在研究“苹果褐变”现象中体现科学探究与工程实践的异同

张柳 刘晓晴

1 设计理念

工程学中创意、设计、实践、产品等重要属性和要素可以实现这样的育人价值，培养学生的创新、实践和问题解决能力。生物学教师可在生物课堂中加入工程设计元素。

任何科学教育如果只关注科学事实的，而不去理解这些科学事实是如何创立出来的，或者忽视了科学在人类社会里的重要应用，都将会歪曲科学并将工程的重要性边缘化。生物学教育的基本理念之一就是教学过程重实践。科学实践包括科学探究和工程实践，“重实践”环节中必然会涉及超越学科本身的知识和能力的要求，教师要适当地将跨学科知识和技能融入实践活动，特别是将STEM教育（科学、技术、工程学和数学）整合到实践活动中。STEM教育中最核心的部分就是工程设计和实践过程。在《普通高中生物学课程标准（2017年版）》中，单独将“生物技术与工程”设为选择性必修模块，本质上就是体现对于STEM教育的重视。

2 科学探究视野下的课程设计

本研究通过一节有关“苹果褐变”现象的课例，帮助学生了解酶的活性会受到环境因素的影响，同时教师在教学中体悟科学探究与工程实践的区别。

苹果褐变是指植物细胞中的多酚氧化酶存在于细胞质中，底物酚类物质则大多存在于细胞的液泡中。在细胞结构完整的情况下，植物细胞在氧气存在的情况下酚类物质和多酚氧化酶也不会结合在一起发生酶促褐变。但当果蔬被机械破坏后，细胞结构受损使得液泡中的大量酚类物质外溢从而造成了两种物质的酶促褐变反应。

科学探究视野下的课程设计包括了提出问题、设计实验和分组进行实验、交流与讨论和总结阶段。

提出问题阶段：学生通过观察生活中苹果褐变现象和查阅文献，了解苹果褐变的原因、多酚氧化酶和防止褐变的相关知识。学生推测影响苹果的褐变程度的变量并提出假设。

设计和分组实验阶段：学生分组通过观察生活中的苹果褐变现象、苹果在不同保存方法下的褐变程度、探究影响酶活性的因素的实验以及定量比较不同水果在不同时间点的颜色变化等实验来检验假设。

交流与讨论阶段：学生在讨论实验的结果后，得出温度、pFI、底物浓度、酶的浓度、抑制剂等均会影响酶活性的结论。

课程总结阶段：总结防止食物发生褐变的方法。为学生介绍不会发生褐变的转基因“北极苹果”。同时从进化的角度，让学生了解水果中含有多酚氧化酶的意义。

3 工程实践视野下的课程设计

苹果汁在加工过程中易发生酶促褐变，导致色值下降、品质劣变和营养价值降低，从而降低了果汁的附加值，严重影响了产品的销售。因此在工程实践的视野下，学生可以通过研究苹果汁酶促褐变的机理，寻求抑制酶促褐变的方法，提高苹果汁的品质。

定义问题阶段：首先学生观察到刚刚榨完的苹果汁迅速褐变，思考改变苹果品相的方法。学生将这样一个复杂的问题拆分成可实施的小问题，具体来讲就是研究褐变的具体反应、影响褐变的因素以及通过添加什么样的成分减缓褐变的速度，定量和定性分析问题所面对的标准和约束，这就是辨识需求或问题的过程。

调查需求或问题阶段：学生通过调查超市和鲜榨果汁店的苹果汁销售情况以及参观汇源果汁公司来了解苹果汁生产相关的知识。通过查阅与苹果汁生产相关的文献，了解超声波和维生素C等因素提高鲜榨苹果汁的品质。学生进行影响多酚氧化酶的科学探究实验，了解到温度、酸碱度等这些因素都会影响褐变的时间，所以自然想到可以通过加入维生素C、柠檬、盐水、做成苹果醋或者加入冰块的方式来提高苹果汁的品质。

