在研究“蘋(píng)果褐變”現(xiàn)象中體現(xiàn)科學(xué)探究與工程實(shí)踐的異同

張柳 劉曉晴

1 設(shè)計(jì)理念

工程學(xué)中創(chuàng)意、設(shè)計(jì)、實(shí)踐、產(chǎn)品等重要屬性和要素可以實(shí)現(xiàn)這樣的育人價(jià)值，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新、實(shí)踐和問(wèn)題解決能力。生物學(xué)教師可在生物課堂中加入工程設(shè)計(jì)元素。

任何科學(xué)教育如果只關(guān)注科學(xué)事實(shí)的，而不去理解這些科學(xué)事實(shí)是如何創(chuàng)立出來(lái)的，或者忽視了科學(xué)在人類社會(huì)里的重要應(yīng)用，都將會(huì)歪曲科學(xué)并將工程的重要性邊緣化。生物學(xué)教育的基本理念之一就是教學(xué)過(guò)程重實(shí)踐?？茖W(xué)實(shí)踐包括科學(xué)探究和工程實(shí)踐，“重實(shí)踐”環(huán)節(jié)中必然會(huì)涉及超越學(xué)科本身的知識(shí)和能力的要求，教師要適當(dāng)?shù)貙⒖鐚W(xué)科知識(shí)和技能融入實(shí)踐活動(dòng)，特別是將STEM教育（科學(xué)、技術(shù)、工程學(xué)和數(shù)學(xué)）整合到實(shí)踐活動(dòng)中。STEM教育中最核心的部分就是工程設(shè)計(jì)和實(shí)踐過(guò)程。在《普通高中生物學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版）》中，單獨(dú)將“生物技術(shù)與工程”設(shè)為選擇性必修模塊，本質(zhì)上就是體現(xiàn)對(duì)于STEM教育的重視。

2 科學(xué)探究視野下的課程設(shè)計(jì)

本研究通過(guò)一節(jié)有關(guān)“蘋(píng)果褐變”現(xiàn)象的課例，幫助學(xué)生了解酶的活性會(huì)受到環(huán)境因素的影響，同時(shí)教師在教學(xué)中體悟科學(xué)探究與工程實(shí)踐的區(qū)別。

蘋(píng)果褐變是指植物細(xì)胞中的多酚氧化酶存在于細(xì)胞質(zhì)中，底物酚類物質(zhì)則大多存在于細(xì)胞的液泡中。在細(xì)胞結(jié)構(gòu)完整的情況下，植物細(xì)胞在氧氣存在的情況下酚類物質(zhì)和多酚氧化酶也不會(huì)結(jié)合在一起發(fā)生酶促褐變。但當(dāng)果蔬被機(jī)械破壞后，細(xì)胞結(jié)構(gòu)受損使得液泡中的大量酚類物質(zhì)外溢從而造成了兩種物質(zhì)的酶促褐變反應(yīng)。

科學(xué)探究視野下的課程設(shè)計(jì)包括了提出問(wèn)題、設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)和分組進(jìn)行實(shí)驗(yàn)、交流與討論和總結(jié)階段。

提出問(wèn)題階段：學(xué)生通過(guò)觀察生活中蘋(píng)果褐變現(xiàn)象和查閱文獻(xiàn)，了解蘋(píng)果褐變的原因、多酚氧化酶和防止褐變的相關(guān)知識(shí)。學(xué)生推測(cè)影響蘋(píng)果的褐變程度的變量并提出假設(shè)。

設(shè)計(jì)和分組實(shí)驗(yàn)階段：學(xué)生分組通過(guò)觀察生活中的蘋(píng)果褐變現(xiàn)象、蘋(píng)果在不同保存方法下的褐變程度、探究影響酶活性的因素的實(shí)驗(yàn)以及定量比較不同水果在不同時(shí)間點(diǎn)的顏色變化等實(shí)驗(yàn)來(lái)檢驗(yàn)假設(shè)。

交流與討論階段：學(xué)生在討論實(shí)驗(yàn)的結(jié)果后，得出溫度、pFI、底物濃度、酶的濃度、抑制劑等均會(huì)影響酶活性的結(jié)論。

課程總結(jié)階段：總結(jié)防止食物發(fā)生褐變的方法。為學(xué)生介紹不會(huì)發(fā)生褐變的轉(zhuǎn)基因“北極蘋(píng)果”。同時(shí)從進(jìn)化的角度，讓學(xué)生了解水果中含有多酚氧化酶的意義。

3 工程實(shí)踐視野下的課程設(shè)計(jì)

蘋(píng)果汁在加工過(guò)程中易發(fā)生酶促褐變，導(dǎo)致色值下降、品質(zhì)劣變和營(yíng)養(yǎng)價(jià)值降低，從而降低了果汁的附加值，嚴(yán)重影響了產(chǎn)品的銷售。因此在工程實(shí)踐的視野下，學(xué)生可以通過(guò)研究蘋(píng)果汁酶促褐變的機(jī)理，尋求抑制酶促褐變的方法，提高蘋(píng)果汁的品質(zhì)。

