在探究实验中渗透STEM教育

孙茂雪

2014年，上海STEM云中心成立，STEM教育由此进入中国。STEM是科学（Science）、技术（Technology）、工程（Engineering）、数学（Mathematics）4个词的缩写。STEM教育旨在培養学生综合运用科学、技术、工程、数学知识进行创新实践的能力，以及锻炼学生运用科学的方法解决实际问题的能力。下面将以“探究培养液中酵母菌种群数量的动态变化”实验为例，探讨如何将科学、技术和数学的思维融于高中生物的探究实验。

1 探究实验中的科学方法

科学是人们研究自然、社会、思维的本质及其规律所获得的一种知识体系，是科学知识、科学方法和科学精神构成的统一整体。高中生物课程标准对科学方法有着非常具体的叙述：发展科学探究能力，初步学会：① 客观地观察和描述生物现象；② 通过观察或从现实生活中提出与生物学相关的、可以探究的问题；③ 分析问题，阐明与研究该问题相关的知识；④ 确认变量；⑤作出假设和预期；⑥ 设计可行的实验方案；⑦ 实施实验方案，收集证据；⑧ 利用数学方法处理、解释数据；⑨ 根据证据作出合理判断；⑩ 用准确的术语、图表介绍研究方法和结果，阐明观点；？輥？輯？訛 听取他人的意见，利用证据和逻辑对自己的结论进行辩护以及作必要的反思和修改。

“探究培养液中酵母菌种群数量的动态变化” 是《必修3·稳态与环境》的一个探究课题。在这个探究活动中用到了4种科学方法：① 微生物培养法；② 抽样检测法；③ 显微观察法；④ 数学模型法，所以该实验是一项有着多方面意义和价值的探究活动。

图1是“培养液中酵母菌种群数量的动态变化”教学设计思路。

1.1 提出问题

科学研究始于问题，教材中提出的问题是：培养液中酵母菌种群的数量是怎样随时间变化的？教师可以进一步引导学生，依据所学知识，分析酵母菌生长的条件与种群数量增长之间的关系，提出探究的问题。例如，在不同温度（或通氧、通CO2等）条件下酵母菌种群数量增长的情况如何？不同培养液（如加糖和不加糖）中酵母菌种群数量增长的情况如何？……

1.2 作出假设

作出假设可以使科学研究更有针对性，而不是盲目搜集资料进行研究。作出假设需要立足于已有知识，当然更需要学生充分发挥想象力和创造力。在教学中，教师要鼓励学生积极大胆地提出假设，但同时，也应提出“合理提出假设”的要求，要围绕问题，根据预期结果作出符合逻辑的假设。

1.3 讨论探究思路

这是开展探究活动的重要内容之一，通过探讨能使学生明白实验设计的基本原理，在具体操作时做到心中有数。

1.4 制定计划

本实验时间较长（7 d），因此，教师事前一定要做好周密的计划，定程序、定时间、定人员。在制订计划前，还需要讨论以下问题：① 酵母菌培养液的准备要注意哪些问题？② 怎样进行酵母菌的活化和接种？③ 怎样进行酵母菌的培养？④ 整个实验过程中，从静置的试管中取培养液计数应怎么做？⑤ 如果一个小方格内酵母菌过多，难以数清，应当怎么做？⑥ 怎样进行酵母菌的计数、记录和计算？记录表怎样设计？计算的公式是什么？⑦ 本探究需要设置对照吗？如果需要，请讨论对照组应怎样设计和操作？如果不需要，请说明理由。⑧ 需要做重复实验吗？⑨ 造成实验误差的可能因素有哪些？如何减小实验误差？

1.5 实施计划

学生分小组，按计划中确定的工作流程，课后认真操作，做好实验记录。

1.6 分析结果，得出结论

学生将记录的数据用曲线图表示出来，分析实验结果是否支持所做的假设。

1.7 讨论与交流

① 各组向全班汇报本小组7 d的数据，算出每一天全班各组数据的平均值，根据平均值重新画出酵母菌种群数量的增长曲线。将这个增长曲线与本组的曲线进行比较，分析其相似程度，并做出合理的解释。② 各小组分析根据各小组平均数据画出的增长曲线有没有总趋势，并作出说明。③ 各小组分析影响酵母菌种群数量增长的因素。

本次探究活动使学生掌握科学探究的一般过程和方法，养成实事求是的科学态度，培养小组合作学习的能力。

2 探究实验中的操作技能

技术是根据生产实践或科学原理而发展成的各种工艺操作方法和技能，以及相应的材料、设备、工艺流程等等。科学实验是一种技术性很强的工作，它的成功与否很大程度上取决于能否找到和掌握一种巧妙的实验方法和实验的技能。按照《普通高中生物课程标准（实验）》，高中学生应该掌握的实验操作技能主要有：① 熟练使用高倍显微镜；② 制作临时装片与徒手切片；③ 研磨与过滤；④ 纸层析；⑤ 水浴加热；⑥ 物理模型的制作；⑦ 血球计数板的使用与计数；⑧ 消毒与灭菌；⑨ 土壤中小动物的采集；⑩ 生物绘图等。

“探究培养液中酵母菌种群数量动态变化”的活动，在探究过程中涉及多项实验操作技能，如利用移液管（移液枪）准确移取一定量的溶液；利用血细胞计数板对培养液中的酵母菌细胞进行计数；推导细胞总数的计算公式；显微镜的使用等。

