基于STEM 理念的初中生物学实验设计——以苏科版“植物的蒸腾作用”为例

文｜杨 珍

苏科版八年级上册生物学中的“植物的蒸腾作用”实验，展示了实验在生物学教学中的价值和重要性。该实验涵盖在“生态系统的稳定”章节，通过具体实验操作，学生可以深入了解绿色植物在生物圈水循环中的角色，以及叶片结构和蒸腾作用之间的内在联系。本研究旨在探讨如何将STEM 理念融入“植物的蒸腾作用”的实验设计和实施中，以促进学生对生物学现象的深入理解和培养学生的探究能力。

一、“植物的蒸腾作用”的实验设计

1.实验目的

在“植物的蒸腾作用”中，学生通过观察和操作，能够深刻地理解蒸腾作用及其在生物圈水循环中的重要角色。通过对植物叶片的直接观察和蒸腾作用的测定，学生能够更清晰地了解到水分在植物体内的运动方式，以及其最终通过蒸腾作用返回到大气中的过程。这一过程不仅关系到植物的生长发育，更在生物圈的水循环中起到不可或缺的作用。

2.实验原理

实验原理是实验的核心，它指导整个实验的设计和实施。在“植物的蒸腾作用”实验中，理解叶片结构、气孔和蒸腾作用之间的关系至关重要，叶片是植物进行光合作用和蒸腾作用的主要场所。其中，气孔作为叶片的一个重要结构，直接参与了蒸腾作用，影响着水分的释放和气体的交换。气孔位于叶片的表皮细胞之间，是一个微小的开口结构。在这个实验中，学生将通过显微镜观察到气孔的具体形态和结构，理解其在蒸腾作用中的作用。气孔的开闭由其周围的两个保卫细胞控制，这影响着水气的释放量和速率。蒸腾作用是植物叶片通过气孔释放水蒸气到大气中的过程。这一过程受多种因素的影响，包括环境温度、湿度、光照强度等。在实验中，通过改变这些条件，学生可以观察到蒸腾作用的变化，从而深入了解其背后的生理机制和生态意义。在生物圈的水循环中，植物的蒸腾作用起到桥梁作用。它将地表和植物体内的水分转化为水蒸气，释放到大气中，参与云的形成和降水过程。这一过程不仅维持了生物圈内的水分平衡，还影响着全球的气候和生态系统。通过本实验，学生能够直观地了解到这一过程，领略生物学的奥秘和生态学的重要性。

二、“植物的蒸腾作用”的实验步骤与方法

1.准备材料

要确保“植物的蒸腾作用”实验的顺利进行，事先准备好所有必要的材料是关键。选择健康、生长旺盛的绿色植物作为实验对象，可以考虑选用具有较大、平滑叶片的植物，以便于后续的观察和分析。在植物选择方面，应注意植物种类的代表性，确保实验结果的普适性和可推广性。显微镜是本实验的重要工具，需要根据实验的具体要求，选择分辨率、放大倍数适当的显微镜。必要时，教师可以准备数字显微镜以便于图像的捕捉和分析。显微镜在使用前，要确保其清洁、校准，减少误差，保证观察的准确性。计量设备的选择与准备也不容忽视。为了准确测量植物蒸腾作用的相关参数，如水蒸气的释放量等，需要精确、可靠的计量设备。这包括但不限于计量罐、称重设备等。这些设备要在实验前进行校准和测试，确保数据的准确。此外，教师还需要准备其他辅助材料，如刻度容器、滤纸等，以及记录数据的笔记本和摄像设备。所有这些材料都应根据实验的具体需求和步骤事先准备妥当，确保实验过程的流畅和数据的准确。

2.操作步骤

本实验的操作步骤涵盖叶片采集、气孔观察、蒸腾作用的测定。首先是叶片采集，要选取健康、完整的叶片，避免选择受损或病变的叶片。使用剪刀沿着叶柄切取，然后放入透明塑料袋中保持新鲜；气孔观察需要利用之前准备好的显微镜。将采集到的叶片制作成临时装片固定在显微镜的载玻片上，通过显微镜观察气孔的分布、形状和大小，并用摄像设备记录下清晰的图像，以便后续的分析和讨论；蒸腾作用的测定需要用到刻度容器和称重设备。首先，在固定的时间间隔内，用刻度容器收集植物释放到大气中的水蒸气。其次，利用称重设备测量叶片在蒸腾作用过程中的质量变化。通过这些数据，我们可以计算出蒸腾作用的速率和效率。

3.数据记录

本实验的重点是对气孔数量和结构以及植物蒸腾作用的速率和效率进行准确测量和分析。在气孔观察阶段，通过高清显微镜和相机设备，记录清晰的气孔图像，并通过计数分析得出每平方毫米叶片面积上气孔的平均数量为50 个。同时，我们还需要对气孔的形状、大小以及分布等信息进行详细的记录和分类，以供后续的数据对比和分析。

蒸腾作用测定的数据更为丰富，采用精确计量设备，每隔30 分钟测量一次叶片质量和收集到的水蒸气量。首次测量，叶片质量为20.5 克，水蒸气量为0；经过30 分钟后，叶片质量减少到20.2 克，水蒸气量增加到0.3 毫升。继续测量，直至180 分钟，通过对比分析叶片质量和水蒸气量的变化趋势，发现两者之间存在明显的负相关关系，具体的测量数据如表1所示。

