融合STEM理念培养学生的科学探究能力——以“正交试验法探究泡菜最佳酸度”为例

张 利 王 威

（四川师范大学生命科学学院 四川成都 610101）

在《义务教育生物学课程标准（2011年版）》中，要求学生初步学会生物科学探究的一般方法，发展学生实施计划、得出结论、表达和交流的科学探究能力和创新能力。但目前在实验教学中，学生所探究的问题、实施的方案往往都是由教师规定的，并未实现“探究”。下面基于STEM理念，以“正交试验法探究泡菜最佳酸度”实验为例，提出中学阶段的新方法——正交试验法，引导学生面向真实问题，利用多学科知识解决实际困难，经历完整的科学探究过程，最终实现科学探究能力的提高。

1 基于生活，创设情境

STEM教育理念强调把知识还原于生活，结合生活中真实、有趣的问题设计学习任务，通过学生的问题解决完成教学。泡菜在生活中非常常见，教师以大多数人关心的泡菜口感与泡菜安全作为导入，能够很好地引起学生兴趣。泡菜中含有的乳酸菌会产生乳酸，使泡菜具有酸味，酸度除了影响风味，还是衡量泡菜安全性的重要指标。泡菜发酵过程的有机酸既能抑制致病菌、腐败菌的生长，又能降解杂菌引起的亚硝酸盐，因此，提高泡菜酸度能增加泡菜的安全性。那么，在家庭新制泡菜的过程中，泡菜的酸度应该控制在哪个水平才既能保证良好的风味，又能保证泡菜的安全呢？有哪些因素能引起酸度发生变化呢？各个因素保持在什么水平状态下能够使泡菜酸度保持在最佳水平呢？

2 明确目标，提出任务

学生在中学阶段未接触过正交试验法，并且实验中涉及到跨学科的知识与原理。因此，制定明确的任务目标，可以减少学生探究过程中的盲目性。根据试验进程，设计任务目标如下：

（1）认识泡菜的制作原理、酸味的产生过程及正交试验。

（2）掌握泡菜酸度的定量检测方式。

（3）通过文献查阅和单因素实验确定影响新制泡菜酸度的主要因素及各因素最佳水平。

（4）通过正交实验，找出对新制泡菜酸度影响程度更高的单因素，找出各因素相互搭配的最佳水平配方，优化泡菜方案。

3 提供资料，问题驱动

问题驱动、持续探究、指向核心知识等是STEM教育理念的重要特征，这使得它具有很强的系统性。所以在探究活动前期，教师需要给学生提供优质材料及问题引导。教师所给的资料及问题需要基于课标，围绕主题；便于交流讨论，体现问题驱动；过程突出，体现工程思维。

本探究实验需要学生认识泡菜的制作原理、酸味的产生过程、酸度的检测方法以及正交试验，所以教师给出的资料包括乳酸菌简介、泡菜制作原理——乳酸菌发酵、泡菜酸度、酸碱滴定法、正交试验法。

教师抛出的问题必须方向明确，重点突出：

（1）对于人体而言，摄入食物的pH安全且适宜的范围是多少？泡菜中的pH与酸度分别指什么？

（2）泡菜酸味产生的原因和机制是什么？有哪些主要因素在影响新制泡菜的酸度？并梳理出每个主要因素可能的水平情况。

（3）怎样测定泡菜的酸度？

（4）正交试验法的原理是什么?它有哪些优势?

正交试验探究的是多因素多水平的影响。通过本环节，学生已经确定了想要探究的影响泡菜酸度的各种因素。如何确定各个因素的水平梯度呢？

4 设计单因素实验，确定水平梯度，探究单因素的最佳水平

工业泡菜中，一般是向泡菜中添加占总质量6%的盐类，放在20℃条件下发酵5 d，泡菜即可成熟。教师向学生提供工业泡菜制作条件，引导学生设置各单因素合适的水平梯度，设计并完成单因素实验，找出泡菜酸度最适宜时的各单因素的最佳水平。以含盐量对泡菜酸度的影响为例，向学生提供实验设计参考，降低实验开放水平，避免难度过大。方法步骤：（1）设置泡菜的含盐量分别为3%、6%、9%，每种含盐量设置3个平行组：取9口相同的处理好的泡菜坛子分别编号为Y1、Y2、Y3，W1、W2、W3，S1、S2、S3。

