基于STEM理念下的实验教学实践

尚俊 叶克姣

1. 活动目的

STEM是一个整合学科的概念，其中涉及科学、科技、工程、数学。不少国家多年前也大力推广STEM教学的成效及意义。而有效落实及推广完善STEM教学活动设计显得尤为重要，本文通过影响酶活性的因素探究实验教学，设计STEM教学设计，为其他相关教育教学设计活动提供参考，推动STEM教育的宗旨和目标。强化科学科技、数学教育，为学校教育教学积累更多的实践经验。

2. STEM是什么

STEM教育的主要目的不是将学生装备成科学家、技术员工程师及数学家，而是为了使所有学生都能够在这瞬息万变的世界，有效发展及發挥作用，培养及提升STEM素养。STEM素养整合了科学素养、科技素养、工程素养、数学素养这四个相互关联的内容，但STEM素养没有设定的阈值，即是说其素养可以按照个人的生活一生持续发展。提高自己的能力和技能，不断改善自己STEM领域的知识。STEM不是四个独立的功能，而是强调更好地了解科学、科技、工程、数学的相互联系和重叠的能力，并学会运用这些知识来回答问题和解决问题，因此作为教师需要不断提升STEM教育知识水平。

3. 活动内容及过程

3.1 活动过程设计理念

生命活动离不开酶，人教版高中生物必修一第五章第一节介绍了酶。作为生命的催化剂，酶活性的高低影响着我们体内的每一个生化反应。因此教材83页发起活动探究影响酶活性的条件，但是没有给出具体的装置和步骤，对学生的设计能力提出了新的挑战。面对这一难题学生将怎样应战呢？调查发现这届学生均为零零后，作为信息时代的学生，获取知识的方法多、途径广，学生学习能力强，且我校为省级一类示范高中，学生学习能力强且具备一定的科研能力。基于以上教材和学情的特点，我确定了STEM教学模式，将科学、技术、工程、数学的知识，通过综合的课程结合起来，创造性地开发了四种检测酶活性的方法。让学生从学科学变为玩科学，真正提升生命科学核心素养。根据以上理念，我确定了以下教学环节，通过教学环节中提供的四种方案来实现STEM教学模式的开发，以此来提高学生核心素养。

3.2 活动环节

3.2.1 创设情景

创设情景让学生在具体的问题环境中激发探究的内在动力，这里笔者以童话故事国王的种子引入话题。提出问题：为什么煮过的种子不会发芽呢？学生想到原因之一可能是温度影响了酶活性，提出课题探究温度对a-淀粉酶活性的影响。

3.2.2活动过程

方案一：变色法定性观察酶活性（实现科学、技术的融合）

确定课题后学生很快设计出了方案一，开发出了第一种酶活性检测方法变色法定性观察酶活性。让淀粉和淀粉酶溶液在不同的温度条件下反应，再加入碘液定性比较酶活性的高低，具体步骤为：将等量的淀粉和淀粉酶设置温度（0℃，60℃，100℃），温度设置相同后混合均匀，再继续保温相同的时间，待淀粉充分分解后加入等量的碘液，加入碘液后观察溶液颜色变化;实验结果为：0℃和100℃温度下出现了蓝色，说明淀粉在该温度下被分解得很少甚至没被分解，而60℃下没有蓝色出现，说明淀粉被分解。得出结论：温度不同酶活性不同。但是有学生提出问题，不同的同学对颜色的描述不一致，导致实验结果无法统一。那么能否对颜色划定统一的标准定量检测酶活性呢，学生查阅资料设计方案二。

方案二：传感器法检测酶活性（实现科学、技术、数学的融合）

学生利用色度传感器开发了第二种检测方法传感器法定量检测酶活性。首先连接安装朗威数字化色度传感器，将待测样液装入传感器中，打开朗威通用软件，检测样液的数据会显示在电脑数据终端最后进行记录。

该方法利用现代技术色度传感器将颜色变化转变为了具体的色度读数，实验结果数字化，使定性检测转向了定量检测，使我们本次探究向前迈进了一大步。然而美中不足的是，有同学提出他们的结果不够直观，那么有没有更加具象的检测方法呢？学生查阅资料设计第三种方案。

方案三：分解圈法定量检测酶活性（实现科学、技术、艺术的融合）

学生想到了遵义鸭溪的凉粉。我们吃凉粉的过程，不就是口腔中的唾液淀粉酶水解凉粉中淀粉的过程吗？从而提出了一个新的视角，我们可否模拟消化凉粉的过程，让酶促反应在固体环境中进行呢？从液相到固相开发了第三种检测方法分解圈法定量检测酶活性。

选用市面上卖的白色凉粉，装入培养皿中，并在其中加入适量的碘液使凉粉变蓝，然后在其中放入大小相等的含酶滤纸片，纸片周围的淀粉被酶分解后蓝色褪去而出现透明圈，可用直尺测量透明圈的大小定量检测酶活性。具体步骤：首先将切好的凉粉装入培养皿中，向培养皿中加入等量的碘液，向培养皿中加入含酶滤纸片，不同的培养皿分别放入0℃、室温、60℃、100℃温度下培养保温相同的时间。实验结果如图1、图2：

图1 实验结果             图2  60℃条件下分解圈最大

为了实现STEM向STEAM转化，引导学生继续探究。

从图片中可以看到此方法安全简单、效果明显，且易于推广，学生可在实验室进行实验，也可回到家中用凉粉和冰箱自主探究。并且还可以用于探究PH和酶抑制剂对酶活性的影响，正因为如此，该方法一经提出便得到了同学们的认可，并试着将该方法加以推广制作出一款可以检测酶活性的产品，学生从PH试纸中找到灵感开发了第四种检测方法。

方案四：试纸法简化测量酶活性（实现科学、技术、工程的融合）

学生从PH试纸利用比色法确定酸碱度中找到灵感开发出试纸法简化测量酶活性，制作流程如下：先将滤纸剪成条状，将其侵泡在淀粉溶液中一晚上，取出并晾干，再在滤纸条上加入碘液变成蓝色，最后在不同温度下处理后检测淀粉酶的活性。剪、泡、染、看四个步骤。

4. 活动小结

通过四种检测方法，我们得到了四种结果，可以看到本次实验选用的温度大概在六十摄氏度左右为最适温度，回答了课堂开始提出的问题，高温条件下淀粉酶失活无法促进种子萌发。同时学生亲历了科学探究的一般流程，了解了温度对酶活性的影响，突破了本堂课的重难点，同时实现了科学技术数学工程艺术的有机融合。由于时间关系，以上只展示了部分学生的参与过程，班上还有很多同学提出了很多问题，通过本次STEM教学学生对生物学科产生了浓厚的兴趣，并启发了学生学习自然科学的一般方法与思路，STEM教学模式的设计与开发我们一直在路上。

5. 活动亮点

5.1该活动有相关的STEM科学理论，有学生动手实验及制作，科学性高。

5.2 贴近世界科学教育的趋势，延展教材内容，培养学生自由制作出产品，创新性高。

5.3 该活动以学生兴趣出发，重在引导学生设计实验并亲自操作实验，有效提高核心素养综合素质。

5.4 本设计能全面培养和发展学生的STEM素养，完整性高。

6. 总结

STEM或STEAM教育对于不同能力的学生发展非常重要，只要教师及学生们分别在教授及学习时综合运用，培养其系统，最后必能慢慢掌握，同时推动STEM教育的宗旨和目标，强化科学、科技、数学及工程教育，最终与世界连接，增强学生在社会上的竞争力。