“种群的数量变化”一节教学中学生STEM素养达成的实践探索
2019-03-18许润青
许润青
摘要：以“种群的数量变化”为例，尝试培养学生的科学、技术、工程和数学等STEM综合素养。
关键词：种群的数量变化STEM素养 生物学教学
中图分类号：G633.91 文献标志码B
STEM是科学（Science）、技术（Technology）、工程（Engineering）、数学（Mathematics）四个词的缩写。STEM素养的内涵在于重视科学、技术、工程和数学整合，提高学生探究和解决实际问题的能力，是当前国际上具有一定影响力的教育理念之一。我国新颁布的《普通高中生物学课程标准（2017年版）》（以下简称新课标）也高度重视学科间的联系，强调生物学和数学、技术、工程学、信息科学是相互渗透、共同发展的。新课标学业质量水平部分也强调学生能够基于生命观念，将STEM知识和能力运用在实践活动中，解决生活中的实际问题。如何在高中生物学教学中培养学生的STEM素养，笔者以人教版必修三第四章第二节“种群数量的变化”为例，结合课堂教学活动进行了尝试，收到了较好的教学效果。
1本节内容涉及的STEM要素分析（表1）
2教学设计
2.1教材分析
“种群的数量变化”这节内容涵盖种群数量的变化情况，包括种群数量增长的“J”型、“S”型、波动和下降曲线以及“探究培养液中酵母菌种群数量的变化”实验等。本节内容的学习可为后续学习群落结构、生态系统的结构、功能、稳定性及生态环境保护等知识打下基础。
2.2翻转课堂，调整教材顺序
课前，学生先进行酵母菌培養和纯化技术、血球计数板结构和显微计数技术的学习，然后，学生以小组合作的形式讨论设计探究方案、实施实验、观察、计数、统计数据。课上进行小组汇报，再学习种群数量变化的“J”型、“S”型、波动和下降曲线。
2.3问题驱动下学生探究性实验安排
“探究培养液中酵母菌种群数量的变化”是新课标中唯一通过实验构建数学模型的实验，非常重要。
根据学生讨论和设计的实验方案，教师将全班学生分成5组，每组学生带着要思考的问题，利用1周左右的时间在实验室各完成一项实验。
第1组探究“酵母菌种群数量随时问的变化”（每天定时分瓶并添加新的培养液，共7d），思考：数学模型建构的一般步骤是什么？
第2组探究“酵母菌种群数量随时间的变化”（一定时间内原瓶培养，共6d），思考：如何对模型进行检验或修正？
第3组探究“不同温度条件下酵母菌种群数量随时问的变化”（共5d），第4组探究“不同pH条件下酵母菌种群数量随时间的变化”（共5d）。小组共同思考：保护大熊猫和灭鼠的根本措施是什么？
第5组探究“酵母菌种群数量随时问的变化”（一定时间内原瓶培养，共10d），思考：如何科学养鱼、捕鱼、售鱼的工程学问题？
3基于发展STEM综合素养的生物教学
3.1提高实验操作技能，发展学生STEM技术素养
技术是根据生产实践或科学原理而发展成的各种工艺操作方法和技能，以及相应的材料、设备、工艺流程等。
首先生物兴趣小组派代表出示课前实验中的照片和视频，介绍酵母菌培养实验中涉及的灭菌技术、无菌操作技术、平板划线和稀释涂布平板法分离酵母菌技术，尤其是血球计数板显微计数技术的具体操作方法和注意事项，让其他学生在提高实验操作技能的同时，真切感受到技术在生物科学中的重要作用，发展学生的STEM技术素养。
3.2建构数学模型，发展学生STEM数学素养
数学模型是用数学语言描述的一类模型，对研究对象的生命本质和运动规律进行具体的分析、综合，用适当的数学形式（如数学方程式、关系式、曲线图和表格等）来表达，并能依据构建的模型作出判断和预测。
3.2.1基于探究实验1，构建种群数量“J”型增长的数学模型
第1组学生介绍本组实验操作步骤、播放实验过程片段视频、照片，并提供每天定期取样后所得实验数据等，说明每次检测后应马上分装到更大的容器中，并添加新的培养液，共完成7d的实验。
教师指出：“在实验室设置的培养条件下酵母菌1.5h繁殖一代，即一个酵母菌从孕育出芽到芽体脱落成一个独立的个体需要1.5h，1个酵母菌可以变成2个。”
学生列出的过程如下：
0h：（1;2°）;
1.5h：（2;21）;
3h：（4;22）;
4.5h：（8;23）;
6h：（16;24）;
教师引导学生推导种群数量“J”型增长计算公式，构建数学公式模型：Nt=Noλt（No为该种群的起始数量，t为时间，N1表示t年后该种群的数量，入表示一定时间内种群数量为初始数量的倍数）。接着，学生将第1组提供的实验数据用Excel转化成曲线模型，比较两种模型的优缺点，思考酵母菌种群的增长规律，以及种群符合“J”型增长需要满足的条件。学生总结回答课前思考题：数学模型建构的一般步骤为“观察研究对象，提出问题——提出合理的假设——根据实验数据，用适当的数学形式对事物的性质进行表达——通过进一步实验或观察等，对模型进行检验或修正”。
3.2.2基于探究实验2，构建种群数量“S”型增长的数学模型