表1 蒸腾实验数据测定表

通过分析表1 的数据，根据叶片质量下降与水蒸气量增加之间的关系，可以初步判定植物蒸腾作用速率和效率与叶片气孔数量和结构关系密切。

三、STEM 理念在“植物的蒸腾作用”实验中的体现

1.科学

在“植物的蒸腾作用”实验中，学生被引导去观察叶片的气孔，一个微小却对植物生命至关重要的结构。学生学习如何使用显微镜，如何精确地记录气孔的数量和形态。这些步骤都深深植根于科学的方法——观察、记录、分析。在分析阶段，学生需要思考气孔数量和形态与蒸腾作用之间的联系，这里涉及生物学和生态学的知识。学生需要理解，是怎样的气孔结构促成高效的蒸腾，这背后又有怎样的生物学机制。每一个问题的回答，都需要学生运用已有的知识，同时鼓励他们去探索未知、去查询资料、去求证假设。这一切都是科学思维的体现。

2.技术

在本次实验中，技术的应用体现在多个方面，尤其是在实验操作和数据分析阶段。在实验操作中，学生使用先进的显微镜来观察植物叶片的气孔。这一技术工具不仅使微小的气孔清晰可见，还能通过数字成像技术捕获和存储图像数据，为后续的分析提供便利。技术的应用使学生能更深入、细致地探索气孔与蒸腾作用之间的关系，推动他们的科学探究进入更高层次。在数据分析阶段，技术同样发挥着重要的作用。通过专业的数据分析软件，学生能更准确和高效地处理实验数据，识别和分析蒸腾作用的模式和趋势。

3.工程

工程在这里并不只是一个具体操作或者技术应用，它更是一种对复杂系统和流程的理解和掌控。在实验的每个阶段，都需要工程的精确和严谨。比如，在准备材料时，工程思维要求我们不仅要准备所需的物品，还要考虑这些物品的性能、精度，以及它们之间的相互关系和影响。同样，在实验操作中，工程思维也起到了核心作用。它指导学生如何精确地采集叶片、如何有效地观察气孔、如何准确地测定蒸腾作用。每个操作都需要精确和严谨，这不仅是技术和技能的要求，更是对整个实验流程和结构的深刻理解。

4.数学

数学作为实验的基石，在“植物的蒸腾作用”实验中扮演着关键角色。在实验的数据记录和分析阶段，数学的作用尤为显著。学生通过数学工具，对实验数据进行统计和分析，这不仅增强了数据的可读性和可理解性，更使实验结果更为准确和可靠。如“植物的蒸腾作用”实验，数学帮助学生量化了蒸腾作用的速率和效率，使这一复杂的生物现象可以被量化和分析。通过数学模型和算法，学生可以更深入地探索蒸腾作用与气孔参数、环境条件之间的关系，揭示出这一生物现象背后的规律和原理。

四、“植物的蒸腾作用”实验的结果与讨论

1.展示实验结果

完成“植物的蒸腾作用”实验后，学生得到一系列翔实的数据和观察结果。实验数据如表2 所示，通过这些数据，可以更直观地理解蒸腾作用及其与各种环境因素的关系。一是叶片气孔的观察，学生利用显微镜，深入探索了气孔的结构和分布。每片叶子都呈现出一个微观的奇妙世界，气孔以其特有的形态和排列，揭示了生命的精妙构造。二是蒸腾作用的测定，实验数据显示，随着光照强度的增加，而湿度保持适中的条件下，蒸腾作用更为明显。学生通过精确的计量和记录，对不同条件下的蒸腾速率有了清晰的认识。

表2 植物蒸腾作用数据表

由表2 可以看出，随着光照强度的增加，植物的蒸腾作用也随之增强，这也验证了实验前的假设。实验结果不仅印证了蒸腾作用的基本原理，还揭示了其在不同环境条件下的动态变化特征。

为了对实验数据进行深入分析，采取了数据对比和图表展示的方法，明确了叶片蒸腾作用在不同条件下的变化特点，以此更好地适应外界环境的变化，这也揭示了生物与环境之间存在微妙而复杂的关系。

2.结果讨论

实验数据和观察结果带来了丰富的信息，引领学生深入探讨植物蒸腾作用与生物圈水循环的内在联系。气孔的结构和分布直接影响蒸腾作用的效率。通过对比分析，学生发现，在光照充足、温度适中的条件下，气孔更倾向于打开，促使水分蒸发，这一点从蒸腾速率的数据也得到了验证。学生进一步探讨了蒸腾作用对生物圈水循环的影响。实验数据显示，蒸腾作用是植物释放水分到大气中的主要途径。这一过程不仅帮助植物调节体温、输送营养，还对大气湿度、云的形成和降水量产生影响。学生认识到，蒸腾作用是生物圈水循环中不可或缺的一环，它连接着陆地生态系统与大气系统，维护着地球上的水分平衡。通过对实验结果的深入分析，学生不仅加深了对蒸腾作用的理解，还开始思考更广泛的生态和环境问题。这次实验让学生认识到，生物和环境是一个不可分割的整体，每一个生物过程都与环境息息相关，互相影响。这种认识将激发学生进一步探索生物与环境的关系，为生物学和生态学的学习奠定坚实的基础。

本次实验深入探讨了植物的蒸腾作用及其在生物圈水循环中的关键角色。学生亲手操作、观察和分析，不仅积累了实验技能，更在STEM 理念的指引下，拓宽了对生物学和生态学的认知。实验的每一步都是探索与发现的旅程，每一个数据都揭示了生物与环境的紧密联系。期望这次实验能够成为学生科学探索之旅的起点，引领他们走向更广阔的学术领域。