融入STEM 教育理念的生物学专题复习教学——以“光合作用与细胞呼吸实验探究”复习为例

陆晓燕

（古田第一中学，福建 宁德 352200）

STEM 教育是融合科学与数学知识，以先进技术及工程思维解决现实世界问题的教育模式。生物学是自然科学领域的重要学科之一，它在微观和宏观方面的迅猛发展，得益于数学研究，更离不开信息技术、工程技术的支持。［1］笔者尝试在高三生物学专题复习教学中融入STEM 理念，围绕某一核心知识，以问题情境引导学生理解与运用生物学必备知识，形成系统学、工程学思维，同时提升探究与实践能力，旨在提高复习教学的有效性与针对性。现以“光合作用与细胞呼吸实验探究”专题复习为例，探讨生物学专题复习教学策略。

一、阐释专题复习设计思路

“光合作用”与“细胞呼吸”是高中生物学“分子与细胞”模块的重要内容，是生物学大概念“细胞的生存需要能量和营养物质”涉及的主要生理过程，其是细胞代谢中最核心的物质和能量变化过程。为更好地将STEM 理念融入生物学复习教学，帮助学生学会整合多学科知识，提升解决实际问题所要掌握的技术素养，以及为解决问题或完成项目而应具备的工程素养［2］，根据《普通高中生物学课程标准（2017 年版）》（下文简称“课程标准”）要求，“光合作用与细胞呼吸实验探究”专题复习教学设计思路是：以生物学高考试题及实验装置创设系列问题情境，引导学生应用光合作用和细胞呼吸等核心知识，分析实例、设计与实施实验方案，促进学生聚焦生命观念，复习、重构相关概念及重要概念，提升科学思维及科学探究能力，发展生物学学科核心素养，实现二轮复习目标。

二、制订专题复习目标

根据课程标准的内容要求、学业质量水平、教学建议及具体学情，制订“光合作用与细胞呼吸实验探究”专题复习目标。

第一，通过分析有关生产实例，阐明提高农作物产量的具体措施，如延长光照时间、提高CO2浓度、增大昼夜温差等，从而厘清光合作用与细胞呼吸在物质、能量方面的关联，形成结构与功能观、物质与能量观等生命观念。第二，通过设计实验方案，能熟练写出实验思路并预期实验结果及实验结论。能根据所提供的生物材料和实验器材，筛选所需用具进行实验装置的组装，并进一步完善实验。学会建构物理模型的方法，发展分析问题、解决问题能力及创造性思维能力。第三，通过有关资料的阅读，能运用所学的生物学知识和方法，对生产生活中的有关问题作出理性的判断和解释，增强尊重科学、理智运用科学成果提高人类生活质量的社会责任意识与担当。

三、实施专题复习教学

（一）聚焦生产情境，导入专题复习

基于建构主义学习理论的STEM 教育强调：在真实的情境下，综合应用多学科知识解决实际问题。在这一过程中，新情境中的新问题有助于学习者在原有的知识经验基础上建构知识。［3］利用生产实例导入教学，激发学生的复习兴趣，并创设系列问题情境，使得模糊的概念清晰化、零碎的知识系统化，提高复习效率。

首先，介绍中国蔬菜之乡“山东寿光蔬菜大棚”的发展史：以往在寒冬腊月，当地瓜农为提高黄瓜产量，并使之早日上市，应用日夜燃烧煤球炉的方法为蔬菜大棚供暖。现在，应用高科技的智能综合管理系统及有关先进设施，促进蔬菜快速生长，实现增产增效。以此创设系列问题：①以往瓜农的措施科学吗？你会选择哪种方法？并阐述理由。②请分析智能放风机、LED 补光灯、地下地热管道等设施是如何促进蔬菜产量的提升？③造成光合作用和细胞呼吸强度发生改变的环境因素有哪些？生产实践上提高农作物产量的具体措施有哪些？

围绕上述问题，引导学生复习有关光合作用与呼吸作用知识：第一，影响光合作用的环境因素有光照、温度、CO2浓度、矿质元素等。第二，LED 补光灯的适时利用，既能补充植物所需光照，又能延长光照时间，有利于植物体内有机物的合成。冬季大棚中地热管道增温，能提高土壤温度，促进根部细胞的有氧呼吸，有利于植物对土壤中矿质元素的吸收。不同种类的矿质元素与光合色素、ATP、NADPH 的形成皆存在密切关系，影响光合作用过程。智能综合管理的通风措施，既能保证蔬菜大棚中CO2的供应，又能增大昼夜温差，使得植物体内有机物的积累量增大，植物生长加快、产量提高。复习这些核心知识，为开展课堂复习教学活动奠定知识基础。

（二）开展科学探究活动，助力技术工程素养提升

为了提升学生的实验设计能力，发展技术工程素养，以高考试题及实验装置创设问题情境，组织学生开展科学探究活动，充分彰显高中生物学课程的理科属性，培养学生的科学思维能力与科学探究能力。

