STEM理念下的中學(xué)生科學(xué)探究實踐
——超聲與電解聯(lián)合工藝除藻效果的評價

章熙東 譚嘯 （南京外國語學(xué)校 江蘇南京 210008）

1 引言

STEM教育將科學(xué)（Science）、技術(shù)（Technology）、工程（Engineering）和數(shù)學(xué)（Mathematics）等整合在一起，強(qiáng)調(diào)對知識的應(yīng)用和對學(xué)科之間關(guān)系的關(guān)注。STEM教育源于美國，是為提高全球競爭力而推行的一種美式素質(zhì)教育，以“基于項目、跨學(xué)科、動手做”為主要特征。在學(xué)習(xí)過程中，學(xué)生可不斷評估自己的興趣和才能，進(jìn)行個性發(fā)展。STEM教育絕非學(xué)科之間的簡單加減，而是把各學(xué)科的知識綜合起來，在真實的問題情境中進(jìn)行運(yùn)用，注重培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力、合作能力以及解決問題的能力?！镀胀ǜ咧猩飳W(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版）》也指出，學(xué)科教學(xué)要高度關(guān)注學(xué)生學(xué)習(xí)過程的實踐經(jīng)歷，讓學(xué)生積極參與動手動腦活動，通過探究性學(xué)習(xí)活動或完成工程學(xué)任務(wù)，加深對學(xué)科概念的理解，提升應(yīng)用知識的能力，培養(yǎng)創(chuàng)新精神和真實情境下的問題解決能力。生物學(xué)教師可以積極思考教學(xué)中的拓展點，聯(lián)系學(xué)生的生活實際，鼓勵學(xué)生拓展思維進(jìn)行獨立思考，開展探究。

水是生命之源，但是水污染的問題越來越嚴(yán)重，受到了人們的重視。我校“關(guān)注水污染”的選修課為學(xué)生提供了科學(xué)探究的舞臺。藍(lán)藻作為一類原核生物，在高中生物教科書《必修1·分子與細(xì)胞》中被重點提及，藍(lán)藻水華等水污染現(xiàn)象在高中生物教科書《必修3·穩(wěn)態(tài)與環(huán)境》中也是重點，為本探究的開展提供了理論基礎(chǔ)。藍(lán)藻水華是多年來的水環(huán)境熱點問題，很多研究者探索安全高效的應(yīng)急處理措施。針對常見的水華優(yōu)勢種銅綠微囊藻，各種物理、化學(xué)、生物方法應(yīng)運(yùn)而生，大多處理技術(shù)都是以單一工藝為主，對聯(lián)合工藝關(guān)注較少。一方面，超聲技術(shù)是近年來一項較為成熟的除藻技術(shù)，已經(jīng)得到推廣應(yīng)用。另一方面，由于藻細(xì)胞對電流作用較為敏感，電解除藻技術(shù)近年來受到越來越多的關(guān)注。因此，學(xué)生在查閱資料后，提出設(shè)想：可以聯(lián)合電解與超聲技術(shù)，研究銅綠微囊藻的去除工藝，為為藻水分離站和污水處理廠的應(yīng)急除藻提供參考與借鑒。

2 材料與方法

2.1 藻種的選擇與培養(yǎng)

實驗所用的銅綠微囊藻藻種（Microcystis aeruginosa FACHB-469）購買自中國科學(xué)院水生生物研究所淡水藻種庫。實驗中采用BG-11培養(yǎng)基進(jìn)行接種培養(yǎng)。待接種完成，將藻液放置在光照培養(yǎng)箱中恒溫培養(yǎng)（25℃、光照2 000lx、光暗周期比12h∶12h），每日適當(dāng)搖勻，待銅綠微囊藻長至對數(shù)期進(jìn)行實驗。

2.2 實驗方法

本研究設(shè)置超聲、電解、超聲電解聯(lián)合處理3組實驗，對藻液取樣進(jìn)行流式細(xì)胞儀分析，實驗時間設(shè)為60 min，取樣間隔設(shè)為10 min，測量樣品中藻細(xì)胞濃度、藻藍(lán)素（APC）、葉綠素含量等數(shù)據(jù)。實驗過程中保證反應(yīng)體系的溫度不超過25℃（超過25℃要及時冷卻控溫），同時記錄每次到達(dá)溫度閾值所需要的時間，觀察處理前后藻液的顏色變化。

2.2.1 超聲組

實驗所用超聲波反應(yīng)器為醫(yī)用水浴式超聲波清洗儀。改變超聲功率強(qiáng)度時對銅綠微囊藻進(jìn)行以下實驗，具體操作步驟如下：

（1）取適量原始藻液，經(jīng)過離心機(jī)離心取底部藻細(xì)胞沉淀，加蒸餾水稀釋，用流式細(xì)胞儀測量新配藻液的藻細(xì)胞濃度。待藻細(xì)胞濃度為2×106個/mL時，即取藻液開始實驗。

