STEM理念在高中生物学建模教学中的应用

杨建新

摘 要 以2019人教版高中生物学必修1 中的“影响酶活性的条件”为例，构建酶活性受温度和 pH 影响的数学模型，在STEM视角下开展探究活动，以期培养学生的创新思维和科学实践能力，提升学生的学科核心素养。

关键词 STEM 建模教学  项目式学习  酶活性  科学探究

中图分类号 G633.91  文献标志码 B

STEM 是指科学、技术和工程、数学等多学科融合，以项目形式进行学习的一种全新教学理念。高中生物学教学中将 STEM界定为基于已有的 STEM 相关领域的学科（生物学），有机嵌入一至多门其他 STEM 相关学科（科学、技术、工程、数学中的任意一门或多门），以培养学生综合运用各科知识的能力与素养的教育理念。由于其综合性强，教师多采取“课内渗透，课外延伸”的项目式学习形式。

“建模教學”最初由亚利桑那州立大学理论物理学家 Hestenes 创立，当时主要应用于物理学科，随着多年研究的深入，实践与研究证明建模教学不仅可以帮助学习者深入领悟核心问题，还能提升学习者自主学习能力。建模教学与STEM 的教育理念存在一致性，从教育目标来看，建模教学与STEM都是将学生塑造成创新型人才;从教育方法来看，建模教学与STEM均提倡情境参与式、实践体验式教学（图1）。2019年人教版高中生物学教材，有着丰富的建模资源可以融入STEM 理念，以培养学生的学科核心素养和综合素质。下文以《必修1·分子与细胞》中“影响酶活性的条件”为例，阐述在高中生物建模教学中如何融入STEM理念。

1 “影响酶活性的条件”的教学分析

“影响酶活性的条件”是《必修1·分子与细胞》第五章第一节“降低化学反应活化能的酶”中的第三个探究实践活动，本节是在学习“酶的作用和本质”“酶  的高效性和专一性”等相关知识的基础上进行的，也  是进一步学习“细胞呼吸”和“光合作用”等细胞代谢  知识、理解基因对生物性状的控制等重要概念的基  础，具有承上启下的作用。《普通高中生物学课程标准  （2017年版）》（以下简称《课程标准》）关于本节的内容  要求是“说明酶活性受到环境因素（如pH 和温度等） 的影响”。本节课通过探究实验“影响酶活性的条件”来阐述“酶的作用条件较温和”这个概念，要求学生进  行有关实验和探究，学会调控自变量，观察和检测因  变量的变化，设计实验以及设置对照组和重复试验。此探究实践活动以融入STEM元素并构建数学模型来  理解概念，由于容量大、能力要求高，采用“课内渗透，课外延伸”的项目式学习来进行教学。

2  融入STEM理念的模型建构项目式学习设计

建模教学就是模型建构。模型建构是一种重要的科学探究活动，是科学家们获得科学理解、解释科学现象的重要手段。高中生物学学习中的模型建构是对已有生物模型的“再建构”，是对生物学家模型建构的高度模仿，要求抓住生物学家模型建构的关键思路、关键过程和关键环节，简约地经历类似于科学家建构模型的过程。学生探究酶活性受温度和pH 的影响，通过实验数据（原型），对直接观测到的原型进行归纳和抽象，构建基于原型的数学模型，实现了生物学现象数学化，并在设计过程中运用技术（实验器材的改进）和工程（探究方案的设计），体现了STEM教学理念。

2.1 基于问题情境，提出研究问题

教师创设问题情境，使学生有切身的体会，更容易理解知识点，从而提出有价值的研究问题：为什么残留在牙缝里的食物残渣多数都是肉丝，而不是米饭？在体外也是如此吗？有哪些影响因素？口腔中的唾液淀粉酶具有专一性，但学生进行实验操作时，因为要控制温度和pH等无关变量，所以未必能得到准确的实验结果。接着，教师追问：发烧时，人体有什么感受？口腔温度和体温差不多，而当口腔中的唾液淀粉酶进入胃以后却不能催化淀粉水解了，为什么？根据展示的生活情境，学生展开积极的讨论，提出的问题主要包括：①高烧时没有胃口，推测高烧使体温升高，从而影响到消化酶的作用，导致没有食欲，进而推测酶活性在作用过程中与温度变化有关。②唾液的pH和胃液的pH差异很大，唾液淀粉酶在胃中失去作用的原因可能是因为环境的pH改变，导致唾液淀粉酶的活性发生改变，进而推测酶活性的大小与pH有关。

