鄭耀賢

（北京師范大學(xué)（珠海）附屬高級(jí)中學(xué) 廣東珠海 519080）

《普通高中生物學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版）》要求學(xué)生主動(dòng)地參與學(xué)習(xí)，通過(guò)探究性學(xué)習(xí)活動(dòng)或完成工程學(xué)任務(wù)，提升應(yīng)用知識(shí)的能力，培養(yǎng)創(chuàng)新精神，探討或解決現(xiàn)實(shí)生活中的某些問(wèn)題。高階的學(xué)業(yè)質(zhì)量水平（水平三、水平四）要求能夠運(yùn)用科學(xué)、技術(shù)、工程學(xué)和數(shù)學(xué)（STEM）知識(shí)和能力設(shè)計(jì)方案，并在實(shí)踐活動(dòng)中實(shí)施，解決生活中的問(wèn)題。

真正的科學(xué)探究是跨學(xué)科的知識(shí)、能力和技術(shù)的綜合實(shí)踐活動(dòng)，因此，基于STEM理念的科學(xué)探究是目前國(guó)際科學(xué)教育的重要理念，也是提升學(xué)生生物學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)的重要途徑，將其滲透到中小學(xué)生物學(xué)的教學(xué)研究中很必要。目前，基于STEM理念在中小學(xué)生物學(xué)教學(xué)中的實(shí)踐還缺乏具體的案例，基于項(xiàng)目開(kāi)展真實(shí)的科學(xué)探究實(shí)踐是落實(shí)STEM理念的主要途徑之一。

觀察細(xì)胞的有絲分裂是高中生物教材中一個(gè)經(jīng)典的基礎(chǔ)性實(shí)驗(yàn)，也是衛(wèi)生學(xué)校、師范院校及醫(yī)學(xué)院校的生物學(xué)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容之一。有調(diào)查發(fā)現(xiàn)幾乎所有學(xué)校在開(kāi)展本實(shí)驗(yàn)時(shí)，都是教師提前做好所有準(zhǔn)備，學(xué)生只是按部就班完成“解離——漂洗——染色——制片”等步驟，屬于低階水平的學(xué)習(xí)活動(dòng)，實(shí)驗(yàn)效果也不理想。下面以指導(dǎo)學(xué)生開(kāi)展“探究氯化鈉濃度對(duì)植物細(xì)胞有絲分裂的影響”為例，開(kāi)展基于STEM理念的生物科學(xué)探究實(shí)踐，在實(shí)踐中逐步提升生物學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)，以供參考。

1 組建課題小組，培訓(xùn)基本技能

真實(shí)的科學(xué)實(shí)踐探究活動(dòng)通常需要繁雜的前期準(zhǔn)備和持續(xù)的觀察、記錄，同時(shí)會(huì)涉及到跨學(xué)科的知識(shí)和技能，學(xué)生難以獨(dú)立完成。由對(duì)生物學(xué)感興趣的學(xué)生組合成3-5人的課題小組合作開(kāi)展探究活動(dòng)，具有較大的可操作性。教師對(duì)小組成員進(jìn)行基本技能的培訓(xùn)，培訓(xùn)內(nèi)容主要是與實(shí)驗(yàn)探究密切相關(guān)的技能，如材料的選擇、根尖的培養(yǎng)、根尖的分生區(qū)的位置、顯微鏡的使用、拍照的方法、數(shù)學(xué)建模軟件的基本操作等，為探究實(shí)踐的有效開(kāi)展破除非目標(biāo)性壁壘。