定義問(wèn)題階段：首先學(xué)生觀察到剛剛榨完的蘋(píng)果汁迅速褐變，思考改變蘋(píng)果品相的方法。學(xué)生將這樣一個(gè)復(fù)雜的問(wèn)題拆分成可實(shí)施的小問(wèn)題，具體來(lái)講就是研究褐變的具體反應(yīng)、影響褐變的因素以及通過(guò)添加什么樣的成分減緩褐變的速度，定量和定性分析問(wèn)題所面對(duì)的標(biāo)準(zhǔn)和約束，這就是辨識(shí)需求或問(wèn)題的過(guò)程。

調(diào)查需求或問(wèn)題階段：學(xué)生通過(guò)調(diào)查超市和鮮榨果汁店的蘋(píng)果汁銷售情況以及參觀匯源果汁公司來(lái)了解蘋(píng)果汁生產(chǎn)相關(guān)的知識(shí)。通過(guò)查閱與蘋(píng)果汁生產(chǎn)相關(guān)的文獻(xiàn)，了解超聲波和維生素C等因素提高鮮榨蘋(píng)果汁的品質(zhì)。學(xué)生進(jìn)行影響多酚氧化酶的科學(xué)探究實(shí)驗(yàn)，了解到溫度、酸堿度等這些因素都會(huì)影響褐變的時(shí)間，所以自然想到可以通過(guò)加入維生素C、檸檬、鹽水、做成蘋(píng)果醋或者加入冰塊的方式來(lái)提高蘋(píng)果汁的品質(zhì)。

設(shè)計(jì)解決方案階段：學(xué)生分組討論解決方案，比如有一個(gè)小組選用市場(chǎng)購(gòu)買的新鮮蘋(píng)果為主要原料，加入蔗糖、檸檬酸、維生素C和果膠酶，輔以相應(yīng)的抗氧化劑和物理護(hù)色的手段進(jìn)行果汁制作。設(shè)置護(hù)色與未通過(guò)護(hù)色以及市場(chǎng)購(gòu)買所得蘋(píng)果汁樣品三個(gè)對(duì)照組，檢測(cè)其產(chǎn)品和半產(chǎn)品的糖度、酸度、pH等理化性質(zhì)和感官評(píng)價(jià)來(lái)進(jìn)行研究。這一個(gè)階段中，基于學(xué)生掌握的科學(xué)概念、所獲得的實(shí)證數(shù)據(jù)和評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)來(lái)權(quán)衡，通過(guò)迭代檢測(cè)，設(shè)計(jì)出新的問(wèn)題解決方案并進(jìn)行實(shí)施。

學(xué)生完成關(guān)于蘋(píng)果汁加工的原料要求、關(guān)鍵工藝原理、工藝要點(diǎn)與產(chǎn)品配方原則的簡(jiǎn)化報(bào)告書(shū)并在校內(nèi)進(jìn)行關(guān)于蘋(píng)果汁的市場(chǎng)調(diào)查，形成研究報(bào)告。最后，學(xué)生分組匯報(bào)各自的設(shè)計(jì)和產(chǎn)品。

事實(shí)上，在控制酶促褐變的生產(chǎn)中，除去酚類物質(zhì)可能性小，可行的方法就是從多酚氧化酶和氧氣入手解決問(wèn)題，如控制酶反應(yīng)的條件、隔絕氧氣、使用反應(yīng)抑制劑、降低酶活性等措施。

4 科學(xué)探究與工程實(shí)踐的異同

公民對(duì)科學(xué)和工程學(xué)的深入理解是理性決策的前提：在人類探索新知識(shí)、改造自然界和改變自身生活方式的過(guò)程中，科學(xué)和工程學(xué)是兩種最為有效的手段。在課堂實(shí)驗(yàn)中，學(xué)生無(wú)法單獨(dú)使用某一種模式。學(xué)生在研究如何改良蘋(píng)果汁品質(zhì)時(shí)，既要進(jìn)行科學(xué)探究，又要把項(xiàng)目的目標(biāo)理解成對(duì)預(yù)期結(jié)果的優(yōu)化——生產(chǎn)出品質(zhì)更好的蘋(píng)果汁。真正的科學(xué)家和工程師正在做研究時(shí)，常會(huì)同時(shí)運(yùn)用科學(xué)探究和工程實(shí)踐?？茖W(xué)強(qiáng)調(diào)知識(shí)概念的形成和發(fā)展，力圖更好地解釋世界;工程學(xué)關(guān)注活動(dòng)中的體驗(yàn)和結(jié)果的形成過(guò)程，更加側(cè)重改造世界?？茖W(xué)的認(rèn)知可在工程學(xué)情境中構(gòu)建，工程實(shí)踐也可以通過(guò)科學(xué)認(rèn)知過(guò)程獲得證據(jù)，兩者交融在一起。