2.2 根据研究课题，设计探究方案

从学生提出的问题中，教师确立研究课题为：① 酶活性受温度的影响;②酶活性受pH 的影响。随后，学生展开分组讨论设计探究方案，探究方案要呈现以下内容：① 探究目的;② 实验原理;③ 实验材料和器具;④ 实验步骤;⑤ 数据记录（原型）;⑥ 分析处理数据（数据原型图像化）;⑦注意事项（调控自变量、观测因变量、控制无关变量）。学生讨论、得出初步的实验设计：选取淀粉酶、淀粉溶液，用碘液检验在沸水、50℃温水和冰水中淀粉酶对淀粉的分解情况;选 取肝脏研磨液、过氧化氢溶液，分别检验二者在加入 HCl、蒸馏水和 NaOH 这三种不同酸碱度的溶液后产生气泡的情况。此设计与学生能力是切合的，但尚未达到预定的教学目标。为达成目标，教师需要设计问题串帮助学生进一步探究：①为什么用淀粉酶探究温度对酶活性的影响，用过氧化氢酶探究pH对酶活性的影响？② 自变量、因变量和无关变量是什么？预期结果怎样？③ 怎样排除无关变量的干扰？④ 只有三种温度和三种pH合适吗？⑤ 只做一次实验可行吗？⑥ 同学们的设计中因变量只能观察不能观测，如何改进？这样一系列的问题能够帮助学生掌握探究实验的基本方法;最后一问更进一步把学生初步设计的定性实验升级成定量实验，有效引导了学生的思维发展。在思考如何定量检测的过程中，学生逆向思考出可以通过测量检测不到淀粉的时间来衡量酶活性，从而有效解决酶活性受温度影响的定量问题。学生联系生活实际，提出了使用注射器等有刻度的器材来解决酶活性受pH影响的定量问题。

2.3 实施探究活动，构建数学模型

根据教师提供的材料和器材，学生讨论、修正、再讨论，对实验选材和实验方法进行了改进，如用土豆研磨液代替肝脏研磨液（腥臭且很难研磨），用注射器代替试管（定量），用滤纸片（操作方便）。

酶活性受温度影响的改进后方案：① 分组：设置0℃～100℃之间多个温度梯度进行催化反应。②记录反应时间：从反应开始，每隔1 min从每个反应管中吸取一滴反应液用碘液检测淀粉的有无，在表1 中记录反应液中检测不到淀粉所需的时间（数据原型）。③ 构建数学模型：根据数据原型绘制出温度对淀粉酶活性影响的曲线（数据原型图像化）。

酶活性受 pH 的影响改进后方案：① 分组：设置 pH 为1～13之间多个等梯度缓冲液进行催化反应。② 将每组土豆研磨液和不同pH缓冲液混合后浸泡相同面积滤纸片。③取两个50 mL注射器，一个吸取2 mL 的过氧化氢溶液，另一个装一片浸过混合液的滤纸片（无空气）。④ 将两个注射器用胶管连接。⑤将 过氧化氢溶液全部推入另一注射器。⑥利用注射器的刻度对生成氧气的体积进行定量测量，在表2中记录实验数据（数据原型）。⑦ 构建数学模型：根据数据原型绘制出pH对过氧化氢酶活性影响的曲线（数据原型图像化）。

2.4 模型检验修正，对比延伸拓展

学生通过比较实验结果，发现两条曲线差异很大（图2、图3），且温度曲线与教材完全不同。通过对分析构建的模型，学生发现对淀粉酶活性的计算有误，应以反应液中检测不到淀粉所需时间的倒数作为酶活性高低的检测指标，并据此对记录表和曲线模型进行修正，见表3。

教师将修正后的曲线模型（图4）与教材比较，并提出问题：① 描述两曲线的共同点和不同点。②在低温、高温和过酸、过碱条件下，酶活性较低的原因是什么？③ 比较自己绘制的曲线模型和教材中的曲线，有什么异同？④ 你还能列举影响酶活性的其他因素吗？学生通过比较、归纳、总结，意识到自己绘制的是数学模型原型，而教材展示的是原型模式化，是具有代表性、适切性的数学模型。

3  结语

《课程标准》中明确要求“教学过程重实践”“通过探究加深对生物学概念的理解”“能够基于生物学事实和证据运用归纳与概括、演绎与推理、模型与建模、批判性思维、创造性思维等方法”。本项目式学习设计融入了STEM理念进行模型构建，使学生以“创设情境→提出问题→设计方案→修正方案→实施构建→检验修正→理解模型”的思路进行学习，采用“课内渗透，课外延伸”的方法。由于问题情境来源于生活，且阶梯式设问与学生能力适切，提高了学生的学习热情和探究热情，使学生在课外主动延伸学习，有效培养了学生的多学科综合能力、科学思维和科学探究能力。在探究过程中，根据教师提供的材料和器材，在教师的引导下，学生改进了实验，培养了创新的意识，体会了成功的喜悦。这种教学模式对教师也提出了更高的要求，在问题的收集和探究活动的组织上，都需要精心篩选和设计。