从STS走向STSE和STEM的生命科学实验

徐鹍 晁丽强

20世纪70年代，以科学（Science）、技术（Technology）和社会（Society）为核心的STS教育模式作为一种新的教育思维模式和价值观逐渐兴起，强调科学、技术和社会之间的关系，注重培养学生的科学素养，但忽视了环境教育。STSE教育模式是在STS教育模式的基础上增加了环境教育（Environment），使科学、技术、社会和环境之间协调发展，其中还包括人文价值的教育，让学生能够树立正确的科学发展观，是促进社会可持续发展的重要途径和方法。STEM教育是科学（Science）、技术（Technology）、工程（Engineering）和数学（Mathematics）的教育，通过复杂的学习环境来培养学生解决问题的能力。本文译自美国中学生物核心教材“Biology Lab Manual B”（2010年由Pearson Education公司出版）中“观察微生物的分解作用”的实验，并与我国人教版“土壤微生物的分解作用”的实验进行比较。

一、实验译文呈现

1. 引言

许多人开始将垃圾埋入自家花园。你可能认为这种做法会危及健康、产生异味和破坏花园环境。但是，如果能够处理得当，这种做法将是安全、没有异味和有利于植物生长的。这一切都归功于有益菌（这需要一些动物的辅助，如蠕虫），垃圾被分解后变成深色且富含营养的物质，称为堆肥。该调查中，你将探索堆肥的形成过程。

2. 问题

垃圾如何变成堆肥？

3. 实验前思考

阅读整个研究步骤，和搭档一起回答下列问题。

（1）为什么你会认为分解细菌需要空气才能分解瓶中的物质？

（2）除了空气，制作堆肥的细菌还需要什么？

（3）为什么你能推测产生异味的细菌的死亡是因为氧气？

（4）如果瓶子里物质的温度升高，你要告诉老师吗？为什么？

（5）你认为瓶内物质的高度会随着时间的改变而改变吗？说明你的理由。

4. 实验材料（每组）

2L干净的塑料瓶、草屑、橡皮筋、小钉或图钉、杂草和树叶、塑料叉子、剪刀、生的蔬菜和果屑、泡沫托盘、表层土、150 mL烧杯、玻璃笔、纸、纱布。

5. 安全事项

实验过程中，穿实验服和带护目镜。使用剪刀时，避免割伤自己和他人。小心不要打碎玻璃容器。戴一次性塑料手套，实验时与植物材料、土壤或堆肥接触后，用肥皂洗手。注意实验过程中所有的安全警告标志，回顾每种安全标志的含义。

6. 实验步骤

（1）仔细的在塑料瓶上打孔，用剪刀剪掉塑料瓶的上端。如图1所示。注意：小心操作。不断打洞，获得更多的洞。

（2）在塑料瓶侧面垂直处瓶壁较薄的地方打孔。用剪刀沿该孔小心的剪断瓶子顶部，如图2所示。注意：小心使用锋利的工具。

（3）在瓶身写上组员姓名和日期。然后将瓶子放在泡沫盘子上。

（4）向瓶中放入1/3体积的草屑。加入100 mL的土壤和20 mL水。瓶中的材料润而不湿。如果瓶中的材料还是很干，可以再加一些水。注意：处理植物时带一次性塑料手套。小心不要打破玻璃仪器。

（5）用剪刀将纸片、树叶、草、蔬菜和果屑等剪小，不超过1cm。将剪碎的材料放入瓶中到1/2体积处。

（6）用塑料叉搅拌瓶中的材料。如果有一些材料掉在泡沫托盘上，拿起瓶子，将泡沫托盘中的材料倒入瓶中，然后将泡沫托盘放回瓶底。

（7）在瓶壁外侧做标记，标出瓶内材料的高度。用纱布封住瓶口，用橡皮筋固定纱布。将塑料瓶放在温暖的地方。注意：离开实验室前，将双手清洗干净。

（8）两周后，观察瓶中的材料。触摸并感受塑料瓶的温度是否变热或者变冷。注意：如果塑料瓶摸着很热，立即告诉老师。

（9）实验观察时，如果材料比较干，加一些水。每周用叉子搅拌实验材料，同时在塑料瓶外壁标记材料的高度，并记录。每次观察后，用新纱布封住瓶口。注意：如果实验材料产生像臭鸡蛋或醋一样的异味，每次观察后搅拌实验材料。

7. 分析和总结

（1）观察：实验过程中，材料是如何变化的？

（2）观察：实验过程中，瓶中材料的高度是如何变化的？

（3）观察：瓶中材料完全分解需要多长时间？

（4）观察：你的“成品”堆肥是什么样的？

（5）推断：瓶中的材料是如何改变的？

（6）推断：一些分解菌需要氧气（占你呼吸的空气的21%）。另一些分解菌不需要氧气，氧气对其无害。其它一些微生物产生缓慢或被氧气杀死。你能推断分解菌和堆肥有什么样的关系？

（7）推断：如果用于制作堆肥的材料没有定期搅拌，可能会产生异味。解释为什么会出现这种情况。

（8）预测：如果塑料瓶和实验材料经过消毒，请预测实验结果如何，和你的实验结果一样吗？

8. 实验拓展

设计实验证明光照、水分、温度和空气等因素对堆肥形成的影响。

二、实验对比及评价

1. 实验设计思路

该实验强调学生对生活事件的观察，通过探究活动，培养学生的基本技能，能够更加深刻地理解科学的本质，注重培训学生探究科学的方法、科学态度和培养创新的精神。

2. 人教版教材相关内容呈现

人教版《生物必修3·稳态与环境》第5章“生态系统及其稳定性”中安排了实验“土壤微生物的分解作用”。实验以土壤中存在细菌等微生物为背景，通过研究落叶在不同环境中的分解时间，反映土壤微生的分解能力。实验以问题导入，让学生根据已有的知识和经验做出假设，并且设计实验方案。教科书为学生提供了两个参考案例，从不同角度证明了土壤微生物具有分解作用。

3. 中西合璧，扬长避短

两种教科书的实验设计各有所长。美国教材更注重培养学生观察日常生活现象，提出问题，尝试解决问题，在过程中不断学习和体会科学的精神。由于学生自主探究，理论知识欠缺，可能会导致实验耗时较长。人教版教材比较注重实验原理和实验操作，实验理论方面比较扎实。该实验耗时较长，也不是考试大纲要求的实验，很多学校都将实验课当作理论课，导致学生背实验的现象屡见不鲜。因此，教师可以组织学生开展课外探究活动，通过多种手段、多种形式、多种评价，既让学生体验科学家的研究过程，又弥补了课时不足的缺陷，通过实验教学培养学生科学素养。