高中生物实验与STEM教育的融合——以“探究生长素类似物促进插条生根的最适浓度”为例

谢雪锦

（厦门市松柏中学 福建厦门 361000）

STEM教育以跨学科的形式整合了科学（Science）、技术（Technology）、工程（Engineering）和数学（Mathematics），突出学生在新情境下探究和解决问题，充分体现对学生能力和素养的培养。下面以“探究生长素类似物促进插条生根的最适浓度”实验为例，探讨在高中生物实验教学中开展STEM教育，将科学、技术、数学和工程的思维进行融合。

1 学习科学方法——理解STEM教育的科学性

《普通高中生物学课程标准（2017年版）》关于“科学探究”的描述是：指能够发现现实世界中的生物学问题，针对特定的生物学现象，进行观察、提问、实验设计、方案实施以及对结果的交流与讨论的能力。2018年高考全国统一考试大纲对科学方法的具体要求是：发展科学探究能力，初步学会独立完成相应的生物实验，理解具体实验目的、原理、方法，了解操作步骤，掌握相应操作技能，灵活运用这些实验涉及的方法和技能；具有验证简单生物学事实的能力，能分析、解释实验现象和结果，收集和处理数据；具有初步探究特定情境中生物学问题的能力，学会运用观察、实验与调查、假说演绎、建立模型与系统分析等科学研究方法；能恰当地评价和修订简单的实验方案。

“探究生长素类似物促进插条生根的最适浓度”是人教版高中生物《必修3·稳态与环境》第三章第二节“生长素的生理作用”的一个探究课题。在这个探究活动中用到了预实验法、对照实验法和数学模型法3种科学方法。此探究实验对培养学生的生物学学科核心素养是非常有意义的。

本实验教学设计思路：根据不同浓度生长素对植物不同器官的作用的曲线图，提出生长素类似物促进植物插条生根的最适浓度→分析确定本实验变量→提出假设→制定实验方案→各组交流实验方案→小组互评，师生讨论、评价，优化各自方案→进行预实验→学生实施实验方案，引导学生注意实验的有关问题，记录实验过程，收集实验数据→利用数学方法对收集的数据进行分析、解释，并做出合理判断→小组交流评价，做必要的反思和修改，提出进一步探究的问题。

1.1 提出问题

教师引导学生提出问题：促进某种植物插条生根的生长素类似物最适浓度是多少？学生主动思考，根据所学知识，分析生长素类似物浓度与插条生根之间的关系，提出问题。如，选取一年生与两年生插条是否有区别？不同的培养方法（水培法、砂培法）、不同温度条件对插条生根有什么影响？

1.2 做出假设

学生提出假设：适宜浓度的生长素类似物（如NAA）可以使插条基部的薄壁组织中的细胞恢复一定的分裂能力，形成愈伤组织，在生长素类似物的诱导下长出不定根。

1.3 分组讨论

教师展示问题，学生分组讨论：①利用预实验记录，根据插条生根数目确定比较适宜的浓度范围②是否采用对照实验的方法，确定的实验变量是什么？③自变量和因变量如何确定？④为何要选取一年生的枝条？枝条下端为何要削成斜面？为什么要每组五支插条？⑤有一组浸没在清水中的意图是什么？⑥怎样配制生长素类似物溶液？⑦怎样培养插条？⑧如何观察和记录插条的生根情况？怎样设计记录表？⑨是否做重复实验？⑩造成实验误差的因素是什么？如何减小误差？

这样可以使学生进一步掌握实验原理，厘清探究思路。

1.4 制定计划

本实验用时15 d左右，各小组在实验前要制定好实验计划、定时间、定人员，将任务分解。

1.5 实施计划

各小组按计划中确定的工作流程，认真操作，分工协作，各司其职，实事求是对插条生根情况进行观察和记录。

1.6 分析结果

各小组根据记录，及时整理数据，绘制成表格或曲线图，对实验结果进行分析，与实验预测是否相同，得出相应的实验结论。每组都要对实验结果进行分析，看看是否支持自己实验前的假设。

1.7 交流分享

实验结束后，以小组为单位汇报各组的实验数据，根据数据重新画出生长素类似物促进插条生根的最适浓度的曲线图。各小组将此图形与教材提供的图形进行比较，分析它们异同点，并做出解释；说明各组的实验结果与实验预测是否一致；分析插条生根的生长素类似物最适浓度不同的影响因素。

各小组在全班交流实验探究过程的收获与体会。在实验过程中，学生掌握科学的实验方法，体验科学实验的一丝不苟，初步形成严谨的科学实验态度，与同学协作并分享成功的喜悦，提升小组的合作学习能力。

2 掌握操作技能——运用STEM教育的技术性

科学实验要求有一定的技术性，STEM教育基于技术，融合科学与工程。学生必须具备一定的生物实验技能和实验方法，如能利用解剖刀制作插条、配制生长素类似物溶液、用胶头滴管和量筒配制生长素类似物溶液、消毒、定时更换培养液、根据记录进行绘图等，通过自己动手操作能顺利完成本实验，进一步理解生物科学的本质，感受到实验探究的乐趣。

