越大的因素重要程度越高確定各因素的主次程序，分析得出最佳方案。

5.2.3 驗(yàn)證試驗(yàn)，確定正交試驗(yàn)的最佳方案

正交試驗(yàn)推算出的最佳方案，若與正交試驗(yàn)的9組方案都不相同，那么需要將推算出的最佳方案和正交表中最佳方案各做一次實(shí)驗(yàn)，根據(jù)實(shí)際效果確定最佳方案。

5.2.4 對(duì)比正交試驗(yàn)的最佳方案與第十組方案，得出結(jié)論

最后通過對(duì)比正交試驗(yàn)的最佳方案與第十組方案的泡菜酸度，學(xué)生可直觀感受各個(gè)單因素的最佳水平組合在一起，不一定就是制作泡菜的最優(yōu)配方，即在多因素多水平的相互作用下，變量之間會(huì)相互影響，產(chǎn)生不同的實(shí)驗(yàn)效果。

6 教學(xué)效果

STEM的主體主要為異質(zhì)學(xué)生，客體為不同學(xué)科課程，構(gòu)成要素還包括促進(jìn)不同學(xué)科知識(shí)整合與創(chuàng)新的規(guī)則、面向項(xiàng)目式學(xué)習(xí)的協(xié)作分工和開放共享的混合式學(xué)習(xí)環(huán)境。

本案例主要將生物與化學(xué)知識(shí)相融合，利用化學(xué)方法解決生物問題，運(yùn)用正交實(shí)驗(yàn)法，滲透統(tǒng)計(jì)學(xué)原理，體現(xiàn)了STEM強(qiáng)調(diào)的跨學(xué)科性，增加了知識(shí)的廣度。學(xué)生在實(shí)際探究中能夠深刻認(rèn)識(shí)到探究的過程性，根據(jù)任務(wù)提示從提煉關(guān)鍵知識(shí)，到探究單因素最佳水平、選擇正交表，最后進(jìn)行試驗(yàn)，循序漸進(jìn)，體現(xiàn)出“工程”的程序性，訓(xùn)練了背景研究、設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)的一般探究能力。學(xué)生根據(jù)給出的案例合作配合，設(shè)計(jì)各自的實(shí)驗(yàn)方案，在開放的探究活動(dòng)中增強(qiáng)協(xié)作意識(shí)，學(xué)會(huì)探究實(shí)驗(yàn)的一般方法，提高實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)能力。STEM理念與科學(xué)探究相融合，能夠更好地體現(xiàn)實(shí)驗(yàn)的過程性，更有效地發(fā)揮實(shí)驗(yàn)開放性與探究性的作用，是提高學(xué)生探究能力的有效途徑。