2.1 示范与强化

以“探究培养液中酵母菌种群数量动态变化”实验为例，血球计数板是一种实验者可以量化酵母菌种群密度的显微计数工具。在血球计数板的使用过程中，需要用“渗入法”滴加菌液。先将血细胞计数板用擦镜纸擦净，在中央的计数室上加盖专用的厚玻片，然后用拇、中二指夹住血球计数板一端的两侧，无名指托在下面，食指尖轻轻压住盖片边缘，稍稍倾斜计数板，再用另一只手持滴管吸取待测菌液，沿盖片边缘与计数平台之间的空隙轻轻靠一靠，使菌液渗入计数室。多余的菌液用吸水纸吸取，稍待片刻，使酵母菌全部沉降到血细胞计数室的底部。教师示范操作后，学生开始独立操作，反复训练。教师在示范的过程中，要多设计问题，不仅让学生知道做什么、怎么做，也要让学生懂得为什么要这么做。学生的生物实验技能是在不断的实际操作中形成和发展的。只有通过动手做实验，学生的操作技能才能得到提高，才能增强实验结果的可信度和实验的成功率。

2.2 改进与创新

高中生物学教材中对实验中的操作要点都有较为明确而科学的规定，但是在实验过程中也会由于操作技能和实验时间等原因受到一些限制。在不影响实验效果的前提下，教师可以引导学生对一些实验的操作方法做一些改进。如：① 样品稀释的方法是：如果酵母菌浓度过大，应先稀释。将9 mL无菌水用移液管移入1支灭菌过的试管里，然后立即将1 mL培养液移入试管里并充分混匀，使原培养液被稀释10倍。样品稀释的目的是便于酵母菌悬液的计数，以每小方格内含有4～5个酵母细胞为宜，一般稀释10倍即可。由于移液管操作难度较大，可以使用医用注射器定量转移溶液，一次性注射器不需灭菌，也减少了污染机会，便于对液体进行定量操作，能有效避免对容器口部的污染，且推注过程还可以起到振荡混匀的作用。② 为了避免学生多次取样造成培养液污染，可采取多支试管分别培养，每管只取样一次等。在探究实验中，学生感受实践，尝试创新，提高创造力。

实验操作技能是对知识的应用和能力发展水平的体现，培养和提高学生的实验操作技能，有利于学生巩固知识、发展能力、形成良好的行为习惯和意志品质。

3 探究实验中的数学模型

数学模型是用数学语言描述的一类模型，对研究对象的生命本质和运动规律进行具体的分析、综合，用适当的数学形式（如数学方程式、关系式、曲线图和表格等）来表达，并能依据构建的模型作出判断和预测。在科学史上，牛顿等很多伟大的科学家都是建立和应用数学模型的大师，如力学中的牛顿定律、电磁学中的麦克斯韦方程、化学中的门捷列夫周期表、生物学中的孟德尔遗传定律等，都是经典的应用数学模型的光辉范例。

数学模型的建构的一般步骤为：“观察研究對象，提出问题→提出合理的假设→根据实验数据，用适当的数学形式对事物的性质进行表达→通过进一步的实验观察等，对模型进行检验或修正。”在探究酵母菌种群数量的变动特点的实验中，教师可以通过建立数学模型进一步解释生物现象，揭示生命活动规律，具体过程如下。

3.1 模型准备

要构建一个数学模型，首先教师要求学生了解问题的实际背景，明确建模的目的，并搜集必需的各种资料和信息，尽量弄清楚对象的特征。在这一数学模型的构建中，研究对象是“酵母菌”，一般是进行出芽生殖。建模的目的是通过观察研究对象，发现问题，探究酵母菌种群数量的变动特点，了解在封闭环境中酵母菌种群数量的变化规律。这是建立数学模型的基础，在这一基础上运用数学方法将生物学问题转化为数学问题。

3.2 模型假设

合理提出假设是数学模型成立的前提条件，假设不同，所建立的数学模型也不相同。在此建模中提到的假设是“在资源和空间有限的环境中，酵母菌种群经过一定时间的增长后，数量趋于稳定的增长曲线为‘S型曲线。”

3.3 模型建构

对实验结果运用数学语言进行表达，根据记录的表格数据平均值画出培养液中酵母菌种群数量的变化曲线，建立数学模型。教师引导学生讨论分析实验的结果与假设是否一致，从而得出结论。需要指出的是，当呈现为某种数学模型时，教师一定要让学生认识到数学模型所蕴涵的生物学意义，要避免离开生物学讨论数学的倾向。

3.4 模型的检验和修正

生物学中大量现象与规律是极为复杂的，存在着许多不确定因素和例外的现象，需要通过大量实验或观察，对模型进行检验和修正。所以，教师要用每个小组的记录数值所描种群数量的变化曲线与全班的平均值作出的曲线比较，并作出解释。同时，教师还可以让学生在不同温度、pH、营养等条件下进行上述实验，探究酵母菌种群数量增长的最适温度、最适pH、培养液的浓度等等，并构建相应的数学模型。这样使学生认识到模型的构建是一个不断发展和完善的过程。

在生物学科中进行构建数学模型思维的渗透，把复杂的研究对象转变为数学问题，经过合理简化后，建立一个能用数学方法揭示研究对象规律的数学关系式，不仅可以使学生体会到生物学并非是一门理解型的自然科学，而且可以使学生感觉到利用构建数学模型的思维结合生物学理论知识，很好地解决一些生物学实际问题，使学生的知识能发生正迁移，起到举一反三的效果。同时，学生通过亲自研究一个真实的种群，可加深对种群数量变化知识的理解，并且培养收集、整理、分析数据的能力。