“種群的數(shù)量變化”一節(jié)教學(xué)中學(xué)生STEM素養(yǎng)達(dá)成的實(shí)踐探索

許潤(rùn)青

摘要：以“種群的數(shù)量變化”為例，嘗試培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)、技術(shù)、工程和數(shù)學(xué)等STEM綜合素養(yǎng)。

關(guān)鍵詞：種群的數(shù)量變化STEM素養(yǎng) 生物學(xué)教學(xué)

中圖分類號(hào)：G633.91 文獻(xiàn)標(biāo)志碼B

STEM是科學(xué)（Science）、技術(shù)（Technology）、工程（Engineering）、數(shù)學(xué)（Mathematics）四個(gè)詞的縮寫。STEM素養(yǎng)的內(nèi)涵在于重視科學(xué)、技術(shù)、工程和數(shù)學(xué)整合，提高學(xué)生探究和解決實(shí)際問題的能力，是當(dāng)前國(guó)際上具有一定影響力的教育理念之一。我國(guó)新頒布的《普通高中生物學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版）》（以下簡(jiǎn)稱新課標(biāo)）也高度重視學(xué)科間的聯(lián)系，強(qiáng)調(diào)生物學(xué)和數(shù)學(xué)、技術(shù)、工程學(xué)、信息科學(xué)是相互滲透、共同發(fā)展的。新課標(biāo)學(xué)業(yè)質(zhì)量水平部分也強(qiáng)調(diào)學(xué)生能夠基于生命觀念，將STEM知識(shí)和能力運(yùn)用在實(shí)踐活動(dòng)中，解決生活中的實(shí)際問題。如何在高中生物學(xué)教學(xué)中培養(yǎng)學(xué)生的STEM素養(yǎng)，筆者以人教版必修三第四章第二節(jié)“種群數(shù)量的變化”為例，結(jié)合課堂教學(xué)活動(dòng)進(jìn)行了嘗試，收到了較好的教學(xué)效果。

1本節(jié)內(nèi)容涉及的STEM要素分析（表1）

2教學(xué)設(shè)計(jì)

2.1教材分析

“種群的數(shù)量變化”這節(jié)內(nèi)容涵蓋種群數(shù)量的變化情況，包括種群數(shù)量增長(zhǎng)的“J”型、“S”型、波動(dòng)和下降曲線以及“探究培養(yǎng)液中酵母菌種群數(shù)量的變化”實(shí)驗(yàn)等。本節(jié)內(nèi)容的學(xué)習(xí)可為后續(xù)學(xué)習(xí)群落結(jié)構(gòu)、生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、功能、穩(wěn)定性及生態(tài)環(huán)境保護(hù)等知識(shí)打下基礎(chǔ)。

2.2翻轉(zhuǎn)課堂，調(diào)整教材順序

課前，學(xué)生先進(jìn)行酵母菌培養(yǎng)和純化技術(shù)、血球計(jì)數(shù)板結(jié)構(gòu)和顯微計(jì)數(shù)技術(shù)的學(xué)習(xí)，然后，學(xué)生以小組合作的形式討論設(shè)計(jì)探究方案、實(shí)施實(shí)驗(yàn)、觀察、計(jì)數(shù)、統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)。課上進(jìn)行小組匯報(bào)，再學(xué)習(xí)種群數(shù)量變化的“J”型、“S”型、波動(dòng)和下降曲線。

2.3問題驅(qū)動(dòng)下學(xué)生探究性實(shí)驗(yàn)安排

“探究培養(yǎng)液中酵母菌種群數(shù)量的變化”是新課標(biāo)中唯一通過實(shí)驗(yàn)構(gòu)建數(shù)學(xué)模型的實(shí)驗(yàn)，非常重要。

根據(jù)學(xué)生討論和設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)方案，教師將全班學(xué)生分成5組，每組學(xué)生帶著要思考的問題，利用1周左右的時(shí)間在實(shí)驗(yàn)室各完成一項(xiàng)實(shí)驗(yàn)。

第1組探究“酵母菌種群數(shù)量隨時(shí)問的變化”（每天定時(shí)分瓶并添加新的培養(yǎng)液，共7d），思考：數(shù)學(xué)模型建構(gòu)的一般步驟是什么？

第2組探究“酵母菌種群數(shù)量隨時(shí)間的變化”（一定時(shí)間內(nèi)原瓶培養(yǎng)，共6d），思考：如何對(duì)模型進(jìn)行檢驗(yàn)或修正？