设计解决方案阶段：学生分组讨论解决方案，比如有一个小组选用市场购买的新鲜苹果为主要原料，加入蔗糖、柠檬酸、维生素C和果胶酶，辅以相应的抗氧化剂和物理护色的手段进行果汁制作。设置护色与未通过护色以及市场购买所得苹果汁样品三个对照组，检测其产品和半产品的糖度、酸度、pH等理化性质和感官评价来进行研究。这一个阶段中，基于学生掌握的科学概念、所获得的实证数据和评价标准来权衡，通过迭代检测，设计出新的问题解决方案并进行实施。

学生完成关于苹果汁加工的原料要求、关键工艺原理、工艺要点与产品配方原则的简化报告书并在校内进行关于苹果汁的市场调查，形成研究报告。最后，学生分组汇报各自的设计和产品。

事实上，在控制酶促褐变的生产中，除去酚类物质可能性小，可行的方法就是从多酚氧化酶和氧气入手解决问题，如控制酶反应的条件、隔绝氧气、使用反应抑制剂、降低酶活性等措施。

4 科学探究与工程实践的异同

公民对科学和工程学的深入理解是理性决策的前提：在人类探索新知识、改造自然界和改变自身生活方式的过程中，科学和工程学是两种最为有效的手段。在课堂实验中，学生无法单独使用某一种模式。学生在研究如何改良苹果汁品质时，既要进行科学探究，又要把项目的目标理解成对预期结果的优化——生产出品质更好的苹果汁。真正的科学家和工程师正在做研究时，常会同时运用科学探究和工程实践。科学强调知识概念的形成和发展，力图更好地解释世界;工程学关注活动中的体验和结果的形成过程，更加侧重改造世界。科学的认知可在工程学情境中构建，工程实践也可以通过科学认知过程获得证据，两者交融在一起。

但是，科学探究和工程实践在以下方面存在差异。

①科学探究与工程实践在目的和任务上不同：科学探究活动是为了解释关于某个现象的问题，如“苹果为什么会褐变呢”，学生的主要任务在于认识和解释科学概念。工程实践则是解决一个由困难、需要或期望所引发的问题。例如，“如何能让苹果不褐变呢”或“怎样改良苹果汁的品质呢”，学生的任务是明确一个成功的方案应当达到的标准和面临的限制，并在理解科学概念的基础上，实现对其的利用，解决遇到的问题。

②科学探究和工程实践的成果不同：科学探究活动的成果主要是检验现有的理论和解释，或修正并发展新的理论和解释;而工程实践则是在多个研究方面之间寻求平衡，提出一系列解决方案，并有一个最优之选。

③对学生的评价标准不同：科学探究活动中，学生能够通过自己已有的科学概念及实证研究对现象建构逻辑上连贯的解释，并向他人进行展示;学生能够参与讨论，交流观点和探究的结果。工程实践活动中，学生的解决方案还需要满足很多其他方面的标准，诸如是否达到预期功能、技术的可行性、成本、安全性、美感以及对法律的遵守。

科学探究和工程实践在很多方面都是有所重叠。计划并开展实践是共同形式。研究方式都包括了模型、推理和辩论，都以实证为基础：在科学中，使用模型使得超越可见范围、想象一个尚未看到的世界成为可能，而推理和辩论是识别一系列推论的优点与不足，以及找出自然现象的最佳解释的基础;工程上使用模型来分析现有体系以寻找缺陷所在和解决方案，通过推理和辩论找到问题的最佳解决方案。在工程与技术活动中，数据能帮助学生确定哪种设计能最能解决问题，以及能否在可接受的预算内完成。数学或计算方法对已经建立的关系和原理进行表征是整个设计的一个组成部分。

科学探究和工程实践同属于科学实践，两者在教学中占据同等重要的地位。在进行课程设计时，教师可以将科学探究的实验加入工程学思想转化成STEM课程，首先找出中学阶段生物学课程中的科学探究活动、工程与技术活动之间的交集，并分析现有的科学探究活动缺乏工程与技术方面的哪些元素，从工程和技术的角度设计科学探究活动。目前STEM课例众多，但是课程在纵向上还缺乏系统性，可以构建中学生物学科的STEM路径图，以此为基础更好地开发和设计STEM课程。

参考文献：

[1]刘恩山.工程学在基础教育中的作用[J]科普研究，2017，12（4）：5-10.

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[3]中華人民共和国教育部.普通高中生物学课程标准（2017年版）[S].北京：人民教育出版社，2018.