但是，科學(xué)探究和工程實(shí)踐在以下方面存在差異。

①科學(xué)探究與工程實(shí)踐在目的和任務(wù)上不同：科學(xué)探究活動(dòng)是為了解釋關(guān)于某個(gè)現(xiàn)象的問(wèn)題，如“蘋(píng)果為什么會(huì)褐變呢”，學(xué)生的主要任務(wù)在于認(rèn)識(shí)和解釋科學(xué)概念。工程實(shí)踐則是解決一個(gè)由困難、需要或期望所引發(fā)的問(wèn)題。例如，“如何能讓蘋(píng)果不褐變呢”或“怎樣改良蘋(píng)果汁的品質(zhì)呢”，學(xué)生的任務(wù)是明確一個(gè)成功的方案應(yīng)當(dāng)達(dá)到的標(biāo)準(zhǔn)和面臨的限制，并在理解科學(xué)概念的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)對(duì)其的利用，解決遇到的問(wèn)題。

②科學(xué)探究和工程實(shí)踐的成果不同：科學(xué)探究活動(dòng)的成果主要是檢驗(yàn)現(xiàn)有的理論和解釋，或修正并發(fā)展新的理論和解釋;而工程實(shí)踐則是在多個(gè)研究方面之間尋求平衡，提出一系列解決方案，并有一個(gè)最優(yōu)之選。

③對(duì)學(xué)生的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)不同：科學(xué)探究活動(dòng)中，學(xué)生能夠通過(guò)自己已有的科學(xué)概念及實(shí)證研究對(duì)現(xiàn)象建構(gòu)邏輯上連貫的解釋，并向他人進(jìn)行展示;學(xué)生能夠參與討論，交流觀點(diǎn)和探究的結(jié)果。工程實(shí)踐活動(dòng)中，學(xué)生的解決方案還需要滿足很多其他方面的標(biāo)準(zhǔn)，諸如是否達(dá)到預(yù)期功能、技術(shù)的可行性、成本、安全性、美感以及對(duì)法律的遵守。

科學(xué)探究和工程實(shí)踐在很多方面都是有所重疊。計(jì)劃并開(kāi)展實(shí)踐是共同形式。研究方式都包括了模型、推理和辯論，都以實(shí)證為基礎(chǔ)：在科學(xué)中，使用模型使得超越可見(jiàn)范圍、想象一個(gè)尚未看到的世界成為可能，而推理和辯論是識(shí)別一系列推論的優(yōu)點(diǎn)與不足，以及找出自然現(xiàn)象的最佳解釋的基礎(chǔ);工程上使用模型來(lái)分析現(xiàn)有體系以尋找缺陷所在和解決方案，通過(guò)推理和辯論找到問(wèn)題的最佳解決方案。在工程與技術(shù)活動(dòng)中，數(shù)據(jù)能幫助學(xué)生確定哪種設(shè)計(jì)能最能解決問(wèn)題，以及能否在可接受的預(yù)算內(nèi)完成。數(shù)學(xué)或計(jì)算方法對(duì)已經(jīng)建立的關(guān)系和原理進(jìn)行表征是整個(gè)設(shè)計(jì)的一個(gè)組成部分。

科學(xué)探究和工程實(shí)踐同屬于科學(xué)實(shí)踐，兩者在教學(xué)中占據(jù)同等重要的地位。在進(jìn)行課程設(shè)計(jì)時(shí)，教師可以將科學(xué)探究的實(shí)驗(yàn)加入工程學(xué)思想轉(zhuǎn)化成STEM課程，首先找出中學(xué)階段生物學(xué)課程中的科學(xué)探究活動(dòng)、工程與技術(shù)活動(dòng)之間的交集，并分析現(xiàn)有的科學(xué)探究活動(dòng)缺乏工程與技術(shù)方面的哪些元素，從工程和技術(shù)的角度設(shè)計(jì)科學(xué)探究活動(dòng)。目前STEM課例眾多，但是課程在縱向上還缺乏系統(tǒng)性，可以構(gòu)建中學(xué)生物學(xué)科的STEM路徑圖，以此為基礎(chǔ)更好地開(kāi)發(fā)和設(shè)計(jì)STEM課程。

參考文獻(xiàn)：

[1]劉恩山.工程學(xué)在基礎(chǔ)教育中的作用[J]科普研究，2017，12（4）：5-10.

[2]

National Research Council.A Framework for K- 12 Scienceeducation： Practices， Crosscutting Concepts， and Core ldeas[Ml. Washington， D.C： The national Academies Press， 2012： 41-46.

[3]中華人民共和國(guó)教育部.普通高中生物學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版）[S].北京：人民教育出版社，2018.