第3組探究“不同溫度條件下酵母菌種群數(shù)量隨時(shí)問的變化”（共5d），第4組探究“不同pH條件下酵母菌種群數(shù)量隨時(shí)間的變化”（共5d）。小組共同思考：保護(hù)大熊貓和滅鼠的根本措施是什么？

第5組探究“酵母菌種群數(shù)量隨時(shí)問的變化”（一定時(shí)間內(nèi)原瓶培養(yǎng)，共10d），思考：如何科學(xué)養(yǎng)魚、捕魚、售魚的工程學(xué)問題？

3基于發(fā)展STEM綜合素養(yǎng)的生物教學(xué)

3.1提高實(shí)驗(yàn)操作技能，發(fā)展學(xué)生STEM技術(shù)素養(yǎng)

技術(shù)是根據(jù)生產(chǎn)實(shí)踐或科學(xué)原理而發(fā)展成的各種工藝操作方法和技能，以及相應(yīng)的材料、設(shè)備、工藝流程等。

首先生物興趣小組派代表出示課前實(shí)驗(yàn)中的照片和視頻，介紹酵母菌培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)中涉及的滅菌技術(shù)、無菌操作技術(shù)、平板劃線和稀釋涂布平板法分離酵母菌技術(shù)，尤其是血球計(jì)數(shù)板顯微計(jì)數(shù)技術(shù)的具體操作方法和注意事項(xiàng)，讓其他學(xué)生在提高實(shí)驗(yàn)操作技能的同時(shí)，真切感受到技術(shù)在生物科學(xué)中的重要作用，發(fā)展學(xué)生的STEM技術(shù)素養(yǎng)。

3.2建構(gòu)數(shù)學(xué)模型，發(fā)展學(xué)生STEM數(shù)學(xué)素養(yǎng)

數(shù)學(xué)模型是用數(shù)學(xué)語言描述的一類模型，對(duì)研究對(duì)象的生命本質(zhì)和運(yùn)動(dòng)規(guī)律進(jìn)行具體的分析、綜合，用適當(dāng)?shù)臄?shù)學(xué)形式（如數(shù)學(xué)方程式、關(guān)系式、曲線圖和表格等）來表達(dá)，并能依據(jù)構(gòu)建的模型作出判斷和預(yù)測(cè)。

3.2.1基于探究實(shí)驗(yàn)1，構(gòu)建種群數(shù)量“J”型增長(zhǎng)的數(shù)學(xué)模型

第1組學(xué)生介紹本組實(shí)驗(yàn)操作步驟、播放實(shí)驗(yàn)過程片段視頻、照片，并提供每天定期取樣后所得實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)等，說明每次檢測(cè)后應(yīng)馬上分裝到更大的容器中，并添加新的培養(yǎng)液，共完成7d的實(shí)驗(yàn)。

教師指出：“在實(shí)驗(yàn)室設(shè)置的培養(yǎng)條件下酵母菌1.5h繁殖一代，即一個(gè)酵母菌從孕育出芽到芽體脫落成一個(gè)獨(dú)立的個(gè)體需要1.5h，1個(gè)酵母菌可以變成2個(gè)?！?/p>

學(xué)生列出的過程如下：

0h：（1;2°）;

1.5h：（2;2¹）;

3h：（4;2²）;

4.5h：（8;2³）;

6h：（16;2⁴）;

教師引導(dǎo)學(xué)生推導(dǎo)種群數(shù)量“J”型增長(zhǎng)計(jì)算公式，構(gòu)建數(shù)學(xué)公式模型：Nt=Noλ^t（No為該種群的起始數(shù)量，t為時(shí)間，N1表示t年后該種群的數(shù)量，入表示一定時(shí)間內(nèi)種群數(shù)量為初始數(shù)量的倍數(shù)）。接著，學(xué)生將第1組提供的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)用Excel轉(zhuǎn)化成曲線模型，比較兩種模型的優(yōu)缺點(diǎn)，思考酵母菌種群的增長(zhǎng)規(guī)律，以及種群符合“J”型增長(zhǎng)需要滿足的條件。學(xué)生總結(jié)回答課前思考題：數(shù)學(xué)模型建構(gòu)的一般步驟為“觀察研究對(duì)象，提出問題——提出合理的假設(shè)——根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，用適當(dāng)?shù)臄?shù)學(xué)形式對(duì)事物的性質(zhì)進(jìn)行表達(dá)——通過進(jìn)一步實(shí)驗(yàn)或觀察等，對(duì)模型進(jìn)行檢驗(yàn)或修正”。

