基于核心素养的探究活动开发与实践——以“调查深圳五大河流抗生素耐药菌的实验研究”为例

杨玲玲 陈兴华

（深圳第二外国语学校 广东深圳 518110）

1 探究活动的开发背景

《普通高中生物学课程标准（2017年版）》（以下简称《课程标准》）强调学科核心素养的重要性，并指出科学探究活动的设计和安排要真正起到激发思维、培养能力的作用。针对人教版普通高中生物选修1“专题2微生物的培养与应用”的内容，《课程标准》明确指出“教师既要使用讲授演示的方法进行教学，更要为学生提供实验条件及必要的参考资料，指导其设计和进行实验”，推荐开展配制培养基、灭菌、接种、培养、计数等实验操作，以及分离土壤中分解尿素的细菌，并进行计数。考虑到学生对分解尿素的细菌比较陌生，结合高中生的认知程度和兴趣指向，将教学内容进行以下拓展：在深圳市各级“河长”的严格管理和保护下，深圳河流水质得到了明显改善，肉眼可见的垃圾基本绝迹，但是河流中的抗生素污染无法通过肉眼观察，而抗生素耐药菌感染数量的增加已经严重威胁到全球公共健康。那么，深圳河流中抗生素耐药菌的含量如何呢？

依据本章核心概念“通过调整培养基的培养可以有目的的培养某种微生物”，以及现代生物进化理论中的原理——“抗生素的长期滥用可加速耐药性细菌在环境中繁殖与散播”，师生共同设计了“以调查深圳五大河流中抗生素耐药菌”为主题的探究活动，旨在使教学内容情景化、课程内容结构化，将学科知识延伸到课外，引导学生从不同的角度和高度关注抗生素污染这一社会热点问题，最终落实到对学生的生物学核心素养的培养上。

2 探究活动的实施过程

2.1 文献检索和资料查询

以“抗生素and耐药and（河流or水体）”为关键词进行检索，共检索到19篇相关文献，研究内容主要分为水体中抗生素抗性基因分布的检测和抗生素浓度的测定两大类，其中徐维海博士等人曾经测试过珠三角重要水体中抗生素的含量水平和分布，并分析了其中潜在的生态风险。未检索到通过耐药菌的种类和数量反映深圳主要河流抗生素污染的文献。除了文献数据库，教师还可引导学生从图书馆、政府网站、新闻报道、博物馆等多种途径搜集抗生素污染的相关资料。

2.2 微生物培养技术的校内外学习

借助校本选修课程平台，参考人教版普通高中生物《选修1·生物技术实践》的操作，以校园内小水池的水样为样品，在生物探究室学习配制培养基、灭菌、接种、培养、计数等实验操作。同时，组织学生参观深圳大学化工学院和生命科学学院的实验室，使学生体验真实的科学研究氛围，进一步熟悉微生物培养相关的实验技能。

2.3 采样点的确定和水样采集

深圳河流众多，根据2003年深圳全市河道堤防普查成果，集雨面积大于1 km2的河流共计310条。其中流域面积大于100 km2的河流有5条，即深圳河、茅洲河、龙岗河、坪山河、观澜河。为了使调查对象更加具有代表性，最终确定从这五大河流中采样，每条河流选择1或2个水质差异显著的采样点。采集水样时，先用绳索把已灭菌的蓝盖试剂瓶瓶口绑紧，随后将瓶子扔入河水中，灌满水后将瓶子提起来，检测水样pH，盖紧瓶盖，编号后置于4℃冰箱中保存。同时在表格中记录采样地点、水体澄清程度、是否有气味、pH、河道植被覆盖情况。

2.4 抗生素的选择与配制

市面上在售的抗生素种类繁多，按化学结构可分为青霉素类、头孢菌素类、氨基糖苷类、四环素类、氯霉素类、大环内脂类等，从中选择容易购买的红霉素（大环内脂类）、盐酸四环素（四环素类）、硫酸链霉素（氨基糖苷类）、硫酸卡那霉素（氨基糖苷类）4种抗生素。参考产品说明书和《分子克隆实验指南》上介绍的相应抗生素的配制方法和使用浓度进行配制，使用医用一次性无菌针筒和含0.22 μm滤膜的过滤器过滤除菌后，存储于4℃冰箱备用。因购买的硫酸卡那霉素是注射液，直接稀释后存储于4℃冰箱。

2.5 水样接种与检测

选择观澜河某医院出水口和观澜河大桥下的水样做预实验，用于确定水样的稀释倍数、接种量、培养时间等，为正式实验摸索条件。预实验过程中，学生自发进行了分工，每个学生负责用其中一种抗生素检测水样。每个样品均设置两个对照组和两个实验组：对照组1（不接种水样、不含抗生素的培养基）用于检测培养基的灭菌是否合格；对照组2（不接种水样、含有抗生素的培养基）用于检测抗生素的过滤除菌是否彻底；实验组1（接种水样、含有抗生素的培养基）用于检测水样中耐药菌的种类和数量；实验组2（接种水样、不含抗生素的培养基）用于检测水样中耐药菌和不耐药菌的总量。接种后对培养皿进行编号标记，37℃培养箱倒置培养，24 h后观察菌落生长情况，统计每个平板上菌落的种类和数量，推算出单位体积水样中耐药菌的活菌数量。