（2）取3組240 mL的銅綠微囊藻液，加入10 mL的0.25 mol/L氯化鎂溶液，實驗時超聲頻率為35 kHz，功率強(qiáng)度分別為0.017 2、0.021 3和0.022 6 W/mL，后持續(xù)超聲60 min，每次取樣間隔為10 min，實驗結(jié)束時用流式細(xì)胞儀進(jìn)行分析。

2.2.2 電解組

實驗所用電解裝置電源為可調(diào)穩(wěn)壓電源，3種電流強(qiáng)度分別為：0.01、0.02和0.03 A，換算成單位體積電流密度為0.25、0.50和0.75 A/L。實驗中所用電極為鉑片電極（規(guī)格為10×10×0.1 mm3）。改變單位電流體積密度對銅綠微囊藻進(jìn)行下列實驗：

（1）與超聲組一樣，實驗開始保證電解組各組實驗藻液初始藻細(xì)胞濃度在2×106個/mL開始進(jìn)行實驗。

（2）同樣取3組240mL的銅綠微囊藻液，加入10mL的0.25 mol/L氯化鎂溶液作為電解質(zhì)增強(qiáng)導(dǎo)電能力，電解實驗體積電流密度分別為0.25、0.50和0.75 A/L，后持續(xù)電解60 min，每次取樣間隔為10 min，實驗結(jié)束時用流式細(xì)胞儀進(jìn)行樣品分析。

2.2.3 超聲電解聯(lián)合組

實驗裝置由超聲和電解裝置組裝而成，在對藻液進(jìn)行單一方法處理時，關(guān)閉另一裝置；在對藻液進(jìn)行聯(lián)合處理時，同時打開兩個裝置。將上述超聲強(qiáng)度和體積電流密度進(jìn)行兩兩組合，處理時間和取樣時間同上。實驗裝置示意圖如圖1所示。

圖1 實驗裝置

2.3 實驗除藻效果評價方法

采用葉綠素和藻藍(lán)素的破壞率來表示除藻效果。每次實驗前測量所用藻液的藻細(xì)胞濃度，盡量保證每組實驗開始的生物量相等以減少生物量對實驗結(jié)果帶來的影響。實驗時，將每個樣品中所有藻細(xì)胞的葉綠素和藻藍(lán)素值進(jìn)行相加，以此方便對各組實驗進(jìn)行量化比較。具體計算及比較方法如下：

葉綠素（藻藍(lán)素）剩余百分比為：Pt=，其中C為每組時間t時測定的剩余葉zt綠素（藻藍(lán)素）總量，Cz0為每組實驗前測定的初始葉綠素（藻藍(lán)素）總量。

3 實驗結(jié)果與分析

3.1 超聲組的除藻效果

3.1.1 葉綠素和藻藍(lán)素含量變化

圖2和圖3的實驗結(jié)果表明，在超聲時間0～40 min時，隨著超聲強(qiáng)度的增加，藻細(xì)胞的去除效果增加：0.0172W/mL＜0.0213W/mL＜0.0226W/mL。但在40min之后，0.0172 W/mL的藻藍(lán)素和葉綠素去除效果和去除效率相反上升，在三組中藻細(xì)胞色素出現(xiàn)大量破壞時（40 min），0.022 6 W/mL的超聲對色素的破壞效果最好。

圖2 超聲過程中藻藍(lán)素?zé)晒獾淖兓?/p>

圖3 超聲過程中葉綠素?zé)晒獾淖兓?/p>

3.1.2 前向角和側(cè)向角的變化

細(xì)胞的SSC（側(cè)向散射光）能反應(yīng)細(xì)胞內(nèi)部顆粒度和精細(xì)結(jié)構(gòu)的變化，而前向散射光FSC（前向散射光）能反應(yīng)被測細(xì)胞的體積大小。綜合二者變化情況及鏡檢情況來判斷藻細(xì)胞的外觀結(jié)構(gòu)變化。圖4為超聲組超聲過程中的FSC（實心）和SSC（空心）變化趨勢圖。

圖4 超聲過程中前向角（實心）和側(cè)向角（空心）的相對值變化

由上圖可以看出隨著超聲時間的延長，3組超聲強(qiáng)度下藻細(xì)胞的SSC呈現(xiàn)下降趨勢，且在10和40 min出現(xiàn)明顯變化。三組藻細(xì)胞的FSC有兩組（0.022 6 W/mL和0.017 2 W/mL）在10 min發(fā)生了明顯的變化，同時在40 min時出現(xiàn)明顯的下降，在40 min后無明顯變化，超聲60 min后的藻細(xì)胞鏡檢顯示大量藻細(xì)胞已經(jīng)裂解。

3.2 電解組的除藻效果

3種體積電流密度下電解組中樣品中的藻細(xì)胞藻藍(lán)素（APC）和葉綠素（Percp）總量隨時間變化情況如圖5所示。

圖5 電解過程中葉綠素和藻藍(lán)素?zé)晒獾淖兓?/p>

由上圖得知，藻液在電解處理下藻藍(lán)素和葉綠素在10 min左右就發(fā)生了劇烈變化，表示10 min左右藻細(xì)胞內(nèi)部的色素就已經(jīng)遭到了劇烈的破壞，而實驗過程中藻液的顏色變化也可以證明藻細(xì)胞的生理活性遭到了嚴(yán)重的損傷。