3.2.2基于探究實(shí)驗(yàn)2，構(gòu)建種群數(shù)量“S”型增長(zhǎng)的數(shù)學(xué)模型

第2組的學(xué)生匯報(bào)“酵母菌種群數(shù)量隨時(shí)問的變化”研究成果，指出其操作要點(diǎn)與第1組基本相同，主要區(qū)別是不分裝也不添加新培養(yǎng)液，只在原瓶中培養(yǎng)，并用Excel把實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)繪制成坐標(biāo)曲線。學(xué)生通過分析，認(rèn)識(shí)到任何一個(gè)自然環(huán)境的資源和空間都是有限的，種群不可能一直呈“J”型增長(zhǎng)，進(jìn)而推導(dǎo)出種群的“S”型增長(zhǎng)曲線，即邏輯斯蒂曲線。接著，學(xué)生在同一坐標(biāo)中繪制同一種群的“J”型增長(zhǎng)曲線和“S”型增長(zhǎng)曲線，分析造成2條曲線差異的原因，引出對(duì)環(huán)境阻力及影響種群數(shù)量變化因素的分析，從而對(duì)前面構(gòu)建的種群數(shù)量“J”型增長(zhǎng)的數(shù)學(xué)模型進(jìn)行了檢驗(yàn)或修正。

3.2.3種群增長(zhǎng)率和增長(zhǎng)速率推導(dǎo)與比較

種群增長(zhǎng)率和種群增長(zhǎng)速率是描述種群增長(zhǎng)的兩個(gè)重要的量，學(xué)生很容易把這兩個(gè)概念混淆，這一點(diǎn)甚至是一線生物教師的爭(zhēng)議點(diǎn)。

以種群的“J”型增長(zhǎng)為例，根據(jù)種群數(shù)量“J”型增長(zhǎng)計(jì)算公式：Nt=Nobt，教師引導(dǎo)學(xué)生推算出種群增長(zhǎng)率和種群增長(zhǎng)速率。

種群增長(zhǎng)率=一定時(shí)間內(nèi)增長(zhǎng)的個(gè)體數(shù)量，初始個(gè)體數(shù)量=（這一次總數(shù)-上一次總數(shù)）/（上一次總數(shù)）×100%=（Noλ^t-Noλ^t-1）/Noλ^t-1x100%=λ-1，由于A是一個(gè)常數(shù)，所以種群增長(zhǎng)率是一個(gè)定值。

種群增長(zhǎng)速率=一定時(shí)間內(nèi)增長(zhǎng)的個(gè)體數(shù)量/時(shí)間=（現(xiàn)有個(gè)體數(shù)-原有個(gè)體數(shù)）/時(shí)間=（Noλ^t-Noλ^t-1）/1年=Noλ^t（λ-1）/年。此表達(dá)式清晰顯示，種群增長(zhǎng)速率也是一個(gè)指數(shù)函數(shù)，“J”型增長(zhǎng)的種群增長(zhǎng)速率同樣呈指數(shù)增長(zhǎng)的特征。

“S”型增長(zhǎng)的種群增長(zhǎng)率和種群增長(zhǎng)速率，在高中階段的學(xué)習(xí)中不適合采用公式推導(dǎo)的方法進(jìn)行定量分析，教師可以引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行定性分析得出曲線。

3.3深化科學(xué)探究活動(dòng)，發(fā)展STEM科學(xué)素養(yǎng)

科學(xué)知識(shí)、科學(xué)方法、科學(xué)探究、科學(xué)思維都屬于科學(xué)的范疇。本節(jié)內(nèi)容用到四種科學(xué)方法：微生物培養(yǎng)法、抽樣檢測(cè)法、顯微觀察法、數(shù)學(xué)模型法。本節(jié)內(nèi)容的主線則是“探究培養(yǎng)液中酵母菌種群數(shù)量變化”的系列探究實(shí)驗(yàn)的分析。在實(shí)驗(yàn)1和實(shí)驗(yàn)2建構(gòu)了種群增長(zhǎng)的“J”型和“S”型數(shù)學(xué)模型的基礎(chǔ)上，教師引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)一步深入探究，養(yǎng)成高階科學(xué)思維，發(fā)展STEM科學(xué)素養(yǎng)。