首先，以生物学高考2016 年课标II 第31 题为例，引导学生分析该实验的自变量与因变量，了解该实验是定性分析光合作用和呼吸作用的关系。为了定量分析光合作用和呼吸作用关系，利用有色液滴移动实验装置（图1），引导学生小组讨论：图1 装置中若加入不同的实验材料和试剂可以开展哪些探究实验？经过讨论、相互补充，学生总结：可以利用该装置开展光合速率及呼吸速率测定、探究呼吸方式及呼吸底物、CO2浓度对光合速率的影响、光照强度对光合速率的影响、温度对光合速率影响等一系列探究实验。

图1 有色液滴移动实验装置

以生物学高考试题及实验装置创设问题情境，引导学生走出死记硬背知识的误区，促进学生理解与应用有关光合作用、细胞呼吸等核心知识，正确认识这两核心知识之间的内在联系，为复习提供思维与探究支架。

接着，进一步创设问题情境：

某学习小组为探究不同光照强度对黑藻光合作用的影响，将生长发育状况良好的黑藻分别装入6 个含等量1%NaHCO3 溶液的锥形瓶中，并连接U 型管（管中装入一定量的水），用不同瓦数的LED 光源进行实验，得到下列结果（表1）［4］

表1 不同光照强度对黑藻光合作用的影响

①分析表1 数据，说出U 型管液面高度的变化代表什么含义？阐明黑藻光合作用强度变化与光照强度变化的关系？

②若将上述材料放在图2 所示的装置中，用同样梯度的LED 光源进行实验，则红色液滴该如何移动？若在单位时间内测得红色液滴向右移动的距离，它表示的是真光合速率还是净光合速率？两者的关系如何表述？

图2 净光合速率测定装置

③若要进一步研究CO2浓度对黑藻光合速率的影响，应如何设计实验？请说出设计思路并预测实验结果。

④为探究NaHCO3 浓度（即CO2浓度）对光合作用的影响，该实验小组用图2 实验装置进行相关实验，实验结果如图3。当NaHCO3 溶液浓度超过一定值后，黑藻的光合速率为什么反而下降？请说明理由。

图3 不同浓度NaHCO3溶液对黑藻光合速率的影响

⑤该小组利用图2 装置深入探究细胞呼吸的方式，实验室提供萌发的种子、盆栽幼苗、1%NaHCO3溶液、1%NaOH 溶液、蒸馏水及多套有色液滴移动装置。请大家从中选择合适材料和试剂，设计正确的实验装置,帮助他们完成任务（要求：由各小组代表上台演示小组实验装置并说明设计思路）。

通过系列探究活动，引导学生逐步深入地探究光照强度、CO2浓度影响黑藻光合速率等相关问题，学会合理选择实验材料，明确对照装置中分别选择NaOH溶液和蒸馏水的生物学意义；正确辨析真正光合速率、净光合速率和细胞呼吸速率的关系等重要概念；结合数学相关知识，灵活运用实验装置图、数据表格图及坐标曲线图等表达对有关生物学规律的认识。同时，指导学生小组合作设计、评价与修正实验装置，促进学生探究萌发种子的呼吸方式及其所消耗的底物等，正确认识呼吸熵概念。布置学生课后继续完成不同温度、不同光质等因素对光合速率影响的相关实验设计，建构光合作用与呼吸作用知识网络图。

（三）应用数字化实验，提升复习教学效果

根据课程标准在“实施建议”提出的要求“进行生物学实验教学，要同时重视定性实验和定量实验，要让学生在量的变化中了解事物的本质，给学生提供机会学习不同的测量方法”。［1］指导生物学课外兴趣小组利用数字化实验系统完成有关光合作用与细胞呼吸探究实验，鼓励学生利用课外时间到数字化实验室亲身体验新技术新工具的应用。

课堂复习教学时，指导学生思考：有色液滴实验装置虽然可以通过液滴移动来测定光合作用和呼吸作用过程中O2或CO2量的变化情况，但所需时间较长，数据变化不够精确，大家是否有更好的方法？并介绍学校数字化实验室配备情况及数字化实验系统的操作步骤，帮助学生了解数字化实验系统具有快速、直观、量化、智能化等优点，有助于迅速、准确地以曲线、图表等直观形式呈现实验结果。［5］同时，让学生明白数字化实验系统中的数据采集器可以连接多个传感器，这意味着测定环境因素对光合速率的影响时，可同时连接光照、温度、O2等传感器，以获得多因子变量对光合速率影响的曲线图。进一步引导学生迁移应用上述知识：温室栽培农作物时，白天要适当提高温度，同时增加CO2浓度，以提高光合速率；温度适宜时，也可适当增加光照强度和CO2浓度来提高光合速率。这样才能真正做到应用所学的生物学思想、知识和方法，合理地解释生产生活中有关问题。并让学生领悟生物科学的发展和技术领域的革新是密不可分的，每一次技术方法的进步，都为相关研究领域的突破带来新的契机，并有助于中学生物学教学改革。促进学生关注生物科学领域的发展及生物学社会热点问题，增强学生的社会责任感。

“光合作用与细胞呼吸实验探究”专题复习融合STEM 教育理念，以生产实例创设情境，以高考试题及实验装置为线索，设计系列探究活动，帮助学生在解决问题的过程中，查缺补漏，深入地理解、灵活地应用光合作用及细胞呼吸等核心知识，学会多角度地思考问题，以及生物学探究实验设计方法，提高获取信息能力、科学思维能力及科学探究能力，发展核心素养。