吳其蔓 溫可佳 伍艷霞 謝雪榮 陳學(xué)梅 胡位榮

（廣州大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院 廣東·廣州 510006）

0 引言

STEM教育具有跨學(xué)科的特點(diǎn)，培養(yǎng)學(xué)生綜合運(yùn)用科學(xué)、技術(shù)、工程和數(shù)學(xué)等領(lǐng)域的知識，進(jìn)行探究性活動；而科技探究活動是指學(xué)生圍繞某一科學(xué)知識進(jìn)行自主探究的學(xué)習(xí)活動，相對驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)而言，更有利于激發(fā)學(xué)生的探究欲望。[1]STEM教育和科技探究活動均強(qiáng)調(diào)實(shí)踐性，應(yīng)用得當(dāng)可有效培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)探究和科學(xué)思維等學(xué)科核心素養(yǎng)。[2]

當(dāng)前高中生物的實(shí)驗(yàn)教學(xué)存在“重視教師講解實(shí)驗(yàn)，忽視學(xué)生探究實(shí)驗(yàn)”的誤區(qū)，學(xué)生習(xí)慣“接受性學(xué)習(xí)”，很少通過自己的主動實(shí)踐去獲取知識，操作技能和思維創(chuàng)新能力得不到應(yīng)有的提高。[3]隨著《普通高中生物學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)》（2017年版）生物新課標(biāo)的實(shí)施，教師可組織學(xué)生在生物科技探究活動中，以小組合作的形式設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案，親自動手，感受實(shí)驗(yàn)過程，獲得實(shí)驗(yàn)結(jié)果并討論交流，通過具體的案例幫助學(xué)生認(rèn)識科學(xué)、技術(shù)、工程和數(shù)學(xué)的相互關(guān)系，利于達(dá)成生物學(xué)科核心素養(yǎng)。以廣東省第三屆中小學(xué)科技活動方案設(shè)計(jì)大賽獲獎作品“探究紅花酢漿草對綠豆種子和幼苗的化感作用”為例，開展融合了STEM教育的探究性活動教學(xué)。

1 融合STEM教育的生物科技探究活動流程

1.1 情景引入，提出問題

為使生物實(shí)驗(yàn)課堂貼近生活，增加其趣味性，教師先向?qū)W生介紹：紅花酢漿草即校園常見的開紅花的“三葉草”，在我國作為觀賞植物引入，后逸生為常見的田間惡性雜草，已被我國列為外來有害植物。[4]化感作用指一種植物通過釋放出化學(xué)物質(zhì)對周圍植物的生長發(fā)育過程產(chǎn)生有益或有害的影響，[5]外來入侵物種的化感作用常常會抑制本地植物的生長。

接著引導(dǎo)學(xué)生思考問題：外來入侵物種紅花酢漿草對其他植物的萌發(fā)和生長起促進(jìn)還是抑制的化感作用？其不同器官的化感作用是否一致？

1.2 作出假設(shè)，分組討論

學(xué)生作出假設(shè)：紅花酢漿草對其他植物的化感作用表現(xiàn)為抑制其他植物的萌發(fā)和生長，且不同器官的化感作用不一樣，主要是葉在起抑制作用。

為使學(xué)生進(jìn)一步明確實(shí)驗(yàn)?zāi)康暮椭贫ǔ鰧?shí)驗(yàn)方案，教師將5-6個同學(xué)分為一個小組進(jìn)行討論：（1）是否采用對照實(shí)驗(yàn)的方法？（2）實(shí)驗(yàn)材料如何選擇？自變量和因變量如何確定？（3）是否需要設(shè)置濃度梯度？（4）怎樣配制紅花酢漿草的根、莖、葉的提取液？（5）怎樣培養(yǎng)綠豆種子和綠豆幼苗？（6）怎樣將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化成柱狀圖或折線圖？（7）如何減小實(shí)驗(yàn)誤差？

1.3 制定方案，實(shí)施計(jì)劃

學(xué)生在教師引導(dǎo)下完成實(shí)驗(yàn)方案，如表1，為培養(yǎng)學(xué)生的團(tuán)隊(duì)意識和合作能力，教師將全班同學(xué)分成3個小組，分別負(fù)責(zé)“探究紅花酢漿草的根、莖、葉對綠豆種子萌發(fā)和幼苗生長的化感作用”，每組推舉一位組長，每組學(xué)生明確任務(wù)并各自分工。

表1 探究活動設(shè)計(jì)方案

表2 紅花酢漿草的根、莖、葉提取液（0.10g/mL）對綠豆幼苗的化感作用比較

1.4 分析結(jié)果，交流分享，延伸探究

各小組記錄數(shù)據(jù)后，繪制柱狀圖和折線圖，對實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析，判斷與假設(shè)是否相同并得出相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)結(jié)論。

柱狀圖以“紅花酢漿草的根、莖、葉對綠豆種子發(fā)芽率的影響”為例：如圖1，3個小組的結(jié)論均為：一定濃度的紅花酢漿草的提取液表現(xiàn)出抑制綠豆種子萌發(fā)的化感作用。

圖1 紅花酢漿草的根、莖、葉對綠豆種子發(fā)芽率的影響

折線圖以“紅花酢漿草的根對綠豆幼苗生長的化感作用”為例，如圖2，負(fù)責(zé)“根”的小組分析并得出結(jié)論：紅花酢漿草根的提取液對綠豆幼苗的生長有明顯抑制作用，綠豆苗的主根受抑現(xiàn)象突出；且濃度越高、抑制作用越明顯?！凹t花酢漿草的莖、葉對綠豆幼苗生長的化感作用”亦用折線圖表示。

