高中生物实验与STEM 教育的融合——以“环境因素对光合作用强度的影响”为例

陕西

生物学作为高中阶段重要课程之一，其知识内容和结构体系并非完全独立，而是与数学、化学等其他学科有着紧密联系，同时，生物学作为21 世纪自然科学的重要组成部分，与工程技术、技术美学的结合也日益紧密。STEM 教育注重在新情境下以问题或项目为驱动、通过跨学科的形式，利用科学（Science）、技术（Technology）、工程（Engineering）和数学（Mathematics）解决实际问题，不仅有助于培养学生实验探究和设计能力、创造性实践能力，同时也有利于提升学生的社会参与度，增强社会责任意识。与我国十九大精神关于“培养什么人、怎样培养人”的教育理念相吻合。本文以“探究环境因素对光合作用强度的影响”实验为例，尝试探究应如何在高中生物实验教学中开展STEM 教育。

1.教学设计思路——体现STEM 教育的科学性

“环境因素对光合作用强度的影响”是人教版高中生物教材必修1《分子与细胞》第五章第4 节“能量之源——光与光合作用”中的一个探究课题。这个探究课题中涉及了生物实验探究的基本过程、化学实验试剂的配制要求、数学统计学的基本要求以及优化实验操作的手工制作光合作用反应盒。因此，此探究实验对培养学生学科核心素养，体现STEM 教育理念是非常有意义的。

本探究实验的教学设计思路：根据不同环境因素对植物光合作用的影响总结促进植物光合作用的最适环境因素→分析、确定实验变量→提出假设→设计实验方案→进行某环境因素的预实验→反思改进，实施实验方案→记录实验过程，收集实验数据→分析解释，交流评价→优化方案，制作学具。

1.1 提出问题

教师创设真实情境：陕北地区夏季光照充足，昼夜温差较大，当地出产的土豆淀粉含量高、红枣含糖量高，这与植物光合作用强度密不可分。学生根据光合作用的有关知识，主动思考这些环境因素与土豆中淀粉、红枣中含糖量的关系，提出问题：不同种类的植物光合作用强度是否存在区别？是否光照强度越大，植物光合作用强度越大？不同温度条件对植物光合作用强度有何影响？

1.2 作出假设

在教师引导下，学生提出假设：不同种类的植物细胞内光合色素的含量、与光合作用有关酶的含量可能存在差异，故不同种类的植物光合作用强度存在差异。不同光照强度可能影响植物光反应阶段产生的[H]和ATP 的含量。不同温度条件可能影响有关酶的活性，进而对光合作用强度产生间接影响。

1.3 交流讨论，完善思路

教师展示问题，学生交流讨论：①查阅有关资料或进行预实验，选取比较合适的自变量范围进行实验。②假如分别确定植物种类、光照强度、CO2浓度为自变量，如何设置对照组？③植物光合作用强度大小如何检测或体现？④植物叶圆片上浮的原因是什么？⑤为何要将植物叶圆片放在注射器里反复拉动活塞？⑥每只烧杯中放入一片小圆形叶片的操作是否可行？⑦怎样配制不同浓度的NaHCO3溶液？⑧如何观察并记录植物叶圆片的上浮情况？⑨如何将植物种类、光照强度、CO2浓度对光合作用强度影响的实验同时进行？这样可以使学生进一步厘清探究思路。

1.4 制订计划

此基于STEM 理念的探究实验教学预计用时10 天，各小组同学在实验开始前，要制订好小组的实验计划、参与人员和预期时间，并将任务拆分为各个小任务。各小组之间互相评价，教师给予指导性帮助。

1.5 实施计划

各小组修订完善实验计划后即可开始实验流程，认真操作，分工协作，对植物光合作用强度（叶圆片上浮情况）进行观察和记录。

1.6 分析解释

各小组根据实验过程中记录第一片叶圆片上浮所用的时间、一半叶圆片上浮所用的时间、全部叶圆片上浮所用的时间，绘制成表格或曲线图，对实验结果进行分析解释，判断假设正确与否，得出结论。

1.7 交流分享，优化装置

本次实验结束后，各小组汇报每组研究的某一环境因素对植物光合作用强度的影响结果，根据各小组实验数据，寻找不同环境因素对光合作用强度影响的最适条件，并以此环境条件数据为基础，优化实验装置，制作出能同时测量多个环境因素对光合作用强度影响的光合作用反应盒。将实验过程和制作的装置在全班交流分享。