2.6 结果与分析

各调查水样中含硫酸链霉素、红霉素、硫酸卡那霉素、盐酸四环素耐药菌的数量（个/mL）依次如下：观澜河主体水样——210、640、35、378，观澜河某医院出水口水样——27 500、136 000、6 000、172 500，茅洲河沙井河沙松桥下段——14 000、42 000、6 500、74 000，茅洲河沙井河沙后亭雨水泵站旁——22 500、65 000、33 500、32 000，龙岗河——245、1160、20、200，坪山河——75、1065、15、105，深圳河——375、605、5、230。据此分析：（1）观澜河某医院出水口和茅洲河的耐药菌含量最高，生态风险较高，需要加强监控与治理；（2）龙岗河、坪山河、深圳河耐药菌含量相对少，植被覆盖较多，引入绿色植物到河床中对净化水体具有一定的促进作用；（3）五大河流中红霉素耐药菌平均含量最高，其次是四环素耐药菌，卡那霉素耐药菌含量最少。红霉素耐药菌的广泛分布可能与其使用量大有关，自1952年推出大环内酯类抗生素以来，红霉素常作为家禽和水产养殖的增长剂被添加到饲料中，该类抗生素在中国的用量仅次于内酰胺类药物。

3 探究活动的成果与评价

3.1 学生关注社会议题和参与社会事务的兴趣增加，社会责任意识增强

结题报告中，学生写到“从实验研究和现场调查结果来看，有些河流如茅洲河的治污道路还很漫长，河流中抗生素污染严重。据相关报道和我们的现场调查，仍然存在直接将未经处理的污水排放到河流的现象。面对这一严峻的现实，我们深刻地认识到：河流的排污口必须加大监控力度，排污不合格的单位要加大惩处力度，尤其是医院和药厂更应该自觉遵守污水排放规定。河流污染的治理需要环保部门和监管机构多巡查，也需要民众一起监督，多方形成合力，才能有效减少抗生素污染，防范公共生态风险，逐步实现青山绿水的中国梦。”与茅洲河和观澜河相比，龙岗河、坪山河和深圳河的耐药菌含量相对较少，河床上覆盖了多种多样的植物，这些植物可以起到净化水体，减少耐药菌污染的作用。因此，学生建议有关部门在治污的过程，适当引进水生植物，这样既能有效降解水体中的污染物，还能够美化景观，同时为民众提供休闲娱乐的场所。

3.2 学生运用多学科知识解决实际问题的能力得到提升

本探究活动虽然是以生物学科知识和关键能力为基础，但活动实施过程中涉及到了多门学科知识和方法的综合应用。由于实验过程中选取了多种水样和抗生素，重复实验后获得的数据较多，需要学生灵活运用数学方法对数据进行处理和分析，并采用表格和曲线等方式呈现结果。在采样河流的选择上，需要学生利用地理学科知识，了解和分析河流的自然环境和水系特征选取具有代表性的河流。在开题和结题报告的准备过程中，学生尝试撰写与熟知的记叙文、议论文完全不同的科技论文……通过解决这些真实情景中遇到的具体问题，学生综合运用多学科知识的能力得到极大的提高。

3.3 通过对科研职业的初体验，学生生涯规划能力得到提高

为了进一步熟悉微生物培养相关实验技能，学生走进深圳大学化工学院和生命科学学院实验室，进行了为期两天的“科学家职业体验”。“在这之前，我所想象的实验室是多彩活泼，生动有趣的地方。然而，亲身体验后发现实验室更多的是严谨，甚至还有一些枯燥乏味。”面对深圳特区报的采访，学生告诉记者，“如果没有对科学足够的热爱，没有足够的耐心或严谨，那就很难在实验室呆下去。”这是校外实验室学习带给他的最深刻的体会。“我眼中的职业”不一定是真实职业的样子，这种认知偏差很容易对学生的专业和职业选择造成误导。通过体验科研人员的日常工作、感受真实的科研氛围，学生开始探索自我，认识科研职业，思考未来发展和努力的方向。

3.4 获得成就感，增强自信心，强化学生合作探究意识

随着探究活动的开展，学生对微生物培养与应用的相关内容理解更加深入，真正做到将知识内化，因此在相关题目的作答上逐渐体现出优势，进一步增加了他们学习生物的自信心。结题汇报时，本课题受到了评委老师的高度认可，获得深圳市中小学生探究性小课题优秀研究成果一等奖。在深圳市青少年科技活动中，获得第三十四届深圳市青少年科技创新大赛科技实践项目一等奖。这些成绩带给了学生较强的成就感。学生通过参加各种比赛，一方面有机会了解其他选手的创意和成果，开拓了视野；另一方面使活动成果有了对外宣传和交流的途径，进一步强化合作意识。

4 探究活动的反思

此次探究活动是为发展学生核心素养而开发，通过构建真实的探究情景，充分调动学生的积极性，提升学生对多学科知识的综合运用能力，引导学生在真实问题的研究中主动承担社会责任。总体而言，探究活动取得了一些成果，达到预期目标，符合现代高中教育改革要求。回顾活动实施过程，师生面临了多种困难和挑战。课堂时间有限和实验周期长是探究活动难以开展的重要因素。由于活动安排在每周一次的校本课程，而实验样品准备、器皿消毒和灭菌、水样接种等步骤往往难以在一节课内完成，学生需要利用课余时间参与探究活动。考虑到高中生课业压力较重，学生选择利用假期时间完成外出采样和实地调查。同时，学生的理论基础和动手能力不一，出现个别学生主宰活动，而部分学生参与度低的现象。教师需要提前了解学生的特长，适时引导，尽量使学生找到与能力相匹配的方面……从活动的开展到结题，仅依靠个人力量很难完成，学生之间取长补短，教师适时鼓励和引导尤为重要。学生在参与探究活动的过程中发展核心素养，教师在指导探究活动的过程中提升教学能力。