基于STEM理念的实验创新
——以“探究CO2浓度对光合作用强度的影响”实验为例
2022-04-29甘肃省高台县第一中学陈能训罗福海中国人民大学附属中学
◆甘肃省高台县第一中学 陈能训 罗福海 中国人民大学附属中学 李 朴
STEM理念在培养学生科学、技术、工程、数学以及跨学科融合中发挥着重要作用。在生物教学中融入STEM理念，能使学生感受到生物学与科学发展、技术革新密切相关，并在潜移默化中提升学生的思维能力、动手能力和解决问题的能力等。渗透STEM理念的生物教学应结合学科特点，发展跨学科融合的实验教学案例是一个很好的途径。
我们以“探究CO2浓度对光合作用强度的影响”实验为例，从实验创新的缘起、实验设计、实验过程、实验结果和实验评析与反思5个方面，分析STEM理念的实验创新教学实践，探索课堂教学新模式，思考教学实践的可行性和现实意义。
一、实验创新的缘起
（一）实验分析
教材中，“探究环境因素对光合作用强度的影响”这个实验有利于学生构建光合作用过程和原理的应用模型，但教材中并未展示CO2浓度对光合作用强度的影响，不利于学生理解光合作用受哪些因素的综合影响。在实验过程中，操作时易出现以下问题：
1.通过注射器真空渗水使叶片下沉这一操作不易把控，可能导致细胞充水不足，叶片不易下沉，或水分过多导致叶肉细胞结构被破坏。
2.不能定量分析光照强度的大小与光合作用强度的关系。
（二）STEM理念引领下的实验创新教学目标
多学科融合，创新实验设计思路，运用可视化技术，定量分析并呈现结果；改进实验装置，探索变量控制，提高工程素养；处理实验数据，构建数学模型，提高数学素养。该实验涉及的STEM教学目标见表1。
表1 探究CO2浓度对光合作用强度的影响STEM教学目标
二、实验设计
（一）实验原理
植物在光合作用中，通过固定CO2生成糖类等有机物（主要为淀粉），淀粉遇碘变蓝色，可目测其中的差别，同时碘与淀粉能形成稳定的蓝色复合物，实验能在可见光区测定，且测定的灵敏度高。因此，可用特定波长吸收值来相对定量分析淀粉的生成量，探究不同条件下的光合速率差异，NaHCO3溶液可分解并维持一定环境下CO2的浓度。
（二）实验器材
绿 萝，NaOH溶 液（2 mol/L），NaHCO3溶液（浓度分别为0.1% 、1.0% ），无水乙醇，I2-KI溶液，烧杯，酒精灯，普通离心管（15 mL），微量离心管（2 mL），研钵，分光光度计。
（三）实验装置
实验共设置5个处理组：无光照组（甲组）、无CO2组（乙组，用2 mol/L NaOH溶液去除CO2）、正常组（丙组，无NaHCO3溶液）、0.1%浓度NaHCO3溶液组（丁组）、1.0% 浓度NaHCO3溶液组（戊组）。设计实验装置如图1（a）所示，该装置仅通过改变X溶液可实现对自变量的控制。实物图如图1（b）所示。
图1 实验装置
三、实验过程
将正常生长的绿萝在无光照条件下放置24 h，消耗其有机物，取形态相近的枝条水培于5组纸杯中，按上述分组在40 W的光源下进行不同浓度NaHCO3溶液环境处理6 h。各处理组取1.5 g叶片，用无水乙醇水浴加热脱色后晾干，用研钵碾碎并加水溶解淀粉，将溶解后的淀粉悬液依次分装于普通离心管中备用。
最后取各处理组淀粉悬液0.2 mL依次加入微量离心管中，加入等量I2-KI溶液进行显色反应并记录显色结果。同时，使用分光光度计测定显色反应的吸光值，记录实验数据并通过标准曲线计算淀粉含量。
四、实验结果
各处理组淀粉悬液如图2所示。将各处理组淀粉悬液与I2-KI溶液进行显色反应，结果如图3所示。由显色结果可得，甲组与I2-KI溶液颜色相近，说明无光照条件下，绿萝叶片不能进行光合作用，无法合成淀粉，从乙组—丙组—丁组，随着CO2浓度的增加，离心管内悬液的颜色越来越深，表明随着CO2浓度的增加，淀粉生成量增加。
图2 不同处理组的淀粉悬液
图3 I2-KI与淀粉悬液的显色反应
研究表明，淀粉溶液在550 nm波长和650 nm波长光下具有较大吸收波峰的能力，本实验选择550 nm波长下测定各处理组的相对吸光值，结果如表2所示。在550 nm波长下，除甲组外，其余各处理组的相对吸光值随着CO2浓度的增加而逐渐增大。
表2 各处理组吸光值
进一步分析淀粉和碘显色反应550 nm波长下吸光值的标准曲线（图4）可得550 nm波长下不同相对吸光值对应的淀粉浓度，进而得出6 h内绿萝叶片合成的淀粉量，计算结果如表3所示。
图4 550 nm波长下淀粉溶液相对吸光值的标准曲线
由表3可知，除甲组外，其余各组随CO2浓度的增加，6 h内合成的淀粉量逐渐增多，说明一定浓度的NaHCO3溶液可分解并维持一定环境的CO2浓度，使绿萝进行光合作用并合成淀粉，且在一定范围内，绿萝叶片光合作用强度随CO2浓度的增加逐渐增强。
表3 不同处理组6 h合成淀粉量
乙组在无CO2的情况下依然有淀粉生成量，经推测，是由于绿萝叶片在无光照处理后，细胞内依然存在C3、C5等化合物，当给予适宜光照后，光反应产生的[H]、ATP可将叶绿体基质中的C3还原为有机物，从而实现淀粉的合成。
五、实验评析与反思
本创新实验以STEM 教育为理念，以实验探究为手段，以教材实验为立足点，制订多维度的教学目标，准备学习资源和实验材料，运用技术分析和工程设计组织教学，使学生将合作学习、探究实践贯穿始终。
实验通过选择合适的观测指标，利用标准曲线，在可视化的基础上相对定量地探究了CO2浓度对植物光合作用强度的影响。此外，实验还可进行延伸，如进一步相对定量地探究光照强度、温度、CO2浓度等影响因素独立、综合作用，探究植物生长的最佳光照强度、温度、CO2浓度等。