3.3 超聲電解聯(lián)合組的除藻效果

實驗證明大部分經(jīng)過聯(lián)合處理的藻細(xì)胞葉綠素和藻藍(lán)素去除率均比均比單一方法處理的高，圖7為三組的葉綠素（Percp）和藻藍(lán)素（APC）的去除情況對比。下面通過保證超聲強(qiáng)度相同，觀察聯(lián)合組中各小組的葉綠素（Percp）和藻藍(lán)素（APC）去除率來對藻類的去除效果進(jìn)行比較。

同一超聲強(qiáng)度時變化體積電流密度時聯(lián)合組內(nèi)藻細(xì)胞內(nèi)的葉綠素（Percp）和藻藍(lán)素（APC）去除率變化情況。葉綠素（Percp）和藻藍(lán)素（APC）的變化情況如圖7所示。

綜合藻藍(lán)素和葉綠素的剩余百分比來說，聯(lián)合組中，二者在20 min時9組的剩余比基本到達(dá)最低點，但當(dāng)超聲強(qiáng)度為0.021 3 W/mL時，藻藍(lán)素的下降速率最快，在10 min左右便下降到8%左右，且隨電流密度增大去除效果增加。而葉綠素的在超聲強(qiáng)度為0.021 3 W/mL體積電流密度為0.50 A/L時達(dá)到最佳效果。綜合上述結(jié)果，采用聯(lián)合工藝處理銅綠微囊藻時，保證超聲強(qiáng)度和體積電流密度分別為0.021 3 W/mL和0.5 A/L，處理時間為10 min，對銅綠微囊藻去除效果最為明顯且處理效率最高。

4 實驗結(jié)論

本探究主要研究了不同工藝處理下銅綠微囊藻的生理變化情況，同時對比了單一、聯(lián)合工藝處之間的除藻效果。學(xué)生討論后，得出以下主要結(jié)論：

（1）單一的超聲處理對能對藻細(xì)胞內(nèi)的色素產(chǎn)生一定的破壞效果，且隨著超聲強(qiáng)度的增強(qiáng)及超聲時間的延長破壞效果增加。

（2）超聲對細(xì)胞的大小及內(nèi)含物影響較大，超聲60 min后的藻細(xì)胞鏡檢圖顯示，細(xì)胞已基本裂解。

（3）單一的電解處理對藻細(xì)胞對藻內(nèi)的色素破壞效果極為明顯，10 min左右破壞率達(dá)到最高，且隨體積電流密度和處理時間而增加。

（4）電解對細(xì)胞大小及內(nèi)含物的影響沒超聲處理的影響明顯。

（5）實驗中發(fā)現(xiàn)聯(lián)合處理的效果大多優(yōu)于單一的工藝處理，綜合處理效率及能耗等方面的考慮，超聲強(qiáng)度0.021 3 W/mL、電流密度0.5 A/L，處理時間10 min為最佳處理參數(shù)。

5 實驗反思

本課題源于學(xué)生在對南京市玄武湖進(jìn)行一次“體檢”后，針對“有污染該如何治理”的問題，查閱資料，提出了自己的設(shè)想。在教師的指導(dǎo)下，學(xué)生通過主動探究來驗證自己的設(shè)想。學(xué)生從單一方法處理銅綠微囊藻聯(lián)想到聯(lián)合方法處理是否更有效，然后通過確定研究項目、實驗設(shè)計、分工協(xié)作、開展實驗、問題解決、產(chǎn)生新問題等環(huán)節(jié)進(jìn)行了一次項目式學(xué)習(xí)。在學(xué)習(xí)的過程中，學(xué)生應(yīng)用跨學(xué)科知識解決實際問題，進(jìn)行團(tuán)隊合作，培養(yǎng)興趣，鍛煉能力。這樣在解決項目的過程中，學(xué)生充分表達(dá)的是素養(yǎng)，而不是孤立的知識與技能。

與高中生物必修教材實驗不同的是，STEM教學(xué)是基于現(xiàn)實生活中的問題情景，探索未知問題，比教材中的實驗（驗證實驗，探究已知問題的實驗）更有利于培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新精神和創(chuàng)造力，因而是教材實驗的很好補(bǔ)充，利于培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)探究和社會責(zé)任等生物學(xué)科核心素養(yǎng)。生物學(xué)教師要注意將知識的學(xué)習(xí)與學(xué)生生活實踐結(jié)合起來，使學(xué)生通過科學(xué)探究的實踐解決現(xiàn)實生活的實際問題，提升學(xué)生的實驗設(shè)計、實驗操作、數(shù)據(jù)收集和分析等科學(xué)探究能力，幫助學(xué)生形成生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)等重要概念，引導(dǎo)學(xué)生關(guān)注人類所生存的環(huán)境現(xiàn)狀及應(yīng)采取的措施。