2.多学科整合——运用STEM 教育的技术性

STEM 教育是基于技术方面，融合多学科的综合教育活动。若要参与基于STEM 教育理念的探究实验，学生须掌握一定的实验探究技能和科学研究方法，比如配制不同浓度的NaHCO3溶液、制作多功能简易光合作用反应盒、科学统计叶圆片上浮情况、根据记录的数据绘制表格或曲线图等，通过动脑、动手顺利完成本次实验探究，进一步理解环境因素对光合作用过程的影响，感受实验探究的乐趣。

2.1 注重细节，精准配制

探究“环境因素对光合作用强度的影响”实验中，需要学生配制不同浓度的NaHCO3溶液。教师需要提前引导学生回顾化学学科中试剂配制的相关注意事项以及相关用具的规范使用，如配制溶液时需要使用静置后的蒸馏水、所用容器应用蒸馏水润洗2～3 次、定容时的注意事项、配制完成的溶液的转移和储存等。

2.2 工具制作，科学探究

在制作简易光合作用反应盒的过程中，首先需要利用立体几何中三视图的有关知识，设计光合作用反应盒的三视图（如图1、图2、图3），标注各个结构的长、宽、高，考虑材料之间的嵌合须预留间隙，设计完成的三视图需通过小组自评、组间互评的方式不断优化完善，确定最终方案后购买材料进行制作。

图1 光合作用盒立体图

图2 底板与顶板

图3 中间隔板

教师在引导学生解决问题的过程中，要多次提出学生未注意到的细节和疑惑，引起学生的重视和关注，让其意识到一些未注意的细节，使学生知道“怎么做”“为什么这么做”。只有真正参与到科学探究过程中，学生才能充分考虑到各个细节，才能精确制作完美的教学工具。

2.3 数学建模，挖掘本质

本次探究实验结果是不同植物在不同光照强度、不同CO2浓度下光合作用强度的大小（叶圆片上浮所用的时间），通过对数据的比较分析，可以充分体现这些环境因素对光合作用强度的影响。为了准确判断分析，教师需引导学生了解半数致死量的计算方法和意义，这样有助于减小极端情况引起的实验误差，降低重复实验的次数，增加实验结果的说服力和可信度，所以本次实验对叶圆片上浮情况进行统计时，不仅统计每组第一片叶圆片上浮所用的时间、全部叶圆片上浮所用的时间，还增加了对半数叶圆片上浮所用的时间的统计，再设置3 组重复实验，以最后各组实验数据的平均值作为最终的实验结果，以最大限度减小实验误差。

3.联系实际——完善STEM 教育的创新性

3.1 不断优化，改进创新

考虑到教学进度进展到这部分内容时，北方多数地区正值秋冬季节，温度偏低，同时低浓度CO2也会导致该实验耗时较长，利用课堂时间（45 min）进行实验所得现象不明显。因此教师在引导学生完成光合作用反应盒制作后，还要鼓励学生对实验条件进行优化和创新：①利用LED灯带组合代替普通光源，通过改变灯带组合亮灯的数量实现对光照强度的调节，确保通过调节光源与叶圆片之间距离调节光照强度的效果明显；②变换LED 灯带组合的光源类型：增设暖白色光源、红色光源、绿色光源等，探究不同光质对光合作用强度的影响（实验结果如表），通过分析数据可知不同光质对光合作用强度的定性影响，以具体数字呈现实验结果，让学生在数量的变化中深入理解光合作用的本质。

3.2 联系实际，学以致用

本实验装置可以同时开始6 组光合作用探究实验，因此在实验材料的选取上有较大的灵活性。教材中推荐使用菠菜叶片，因此教师可以引导学生尝试使用生活中常见的绿色植物进行实验，比如蔬菜类：油麦菜、小青菜、菠菜等，家庭常见绿植类：绿萝、平安树、白鹤芋等。最终实验结果可得：蔬菜类叶圆片适合在低温条件下进行光合作用，家庭绿植进行光合作用所需的温度较高。这就为他人栽培或种植这些植物的所需适宜温度提供建议。学生在基础实验操作过程中，将所学知识运用到解决实际问题当中，促进了能力发展，增强了社会责任。

4.结束语

实验教学的本质，是让学生亲身体验实验过程，增强感性认识。将“环境因素对光合作用强度影响”的实验与STEM 教育融合，不仅有利于对问题提出创造性解决方案，还可以将对实验结果的感性认识进一步转化为定量认识，有利于学生对实验过程整体和细节的把握，提升综合能力和学科核心素养。