圖2 紅花酢漿草的根對綠豆幼苗生長的化感作用

最后全班幾個小組共享數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)繪制成表格，如表2所示。

全班同學(xué)分析交流后得出總結(jié)論：（1）紅花酢漿草對綠豆種子的化感作用表現(xiàn)為抑制綠豆種子的萌發(fā)；（2）紅花酢漿草的莖對綠豆幼苗生長產(chǎn)生逆濃度促進(jìn)、高濃度抑制的化感作用，葉和根對綠豆幼苗產(chǎn)生抑制其生長的化感作用，且化感作用隨提取液濃度升高而增強(qiáng)。（3）同一植物不同器官的化感作用不同?？傮w來說，紅花酢漿草對綠豆種子和幼苗的化感作用從強(qiáng)到弱依次為葉＞根＞莖。

最后，教師需對學(xué)生的實(shí)驗(yàn)結(jié)論進(jìn)行針對性的評價，并引導(dǎo)學(xué)生展開“頭腦風(fēng)暴”：討論有關(guān)外來入侵物種的防治措施，鼓勵學(xué)生對自己的學(xué)習(xí)情況進(jìn)行總結(jié)與評價。[6]

2 科技探究活動的反思

2.1 科學(xué)（S）層面——學(xué)習(xí)科學(xué)的實(shí)驗(yàn)探究方法

STEM理念與生物探究性實(shí)驗(yàn)結(jié)合要求學(xué)生能夠以科學(xué)的方法進(jìn)行探究性實(shí)驗(yàn)，即針對現(xiàn)實(shí)世界的生物學(xué)問題或特定的生物學(xué)現(xiàn)象（紅花酢漿草肆意生長）進(jìn)行觀察、提問、作出假設(shè)、設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)、實(shí)施方案以及對結(jié)果的交流與討論，在此探究過程中習(xí)得生物學(xué)知識（理解化感作用的含義），掌握科學(xué)的探究方法，比如遵照單一變量原則進(jìn)行對照實(shí)驗(yàn)。

2.2 技術(shù)（T）層面——掌握規(guī)范的實(shí)驗(yàn)操作技能

基于STEM教育的生物探究實(shí)驗(yàn)有一定的技術(shù)性，要求學(xué)生能正確使用實(shí)驗(yàn)工具，進(jìn)行準(zhǔn)確的實(shí)驗(yàn)操作，掌握搜集和處理信息的技能，如利用解剖刀分離紅花酢漿草的根、莖、葉三個部位、掌握水培種植技術(shù)、紅花酢漿草提取液的配制操作、準(zhǔn)確測量主根長度和株高長度等。學(xué)生只有通過動手做實(shí)驗(yàn)，才能掌握規(guī)范的實(shí)驗(yàn)操作技能、形成嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)實(shí)驗(yàn)態(tài)度并進(jìn)一步理解化感作用的含義。

2.3 工程（E）層面——聯(lián)系生活，學(xué)以致用

在生物教學(xué)中，STEM教育的工程性是指將所學(xué)生物科學(xué)知識應(yīng)用于實(shí)際生產(chǎn)生活中。[7]本探究實(shí)驗(yàn)中，教師引導(dǎo)學(xué)生聯(lián)系生活，討論外來入侵物種的化感作用在生活中的實(shí)際應(yīng)用：（1）紅花酢漿草在一些地區(qū)仍被作為觀賞植物被大量引入，學(xué)生可以向大眾科普外來入侵物種紅花酢漿草肆意生長的危害，從而及時控制紅花酢漿草的蔓延；（2）展開“頭腦風(fēng)暴”，討論防治措施：如開發(fā)新型綠色除草劑除去田間的紅花酢漿草。教師還鼓勵學(xué)生進(jìn)行實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新：紅花酢漿草是否也能夠通過化感作用抑制其他雜草的生長？從而鍛煉學(xué)生的創(chuàng)新思維。

2.4 數(shù)學(xué)（M）層面——構(gòu)建生物數(shù)學(xué)模型

生物數(shù)學(xué)模型指將實(shí)驗(yàn)獲得的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為直觀的數(shù)學(xué)模型，對實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行定量描述，把復(fù)雜的生物科學(xué)問題形象化。本探究實(shí)驗(yàn)中，學(xué)生需運(yùn)用公式計(jì)算出提取液的稀釋比例。3個小組的學(xué)生記錄實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)后，在教師引導(dǎo)下根據(jù)公式計(jì)算出發(fā)芽率、相對主根長、相對側(cè)根數(shù)以及相對株高，繪制出柱狀圖、折線圖和表格，運(yùn)用數(shù)學(xué)模型得出清晰的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，對化感作用這一抽象的概念有更直觀的了解，整理和分析數(shù)據(jù)的能力也得到了鍛煉。

3 結(jié)語

在本探究實(shí)驗(yàn)中，學(xué)生能夠設(shè)計(jì)出探究性實(shí)驗(yàn)方案并實(shí)施方案，掌握了4種科學(xué)的實(shí)驗(yàn)方法：對照實(shí)驗(yàn)法、培養(yǎng)皿濾紙法、水培法和數(shù)學(xué)模型法，科學(xué)探究能力得到鍛煉。在對實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行交流和總結(jié)后，能夠利用科學(xué)概念“化感作用”解釋紅花酢漿草肆意生長的生命現(xiàn)象，并發(fā)散思維討論如何利用“化感作用”解決生活中的實(shí)際問題，最后形成關(guān)注外來入侵物種以及保護(hù)生態(tài)環(huán)境的社會責(zé)任意識。綜上，融合了STEM教育的中學(xué)生物科技探究活動可以培養(yǎng)學(xué)生的綜合素質(zhì)和生物學(xué)科核心素養(yǎng)。