第2组的学生汇报“酵母菌种群数量随时问的变化”研究成果，指出其操作要点与第1组基本相同，主要区别是不分装也不添加新培养液，只在原瓶中培养，并用Excel把实验数据绘制成坐标曲线。学生通过分析，认识到任何一个自然环境的资源和空间都是有限的，种群不可能一直呈“J”型增长，进而推导出种群的“S”型增长曲线，即逻辑斯蒂曲线。接着，学生在同一坐标中绘制同一种群的“J”型增长曲线和“S”型增长曲线，分析造成2条曲线差异的原因，引出对环境阻力及影响种群数量变化因素的分析，从而对前面构建的种群数量“J”型增长的数学模型进行了检验或修正。
3.2.3种群增长率和增长速率推导与比较
种群增长率和种群增长速率是描述种群增长的两个重要的量，学生很容易把这两个概念混淆，这一点甚至是一线生物教师的争议点。
以种群的“J”型增长为例，根据种群数量“J”型增长计算公式：Nt=Nobt，教师引导学生推算出种群增长率和种群增长速率。
种群增长率=一定时间内增长的个体数量，初始个体数量=（这一次总数-上一次總数）/（上一次总数）×100%=（Noλt-Noλt-1）/Noλt-1x100%=λ-1，由于A是一个常数，所以种群增长率是一个定值。
种群增长速率=一定时间内增长的个体数量/时间=（现有个体数-原有个体数）/时间=（Noλt-Noλt-1）/1年=Noλt（λ-1）/年。此表达式清晰显示，种群增长速率也是一个指数函数，“J”型增长的种群增长速率同样呈指数增长的特征。
“S”型增长的种群增长率和种群增长速率，在高中阶段的学习中不适合采用公式推导的方法进行定量分析，教师可以引导学生进行定性分析得出曲线。
3.3深化科学探究活动，发展STEM科学素养
科学知识、科学方法、科学探究、科学思维都属于科学的范畴。本节内容用到四种科学方法：微生物培养法、抽样检测法、显微观察法、数学模型法。本节内容的主线则是“探究培养液中酵母菌种群数量变化”的系列探究实验的分析。在实验1和实验2建构了种群增长的“J”型和“S”型数学模型的基础上，教师引导学生进一步深入探究，养成高阶科学思维，发展STEM科学素养。
3.3.1基于探究实验3、实验4，明确K值的生物学含义
第3组和第4组学生汇报探究“不同温度、pH条件下酵母菌种群数量随时问变化”的实验过程、方法及依据实验数据绘制的坐标图。学生分析得出：K值会受环境因素影响，不是固定不变的，进而明确K值（环境容纳量）的生物学含义，以及K/2的意义和价值。接着，教师引导学生分析课前思考题：大熊猫栖息地遭到破坏后，由于食物的减少和活动范围的缩小，其K值就会变小，这是大熊猫种群数量锐减的重要原因。建立自然保护区，改善栖息环境，提高环境容纳量，是保护大熊猫的根本措施。再结合“思考与讨论”防治城市鼠害，进行讨论：灭鼠时如果只采取杀死老鼠这一办法，效果往往不好。更有效的灭鼠办法是既杀死老鼠，又清除垃圾，严密储存食物，使K值降低，这就从根本上限制了老鼠的种群数量。
3.3.2基于探究实验5，总结种群数量变化的类型
第5组学生汇报探究“酵母菌种群数量随时问的变化”的实验操作过程、方法及数据，并依据实验数据绘制成坐标图，得出种群数量的变化还有波动和下降等其他类型，进一步对种群增长的“J”型和“S”型数学模型进行了检验或修正。
3.4项目驱动下的头脑风暴，发展学生STEM工程素养
在国际科学教育领域，促进学科之间的融合与联系，培养学生的科学技术素养，提高学生实践能力已成为主流观点。如何将生物科学与工程学进行整合是在中学生物学教学中培养STEM素养的关键。
教师促进学生开启头脑风暴：当前猪肉价格飞涨，许多家庭的膳食结构改为少吃猪肉，多吃鱼了。请你运用本节课所建构的数学模型思考如何科学养鱼、捕鱼、售鱼的工程学问题。
学生通过课前查阅资料，课堂热烈讨论后回答：
养鱼：应该减少污染物排放，改善鱼塘生态环境，提高所养鱼种的K值;参考“四大家鱼混合放养”模式，多种淡水鱼类混合放养，提高各种鱼的总产量;参考“桑基鱼塘”模式进行生态养鱼，既能获得理想的经济效益，又减少了环境污染。
捕鱼：在数量方面当种群数量超过K/2后开始捕鱼，捕获后达到K/2，可以获得持续捕获量;在质量方面要考虑所捕鱼的大小，要用超过一定大小网眼的渔网捕鱼;针对不同时期的水域，制定相应的禁渔期，避开鱼产卵繁殖期，以保证鱼类资源的可持续发展。
售鱼：意识到品牌效应的重要性，争创知名品牌;针对人们对有机食品的喜爱，养有机鱼，打有机牌;当前是网络时代，可以开网店、微店等，充分利用互联网销售;不仅卖新鲜鱼，还可以把鱼加工成多种产品，如腌制鱼、鱼干、鱼胶、鱼子酱等;发展旅游业，建造鱼庄或农家乐，游客既可以体验钓鱼的乐趣，又可以吃自己亲手钓的鱼烧出的各种菜品，很有成就感。
学生通过头脑风暴，积极献计献策，运用并拓展本节所学知识和方法，探讨解决现实生活、生产中的问题，把生物科学和工程学有机结合起来，发展了STEM综合素养。
