STEM理念下的生物學(xué)課程案例設(shè)計(jì)

陳惠如

(廣東省深圳市光明區(qū)馬山頭學(xué)校 深圳 518106)

生物學(xué)STEM課程案例是由一系列跨學(xué)科的活動(dòng)組成[1]，筆者在教學(xué)實(shí)踐中對(duì)一些科學(xué)現(xiàn)象進(jìn)行了STEM課程案例設(shè)計(jì)，具體如下：

1 水果電池

自然界中存在著許多活的“發(fā)電機(jī)”，如電鰩、電鰻等。它們能夠產(chǎn)生天然的電流，用于防御天敵、捕獲獵物等，以更好地在自然界中生存。水果電池，就是用水果制作成的電池，但也不是任何一種水果都可以制作而成的，一定要是含有果酸的水果，如檸檬、酸橙、蘋果、梨和菠蘿等，這是由于水果中的果酸可作為電解質(zhì)來(lái)構(gòu)成導(dǎo)通回路。

原理： 水果中的酸性液體相當(dāng)于電解質(zhì)溶液，由于銅和鋅(鎂)的金屬活性不同，其中較活潑的金屬鋅(鎂)能置換出酸性液體中的氫離子——鋅，電極上的鋅單質(zhì)脫去電子形成鋅離子，進(jìn)入酸性液體中；脫去的電子通過(guò)導(dǎo)線流到銅電極，與酸性溶液中的氫離子結(jié)合，形成氫氣分子，導(dǎo)線中的電流驅(qū)動(dòng)數(shù)字時(shí)鐘或發(fā)光二極管工作。

材料用具： 橙子、西紅柿、蘋果等新鮮多汁的水果、1.5 V堿性干電池2節(jié)、1.5 V螺口小電珠、大頭針、銅片若干、鋅片若干、導(dǎo)線若干、水杯、鱷魚(yú)夾線、數(shù)字時(shí)鐘、發(fā)光二極管。

活動(dòng)步驟： ①將橙子等水果用手按壓使其松軟多汁；②把準(zhǔn)備好的銅片、鋅片裁剪成長(zhǎng)方形；③把銅片、鋅片與導(dǎo)線連接；④把銅片和鋅片成對(duì)插入橙子中并連接數(shù)字時(shí)鐘或發(fā)光二極管；⑤觀察數(shù)字時(shí)鐘是否接通或發(fā)光二極管是否發(fā)光(圖1)，若接通則說(shuō)明產(chǎn)生了電流。

圖1 橙子電池

思考與討論： ①為什么要將橙子等水果用手按壓？②水果中的水主要是自由水還是結(jié)合水？③如果想讓電池的電壓更大，可以怎樣連接？

2 體驗(yàn)虹吸式口器模型

虹吸式口器是鱗翅目成蟲(chóng)所特有的，包括蛾、蝶兩類昆蟲(chóng)。成蟲(chóng)多以花蜜等作為補(bǔ)充營(yíng)養(yǎng)，如桃小食心蟲(chóng)、蘋果小卷葉蛾、棉鈴蟲(chóng)、菜粉蝶和印度谷螟等。它們顯著的特點(diǎn)是具有一條能彎曲和伸展的喙(虹吸管)，適于吸食花粉管底部的花蜜。

圖2 公道杯

古代漢族飲酒器具——公道杯(圖2)，就是模仿昆蟲(chóng)的虹吸式口器制成的，是一件既有科學(xué)技術(shù)原理，也富含人生哲理的盛酒器具。杯中央立一龍頭，體內(nèi)有一空心瓷管(相當(dāng)于昆蟲(chóng)的虹吸管)，管下有一個(gè)通杯底的小孔，向杯內(nèi)注水時(shí)，若水位低于瓷管上口，水不會(huì)漏出；當(dāng)水位超過(guò)瓷管上口，水即通過(guò)杯底的漏水孔漏光。那如何模仿昆蟲(chóng)的虹吸式口器來(lái)仿制一個(gè)公道杯？