2 創(chuàng)設(shè)真實(shí)情境，明確探究項(xiàng)目

教師創(chuàng)設(shè)問(wèn)題情境：寒冷的天氣會(huì)影響植物的生長(zhǎng)，是否表明溫度會(huì)影響細(xì)胞的分裂？鹽堿地生長(zhǎng)的植物也會(huì)影響植物的生長(zhǎng)，是否表明土壤無(wú)機(jī)鹽會(huì)影響細(xì)胞的分裂？適當(dāng)?shù)淖贤饩€強(qiáng)度有利于生物的生長(zhǎng)，隨著臭氧層的破壞，過(guò)強(qiáng)的紫外線會(huì)灼傷動(dòng)物的皮膚，是否會(huì)影響植物的正常生長(zhǎng)和分裂？廢電池對(duì)環(huán)境的帶來(lái)危害的報(bào)道很多，但也有權(quán)威科學(xué)家通過(guò)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)與新聞報(bào)道相去甚遠(yuǎn)，那么，廢舊電池對(duì)植物的生長(zhǎng)和增殖有什么影響呢？各小組對(duì)問(wèn)題展開(kāi)思考、討論、分析。通過(guò)頭腦風(fēng)暴法，課題小組提出可開(kāi)展以下的探究：紫外線（UV-B）照射對(duì)植物根尖分生區(qū)細(xì)胞有絲分裂的影響；氯化鈉濃度對(duì)植物根尖分生區(qū)細(xì)胞有絲分裂的影響；干電池浸出液對(duì)植物根尖分生區(qū)細(xì)胞有絲分裂的影響；外界溫度對(duì)植物根尖分生區(qū)細(xì)胞有絲分裂的影響；重金屬鉛對(duì)植物根尖分生區(qū)細(xì)胞有絲分裂的影響。以下以“探究氯化鈉濃度對(duì)植物根尖分生區(qū)細(xì)胞有絲分裂的影響”進(jìn)行說(shuō)明。

3 設(shè)計(jì)項(xiàng)目方案

設(shè)計(jì)并實(shí)施恰當(dāng)可行的實(shí)驗(yàn)方案屬于高階的科學(xué)探究水平，需注意選擇合適的材料、藥品、試劑、器具，遵循實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的基本原則，制訂科學(xué)合理的實(shí)驗(yàn)步驟等方面。

3.1 材料選擇

常規(guī)實(shí)驗(yàn)一般用洋蔥作為實(shí)驗(yàn)材料。但是，洋蔥存在休眠期較長(zhǎng)，生根數(shù)目偏少等情況。實(shí)踐表明大蒜誘發(fā)生根較容易，生根數(shù)目遠(yuǎn)多于洋蔥，是一種很好的實(shí)驗(yàn)材料。并且，大蒜的價(jià)格低廉，因此小組確定以大蒜作為本探究的材料。另外，實(shí)踐發(fā)現(xiàn)紅蔥頭也具有類似大蒜的優(yōu)點(diǎn)，同樣可以作為改進(jìn)材料。

3.2 根尖培養(yǎng)

取大小基本一致的健壯大蒜瓣，剝?nèi)テ涓稍锏哪べ|(zhì)鱗被，保留下端微微突起的根原體，放入盛有清水的燒杯中，水剛好浸沒(méi)大蒜根部，放入光照培養(yǎng)箱（溫度25℃，光照度80%）中培養(yǎng)，每天換水1次，待根生長(zhǎng)到1～2 cm時(shí)進(jìn)行預(yù)處理。

3.3 氯化鈉溶液濃度確定

在進(jìn)行科學(xué)研究時(shí)，有時(shí)需要在正式實(shí)驗(yàn)前先做一個(gè)預(yù)實(shí)驗(yàn)，這樣可以為進(jìn)一步的實(shí)驗(yàn)探索條件。教師將“中國(guó)知網(wǎng)”、國(guó)家數(shù)字圖書館、百度學(xué)術(shù)等文獻(xiàn)檢索途徑介紹給學(xué)生，并指導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行檢索各小組通過(guò)檢索，初步確定了以0、50、100、150、200 mg·L-1濃度的氯化鈉溶液開(kāi)展預(yù)實(shí)驗(yàn)，將大蒜移入盛有不同濃度的氯化鈉培養(yǎng)液燒杯中連續(xù)培養(yǎng)72 h后取根尖進(jìn)行觀察。預(yù)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)200 mg·L-1的氯化鈉處理24 h后根部基本潰爛，100 mg·L-1和150 mg·L-1處理72 h后，根部也基本潰爛了，說(shuō)明外界溶液濃度過(guò)高導(dǎo)致根部細(xì)胞失水過(guò)多死亡。因此，本探究將溶液濃度梯度確定為0、25、50、75 mg·L-1。

3.4 確定取材時(shí)間

結(jié)合人教版必修1教材和其他文獻(xiàn)查閱，可知大蒜根尖的分裂在一天的不同時(shí)間里存在差異，其有絲分裂的高峰期為上午。因此剪取根尖的時(shí)間安排在上午，并且要考慮與上課時(shí)間錯(cuò)開(kāi)，所以最終確定剪取時(shí)間為早上9∶30，剛好是學(xué)校大課間的時(shí)間，具有可操作性。