（2）每坛中分别倒入1 kg凉开水，放入白萝卜0.5 kg。添加的凉开水与白萝卜的量可根据实际情况决定。

（3）Y1、Y2、Y3分别加入质量分数为3%的泡菜盐，W1、W2、W3分别加入质量分数为6%的泡菜盐，S1、S2、S3分别加入质量分数为9%的泡菜盐，放入20℃的恒温箱中，5 d后测量萝卜的酸度，记录结果（表1）。

表1 不同含盐量影响下的泡菜酸度数据表

在本环节，学生确定了各单因素的水平梯度，找出了泡菜酸度最适宜时的各单因素的最佳水平，并且初步尝试了泡菜酸度的检测方法，完成了正交试验前的技术铺垫。

5 根据因素与水平，完成正交试验

教师提出问题：如何确定哪个单因素对泡菜酸度的影响程度更高？各个单因素的最佳水平组合在一起，是否就是制作泡菜的最优配方呢？如何找出各因素水平相互搭配的最佳方案？教师以问题导入，进入正交试验环节，既引起学生的兴趣与思考，也点明本环节的核心任务。

5.1 确定正交表

正交试验需要一个至关重要的工具——正交表。正交表的表名以Ln（mk）表示，表现为k列n行的矩阵，有k个因素，每个因素都分为m个水平，n表示组合试验的方案的个数。

5.1.1 明确因素水平梯度

以泡制时间、含盐量、温度3个因素，每个因素3个水平为例，设计因素水平梯度表，见表2。

表2 因素水平梯度表

5.1.2 选择正交表

由n=k*（m-1）+1计算可知，n=7。查表可知，没有n=7的正交表，根据选表的原则，应该找出满足试验次数大于n、水平数大于等于m、因素数大于等于k的正交表。所以选择L9（34）正交表（表3）。

表3 L9（34）正交表

5.1.3 完善正交表

选择出的最适正交表是3因素3水平，因此，整理时应删除1列因素，并将表2中的因素水平梯度对应到表3中，见表4。

表4 影响泡菜酸度的正交表示例

5.2 进行试验，处理实验结果

实验设置共10组，包括正交表中的9组试验，以及第十组——单因素实验确定的各个单因素最佳水平的组合。教师引导学生分组实验，各小组根据实验方案进行实验操作，记录实验数据，处理实验结果。

5.2.1 推断泡菜酸度变化规律

根据数据，推断泡菜酸度的变化规律。

5.2.2 计算分析正交试验结果，选取优化方案

把每个因素同水平的三个方案酸度值相加，分别得到K1、K2、K3，例如时间的K1=X1+X2+X3。再分别计算出各自的算术平均值，记为K1、K2、K3。例如K1=K1/3。将计算结果分别对应记在时间、盐量、温度这三个因素的下方。

各因素的K最大值减去最小值，计算各因素的极差R。根据极差越大的因素重要程度越高确定各因素的主次程序，分析得出最佳方案。

5.2.3 验证试验，确定正交试验的最佳方案

正交试验推算出的最佳方案，若与正交试验的9组方案都不相同，那么需要将推算出的最佳方案和正交表中最佳方案各做一次实验，根据实际效果确定最佳方案。

5.2.4 对比正交试验的最佳方案与第十组方案，得出结论

最后通过对比正交试验的最佳方案与第十组方案的泡菜酸度，学生可直观感受各个单因素的最佳水平组合在一起，不一定就是制作泡菜的最优配方，即在多因素多水平的相互作用下，变量之间会相互影响，产生不同的实验效果。

6 教学效果

STEM的主体主要为异质学生，客体为不同学科课程，构成要素还包括促进不同学科知识整合与创新的规则、面向项目式学习的协作分工和开放共享的混合式学习环境。

本案例主要将生物与化学知识相融合，利用化学方法解决生物问题，运用正交实验法，渗透统计学原理，体现了STEM强调的跨学科性，增加了知识的广度。学生在实际探究中能够深刻认识到探究的过程性，根据任务提示从提炼关键知识，到探究单因素最佳水平、选择正交表，最后进行试验，循序渐进，体现出“工程”的程序性，训练了背景研究、设计实验的一般探究能力。学生根据给出的案例合作配合，设计各自的实验方案，在开放的探究活动中增强协作意识，学会探究实验的一般方法，提高实验设计能力。STEM理念与科学探究相融合，能够更好地体现实验的过程性，更有效地发挥实验开放性与探究性的作用，是提高学生探究能力的有效途径。