2.1 规范操作

此实验中先对解剖刀进行消毒，用解剖刀将插条切出一个斜面（大约30°）约3 cm，制备好插条；准备好一系列浓度梯度的生长素类似物。教师演示胶头滴管和量筒的规范使用。①吸液：用右手的拇指和中指紧握住胶帽，胶头滴管直立起来，将滴管放入液体中，拇指和中指放松，松开胶帽，液体进入滴管。②移液：将胶头滴管取出来，然后移到要放置的量筒里，用力捏一下胶头液体就进到量筒了。③量筒的使用：左手拿住量筒，右手拿试剂瓶，使瓶口紧挨着量筒口，让生长素类似物溶液缓缓流入，当注入的量比所需要的量稍少时，将量筒放平，改用胶头滴管滴加到所需要的量。在教师演示后，学生反复独立训练。教师在示范的过程中，要多设计问题，使学生知道怎么做以及为什么这么做。学生只有通过动手做实验，实验技能才能得到提高和发展、掌握科学实验的真谛。

2.2 实验创新

高中生物每个实验的操作要点都有明确的科学规定。教师除引导学生完成规定的实验外，还要鼓励学生进行实验创新：①实验方法创新：本实验使用水培法，如果改成砂培法会效果如何？最适浓度是否发生改变？②材料选择创新：插条种类的选择，采用三角梅插条、大叶榕插条、月季呢？③插条用豆芽菜替代，效果如何？④用落地生根提取液代替生长素类似物，效果如何？学生根据此思路进行探究实验创新，参加市青少年科技创新赛获二等奖，在收获成功的同时创新能力也得到了提高。

掌握实验操作方法，能将知识学以致用，是能力发展的水平的一种体现。生物学实验技能的提升对于学生巩固知识、发展能力不可或缺。

3 建构数学模型——领会STEM教育的数学性

高中生物数学模型是将实验获得的数据，用一定的数学语言或数学形式对预设的实验假设进行定量描述的一种模型。数学模型能充分体现生命与生命规律的科学本质，有助于学生作出合理的判断和阐述。

本实验通过建立数学模型，观察插条的生根情况。学生经历“提出问题→作出促进插条生根的生长素类似物最适浓度的假设→利用实验数据画出曲线图→继续实验→对模型进行检验或修正”，利用所建立数学模型来解释生长素类似物促进插条生根的生物现象，从而揭示生命活动规律。

3.1 模型准备

此模型的研究对象是“插条的生根情况”。建模的目的是通过观察研究对象，发现问题，探究生长素类似物促进插条生根的最适浓度。教师引导学生建立数学模型，促进学生用数学的方法来解决复杂的生物科学问题。

3.2 模型假设

数学模型的建构需要提出合理的假设，针对不同的假设，所建构的数学模型也会不同。在此数学模型建构中提到的假设是“所选定的生长素类似物促进某种插条的最适浓度是多少”。

3.3 模型建构

学生对实验数据进行分析处理，取平均值，根据实验数据画出生长素类似物促进插条生根的最适浓度的曲线图，建立数学模型。教师要引导学生讨论、分析结果与假设是否一致，从而得出结论，并组织学生对数学模型所蕴含的生物学意义进行讨论。

3.4 模型的检验和修正

生物学的现象和规律是比较复杂的，因此还要对模型进行检验和修正。每个小组根据自己的实验数据绘制曲线图，并与其他组所绘制的进行比较，也可以和全班的平均值做出的曲线图进行比较，主动思考做出相应的解释。教师可建议学生对在15℃、20℃、25℃、30℃等不同温度、不同生长时间的插条（一年生、二年生的插条）、不同植物的插条、不同的生长素类似物等实验条件进行比较，根据实验结果构建相应的数学模型，让学生理解科学是不断发展和进化的，建构的模型也在不断地完善之中。

在高中生物学习中，建构数学模型，把复杂的问题转变为数学问题，学生可以体会到生物与数学的紧密结合，可以更快更好地解决生物学问题，感受到跨学科的优势，实现知识的迁移，加深对知识的理解，同时提升对数据收集、整理和分析的能力。

4 运用生物规律——完善STEM教育的工程性

在高中生物教学中，STEM教育的工程性是指将所学生物科学知识应用于生产生活实际中。

4.1 运用规律，解释现象

学生根据学习获取的知识，解释：植物在生长过程中，为什么根总是表现为向地生长，茎表现为背地生长？教师点拨归纳，促进知识的深化和巩固。

4.2 联系实际，学以致用

教师引导学生联系生活，讨论生物学原理的应用。①森林木材的保持：应用顶端优势。②棉花、番茄、果树的多结果，行道树、绿篱的处理：去除顶端优势。③单子叶植物中去除双子叶植物的杂草：生长素类似物的最适浓度不同。④无子番茄的培育：生长素类似物促进子房发育成果实，且有最适浓度。⑤促进月季花、玫瑰的插条生根：解决插条不容易生根问题。⑥盆景造型的制作。

将高中生物实验与STEM教育融合，学生在掌握实验的科学方法、实验的操作技能的同时，将生物问题转化为数学问题，并将所学知识运用于生产生活实际中，充分体现对学生能力和素养的培养，有利于创新人才的发展。