3.5 根尖剪取長(zhǎng)度

根尖分生區(qū)是根尖有絲分裂比較旺盛的區(qū)域，因此實(shí)驗(yàn)材料應(yīng)該為根尖最前面2 mm長(zhǎng)的區(qū)域。不過(guò)，由于剪取后的材料要進(jìn)行一系列的操作，太短的材料不易操作并容易丟失，因此，確定每次剪取根尖的長(zhǎng)度為1 cm左右。待全部處理后，要制片前，再切取根尖分生區(qū)2 mm的區(qū)域。

3.6 染色液選擇

利用顯微鏡對(duì)本實(shí)驗(yàn)的觀察，必須依賴染色液對(duì)染色體進(jìn)行染色后進(jìn)行判斷。因此適合的染色液對(duì)實(shí)驗(yàn)的順利開(kāi)展起到至關(guān)重要的作用。人教版教材提供了龍膽紫染液、醋酸洋紅染液和改良苯酚品紅染液作為染液。這三種染液都為堿性染液，容易與染色體著色。預(yù)染色后發(fā)現(xiàn)用改良苯酚品紅染液染色，細(xì)胞質(zhì)色澤很淺，染色體呈粉紅色，觀察效果最好，有利于顯微拍照，因此，本探究確定用其作為染液。不過(guò)改良苯酚品紅的配制較復(fù)雜，并且配置好需靜置一周以上，所以，本研究取用實(shí)驗(yàn)室去年配制好的染液，效果很好。另外，由于該染液的著色較淺，所以染色的時(shí)間可以控制在6～8 min。

3.7 制片

光學(xué)顯微鏡是利用光線的投射進(jìn)行觀察，因此制片時(shí)只有將材料充分分散開(kāi)，形成單個(gè)細(xì)胞之間彼此分離的狀態(tài)，才能較好進(jìn)行觀察和統(tǒng)計(jì)。染色好的根尖蓋好蓋玻片，然后用平整的鉛筆頭緩慢均勻的敲擊蓋玻片，直至將材料敲至雨霧狀，進(jìn)行鏡檢，可以觀察到彼此分離的細(xì)胞。

3.8 拍照和統(tǒng)計(jì)

利用顯微攝像頭，連接上電腦，隨機(jī)選取10個(gè)視野，拍照儲(chǔ)存。再通過(guò)計(jì)數(shù)，統(tǒng)計(jì)出總細(xì)胞數(shù)和處于分裂期的細(xì)胞數(shù)，算出不同條件下的分裂指數(shù)。

4 實(shí)施探究項(xiàng)目

（1）實(shí)驗(yàn)器材：顯微鏡、筆記本電腦、顯微攝像頭、天平、小錐形瓶、載玻片、蓋玻片、氯化鈉、固定液、解離液、改良苯酚品紅、大蒜。

（2）實(shí)驗(yàn)方法：

①培養(yǎng)根尖：用清水培養(yǎng)剝?nèi)ジ稍锏哪べ|(zhì)鱗被的蒜瓣若干，每天換水，待根尖長(zhǎng)至1 cm長(zhǎng)。

② 配制培養(yǎng)液：小組成員配制0、25、50、75 mg·L-1的氯化鈉溶液各100 mL待用。

③氯化鈉處理：將根尖長(zhǎng)至1 cm長(zhǎng)的蒜瓣移到不同濃度的氯化鈉溶液中培養(yǎng)72 h。

④取根和固定：在不同濃度培養(yǎng)了72 h（即第四天的9∶30）后，各取2～3條長(zhǎng)約1 cm的根尖，然后移入卡諾氏固定液（無(wú)水乙醇與冰醋酸的體積比為3∶1）中，并分別用標(biāo)簽做好標(biāo)記；固定0.5～1 h后，用蒸餾水潤(rùn)洗3 min左右。

⑤解離及漂洗：將固定后的根尖放入培養(yǎng)皿中，加入少許解離液（體積分?jǐn)?shù)為15%的鹽酸和95%的酒精按1∶1混合），解離4 min左右。取出根尖放入盛有清水的培養(yǎng)皿中漂洗10 min。

⑥染色及壓片：用剪刀剪取根尖尖端2 mm，接著放進(jìn)改良苯酚品紅染液中，染色5 min，然后壓片。

⑦鏡檢和顯微拍攝及數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)：將壓片好的裝片置于顯微鏡下鏡檢，連接顯微攝像頭和計(jì)算機(jī)，每個(gè)裝片隨機(jī)選取10個(gè)視野進(jìn)行拍照，統(tǒng)計(jì)細(xì)胞分裂數(shù)目，計(jì)算分裂指數(shù)。有絲分裂指數(shù)=（視野中分裂期的細(xì)胞數(shù)/視野中觀察到的細(xì)胞總數(shù)）×100%。

