STEM理念下的生物学课程案例设计

陈惠如

(广东省深圳市光明区马山头学校 深圳 518106)

生物学STEM课程案例是由一系列跨学科的活动组成[1]，笔者在教学实践中对一些科学现象进行了STEM课程案例设计，具体如下：

1 水果电池

自然界中存在着许多活的“发电机”，如电鳐、电鳗等。它们能够产生天然的电流，用于防御天敌、捕获猎物等，以更好地在自然界中生存。水果电池，就是用水果制作成的电池，但也不是任何一种水果都可以制作而成的，一定要是含有果酸的水果，如柠檬、酸橙、苹果、梨和菠萝等，这是由于水果中的果酸可作为电解质来构成导通回路。

原理： 水果中的酸性液体相当于电解质溶液，由于铜和锌(镁)的金属活性不同，其中较活泼的金属锌(镁)能置换出酸性液体中的氢离子——锌，电极上的锌单质脱去电子形成锌离子，进入酸性液体中；脱去的电子通过导线流到铜电极，与酸性溶液中的氢离子结合，形成氢气分子，导线中的电流驱动数字时钟或发光二极管工作。

材料用具： 橙子、西红柿、苹果等新鲜多汁的水果、1.5 V碱性干电池2节、1.5 V螺口小电珠、大头针、铜片若干、锌片若干、导线若干、水杯、鳄鱼夹线、数字时钟、发光二极管。

活动步骤： ①将橙子等水果用手按压使其松软多汁；②把准备好的铜片、锌片裁剪成长方形；③把铜片、锌片与导线连接；④把铜片和锌片成对插入橙子中并连接数字时钟或发光二极管；⑤观察数字时钟是否接通或发光二极管是否发光(图1)，若接通则说明产生了电流。

图1 橙子电池

思考与讨论： ①为什么要将橙子等水果用手按压？②水果中的水主要是自由水还是结合水？③如果想让电池的电压更大，可以怎样连接？

2 体验虹吸式口器模型

虹吸式口器是鳞翅目成虫所特有的，包括蛾、蝶两类昆虫。成虫多以花蜜等作为补充营养，如桃小食心虫、苹果小卷叶蛾、棉铃虫、菜粉蝶和印度谷螟等。它们显著的特点是具有一条能弯曲和伸展的喙(虹吸管)，适于吸食花粉管底部的花蜜。

图2 公道杯

古代汉族饮酒器具——公道杯(图2)，就是模仿昆虫的虹吸式口器制成的，是一件既有科学技术原理，也富含人生哲理的盛酒器具。杯中央立一龙头，体内有一空心瓷管(相当于昆虫的虹吸管)，管下有一个通杯底的小孔，向杯内注水时，若水位低于瓷管上口，水不会漏出；当水位超过瓷管上口，水即通过杯底的漏水孔漏光。那如何模仿昆虫的虹吸式口器来仿制一个公道杯？

材料用具： 矿泉水瓶、可弯吸管、热熔胶枪。

活动步骤： ①取一矿泉水瓶，先把矿泉水瓶分成两半；②在瓶盖上打孔放入吸管；③用热熔胶把吸管固定，封住缝隙；④往杯子里倒入水，水一旦倒满，就会从杯子里漏出去。

思考与讨论： 以构建虹吸式口器模型为依托，将“科学、技术、工程和数学”整合到教学活动中，在动手操作中探究得出虹吸式口器的特点，进而理解“结构和功能相适应”的生命观点。

3 “爬行高手”的秘密

壁虎可以说是动物界爬行能力最强的动物，甚至可以在光滑的玻璃上爬行。为什么壁虎在天花板或光滑的玻璃上都能“健步如飞”呢？

原理： 壁虎能在光滑的玻璃上自由行走，主要是靠它前肢和后肢的指、趾。它们的前后肢每一个指、趾端都有一褶一褶的瓣，瓣与瓣间形成一条条沟称之为吸盘。它们靠这些吸盘来增加指趾与玻璃面之间的摩擦。虽然，每个吸盘产生的力量微不足道，但累积起来就很可观。因此，它能在天花板上或光滑的玻璃上行走而不会掉下来。

活动步骤： ①把两本书放到桌子上，把装订的一边相对；②把书本的每一页依次互相重叠；③直到所有的纸张都重叠在一起，此时轻轻压合一下(排出空气)；④双手把书拿起来，就难以将它们分开。

思考与讨论： 本案例以生活中常见现象为出发点吸引学生的兴趣，用纸张的重叠来模拟壁虎趾端的吸盘，该活动操作简单，学生能深刻地体会到虽然每个“吸盘”产生的力量微不足道，但较多“吸盘”累积起来的力量，会产生意想不到的效果，可培养学生迁移思维能力。

4 体验视觉的错觉

视觉错觉对于大脑来说是一种真实的感知觉，它反映的是人视网膜物理(光)输入和大脑皮层视觉中枢感知之间的不一致，是人类大脑通过复杂的脑区之间的相互作用和海量神经计算而产生的。人类在自然生活中，由于视觉刺激和场景的不同，再加上观察者生理和心理上的差异，可以自觉和不自觉地感知到诸如大小、颜色、形状和位置等视觉错觉。

活动步骤： 展示图3和图4，其中图3内圆周围分别围绕的是更大的圆、更小的圆，学生会误以为2个内圆的大小不同；图4是3个人身高的比较实验，由于他们所处的背景是一个逐渐收缩的视野，所以学生会根据经验判断远处的物体大于近处的物体。

图3 比较两个内圆的大小

图4 比较三个人身高

思考与讨论： 对物体大小的感知，源于物体在视网膜上所形成的物像的大小。同一物体在视网膜上构成物像的大小，常因所观察物体距离远近而改变，距离愈远，物像愈小。如一辆汽车从远处向近处驶来时，投射到我们视网膜上的物像会产生一个由小到大的变化过程。但是对于不知实际尺寸的物体，并不能通过视网膜上的物像大小来判断其真实的大小，所看到的物体大小错觉通常受到背景环境的影响。如图4就是通过添加的一些辐射线条，会造成对视觉深度的错觉，进而导致大脑对物体的大小产生了误判。