3.3.1基于探究實(shí)驗(yàn)3、實(shí)驗(yàn)4，明確K值的生物學(xué)含義

第3組和第4組學(xué)生匯報(bào)探究“不同溫度、pH條件下酵母菌種群數(shù)量隨時(shí)問變化”的實(shí)驗(yàn)過程、方法及依據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)繪制的坐標(biāo)圖。學(xué)生分析得出：K值會(huì)受環(huán)境因素影響，不是固定不變的，進(jìn)而明確K值（環(huán)境容納量）的生物學(xué)含義，以及K/2的意義和價(jià)值。接著，教師引導(dǎo)學(xué)生分析課前思考題：大熊貓棲息地遭到破壞后，由于食物的減少和活動(dòng)范圍的縮小，其K值就會(huì)變小，這是大熊貓種群數(shù)量銳減的重要原因。建立自然保護(hù)區(qū)，改善棲息環(huán)境，提高環(huán)境容納量，是保護(hù)大熊貓的根本措施。再結(jié)合“思考與討論”防治城市鼠害，進(jìn)行討論：滅鼠時(shí)如果只采取殺死老鼠這一辦法，效果往往不好。更有效的滅鼠辦法是既殺死老鼠，又清除垃圾，嚴(yán)密儲(chǔ)存食物，使K值降低，這就從根本上限制了老鼠的種群數(shù)量。

3.3.2基于探究實(shí)驗(yàn)5，總結(jié)種群數(shù)量變化的類型

第5組學(xué)生匯報(bào)探究“酵母菌種群數(shù)量隨時(shí)問的變化”的實(shí)驗(yàn)操作過程、方法及數(shù)據(jù)，并依據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)繪制成坐標(biāo)圖，得出種群數(shù)量的變化還有波動(dòng)和下降等其他類型，進(jìn)一步對(duì)種群增長(zhǎng)的“J”型和“S”型數(shù)學(xué)模型進(jìn)行了檢驗(yàn)或修正。

3.4項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)下的頭腦風(fēng)暴，發(fā)展學(xué)生STEM工程素養(yǎng)

在國(guó)際科學(xué)教育領(lǐng)域，促進(jìn)學(xué)科之間的融合與聯(lián)系，培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)技術(shù)素養(yǎng)，提高學(xué)生實(shí)踐能力已成為主流觀點(diǎn)。如何將生物科學(xué)與工程學(xué)進(jìn)行整合是在中學(xué)生物學(xué)教學(xué)中培養(yǎng)STEM素養(yǎng)的關(guān)鍵。

教師促進(jìn)學(xué)生開啟頭腦風(fēng)暴：當(dāng)前豬肉價(jià)格飛漲，許多家庭的膳食結(jié)構(gòu)改為少吃豬肉，多吃魚了。請(qǐng)你運(yùn)用本節(jié)課所建構(gòu)的數(shù)學(xué)模型思考如何科學(xué)養(yǎng)魚、捕魚、售魚的工程學(xué)問題。

學(xué)生通過課前查閱資料，課堂熱烈討論后回答：

養(yǎng)魚：應(yīng)該減少污染物排放，改善魚塘生態(tài)環(huán)境，提高所養(yǎng)魚種的K值;參考“四大家魚混合放養(yǎng)”模式，多種淡水魚類混合放養(yǎng)，提高各種魚的總產(chǎn)量;參考“?；~塘”模式進(jìn)行生態(tài)養(yǎng)魚，既能獲得理想的經(jīng)濟(jì)效益，又減少了環(huán)境污染。

捕魚：在數(shù)量方面當(dāng)種群數(shù)量超過K/2后開始捕魚，捕獲后達(dá)到K/2，可以獲得持續(xù)捕獲量;在質(zhì)量方面要考慮所捕魚的大小，要用超過一定大小網(wǎng)眼的漁網(wǎng)捕魚;針對(duì)不同時(shí)期的水域，制定相應(yīng)的禁漁期，避開魚產(chǎn)卵繁殖期，以保證魚類資源的可持續(xù)發(fā)展。

售魚：意識(shí)到品牌效應(yīng)的重要性，爭(zhēng)創(chuàng)知名品牌;針對(duì)人們對(duì)有機(jī)食品的喜愛，養(yǎng)有機(jī)魚，打有機(jī)牌;當(dāng)前是網(wǎng)絡(luò)時(shí)代，可以開網(wǎng)店、微店等，充分利用互聯(lián)網(wǎng)銷售;不僅賣新鮮魚，還可以把魚加工成多種產(chǎn)品，如腌制魚、魚干、魚膠、魚子醬等;發(fā)展旅游業(yè)，建造魚莊或農(nóng)家樂，游客既可以體驗(yàn)釣魚的樂趣，又可以吃自己親手釣的魚燒出的各種菜品，很有成就感。

學(xué)生通過頭腦風(fēng)暴，積極獻(xiàn)計(jì)獻(xiàn)策，運(yùn)用并拓展本節(jié)所學(xué)知識(shí)和方法，探討解決現(xiàn)實(shí)生活、生產(chǎn)中的問題，把生物科學(xué)和工程學(xué)有機(jī)結(jié)合起來，發(fā)展了STEM綜合素養(yǎng)。