5 結(jié)果與分析

實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 不同氯化鈉濃度培養(yǎng)液對(duì)大蒜根尖有絲分裂指數(shù)的影響

據(jù)表1可知，氯化鈉溶液對(duì)大蒜根尖有絲分裂存在影響，25 mg·L-1和50 mg·L-1氯化鈉溶液培養(yǎng)72 h后，能促進(jìn)根尖細(xì)胞的有絲分裂，而較高濃度的氯化鈉溶液會(huì)抑制有絲分裂。這可能是由于低濃度的氯化鈉能為植物細(xì)胞提供生長(zhǎng)所必須的無(wú)機(jī)鹽離子，促進(jìn)分裂。植物對(duì)無(wú)機(jī)鹽的需求量較低，因此，較高濃度的培養(yǎng)液培養(yǎng)后，可能由于引起細(xì)胞失水影響植物的代謝，間接影響植物細(xì)胞的有絲分裂；而過(guò)高的濃度可引起細(xì)胞失水過(guò)多而死亡，從而出現(xiàn)預(yù)實(shí)驗(yàn)出現(xiàn)的根尖潰爛的現(xiàn)象。

6 表達(dá)與交流

課題小組完成探究實(shí)驗(yàn)后派出代表向全班同學(xué)做結(jié)題匯報(bào)，將問(wèn)題的生成、實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)、實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備、實(shí)驗(yàn)過(guò)程、實(shí)驗(yàn)結(jié)果、結(jié)果分析以及建議進(jìn)一步探究的問(wèn)題等進(jìn)行分享，并分享了開(kāi)展探究實(shí)踐過(guò)程中在科學(xué)、技術(shù)、數(shù)學(xué)與工程學(xué)（STEM）等方面所得到的提升和感受，最后接受同學(xué)的質(zhì)詢。

7 教學(xué)反思

學(xué)生在開(kāi)展探究實(shí)踐中，親歷了提出問(wèn)題、獲取信息、尋找證據(jù)、檢驗(yàn)假設(shè)、發(fā)現(xiàn)規(guī)律等過(guò)程，發(fā)展了學(xué)生的科學(xué)探究素養(yǎng)。學(xué)生在開(kāi)展該探究活動(dòng)中，能親切地感悟到生物與環(huán)境的密切聯(lián)系，發(fā)展了穩(wěn)態(tài)與平衡觀等生命觀念；同時(shí)，培養(yǎng)了關(guān)注環(huán)境嘗試解決現(xiàn)實(shí)生活問(wèn)題，形成生態(tài)意識(shí)等社會(huì)責(zé)任素養(yǎng)。學(xué)生在設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)和通過(guò)數(shù)學(xué)建模進(jìn)行演繹推理提出實(shí)驗(yàn)結(jié)論的過(guò)程中發(fā)展了科學(xué)思維素養(yǎng)。

在現(xiàn)有中小學(xué)教育中，有效開(kāi)展STEM教育的2種典型路徑是：①基于項(xiàng)目開(kāi)展真實(shí)的科學(xué)探究實(shí)踐，其結(jié)果是新發(fā)現(xiàn)或新理論；②應(yīng)用科學(xué)原理和工程技術(shù)，設(shè)計(jì)方案解決現(xiàn)實(shí)生活中的問(wèn)題?？鐚W(xué)科和基于設(shè)計(jì)是STEM教育的重要特征，開(kāi)展該項(xiàng)目需要運(yùn)用生物、化學(xué)、數(shù)學(xué)、信息技術(shù)、顯微攝影等跨學(xué)科的知識(shí)與技能，才得以順利完成。同時(shí)，學(xué)生在設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)的過(guò)程和優(yōu)化實(shí)驗(yàn)方法尋找最佳試劑配比等多方面做出了努力，這也是工程學(xué)的思維路徑。該探究實(shí)踐經(jīng)歷的時(shí)間較長(zhǎng)，學(xué)生需要主動(dòng)參與尋找文獻(xiàn)支持，需要在不斷試誤中優(yōu)化方案，在“嘗試——失敗——再嘗試”的循環(huán)中，感悟到了科學(xué)探索的不容易，也體會(huì)到來(lái)之不易的成功的喜悅，在解決真實(shí)情境中的實(shí)際問(wèn)題中實(shí)現(xiàn)知識(shí)、能力、情感態(tài)度價(jià)值觀的提升。