材料用具： 礦泉水瓶、可彎吸管、熱熔膠槍。

活動(dòng)步驟： ①取一礦泉水瓶，先把礦泉水瓶分成兩半；②在瓶蓋上打孔放入吸管；③用熱熔膠把吸管固定，封住縫隙；④往杯子里倒入水，水一旦倒?jié)M，就會(huì)從杯子里漏出去。

思考與討論： 以構(gòu)建虹吸式口器模型為依托，將“科學(xué)、技術(shù)、工程和數(shù)學(xué)”整合到教學(xué)活動(dòng)中，在動(dòng)手操作中探究得出虹吸式口器的特點(diǎn)，進(jìn)而理解“結(jié)構(gòu)和功能相適應(yīng)”的生命觀點(diǎn)。

3 “爬行高手”的秘密

壁虎可以說(shuō)是動(dòng)物界爬行能力最強(qiáng)的動(dòng)物，甚至可以在光滑的玻璃上爬行。為什么壁虎在天花板或光滑的玻璃上都能“健步如飛”呢？

原理： 壁虎能在光滑的玻璃上自由行走，主要是靠它前肢和后肢的指、趾。它們的前后肢每一個(gè)指、趾端都有一褶一褶的瓣，瓣與瓣間形成一條條溝稱之為吸盤。它們靠這些吸盤來(lái)增加指趾與玻璃面之間的摩擦。雖然，每個(gè)吸盤產(chǎn)生的力量微不足道，但累積起來(lái)就很可觀。因此，它能在天花板上或光滑的玻璃上行走而不會(huì)掉下來(lái)。

活動(dòng)步驟： ①把兩本書(shū)放到桌子上，把裝訂的一邊相對(duì)；②把書(shū)本的每一頁(yè)依次互相重疊；③直到所有的紙張都重疊在一起，此時(shí)輕輕壓合一下(排出空氣)；④雙手把書(shū)拿起來(lái)，就難以將它們分開(kāi)。

思考與討論： 本案例以生活中常見(jiàn)現(xiàn)象為出發(fā)點(diǎn)吸引學(xué)生的興趣，用紙張的重疊來(lái)模擬壁虎趾端的吸盤，該活動(dòng)操作簡(jiǎn)單，學(xué)生能深刻地體會(huì)到雖然每個(gè)“吸盤”產(chǎn)生的力量微不足道，但較多“吸盤”累積起來(lái)的力量，會(huì)產(chǎn)生意想不到的效果，可培養(yǎng)學(xué)生遷移思維能力。

4 體驗(yàn)視覺(jué)的錯(cuò)覺(jué)

視覺(jué)錯(cuò)覺(jué)對(duì)于大腦來(lái)說(shuō)是一種真實(shí)的感知覺(jué)，它反映的是人視網(wǎng)膜物理(光)輸入和大腦皮層視覺(jué)中樞感知之間的不一致，是人類大腦通過(guò)復(fù)雜的腦區(qū)之間的相互作用和海量神經(jīng)計(jì)算而產(chǎn)生的。人類在自然生活中，由于視覺(jué)刺激和場(chǎng)景的不同，再加上觀察者生理和心理上的差異，可以自覺(jué)和不自覺(jué)地感知到諸如大小、顏色、形狀和位置等視覺(jué)錯(cuò)覺(jué)。

活動(dòng)步驟： 展示圖3和圖4，其中圖3內(nèi)圓周圍分別圍繞的是更大的圓、更小的圓，學(xué)生會(huì)誤以為2個(gè)內(nèi)圓的大小不同；圖4是3個(gè)人身高的比較實(shí)驗(yàn)，由于他們所處的背景是一個(gè)逐漸收縮的視野，所以學(xué)生會(huì)根據(jù)經(jīng)驗(yàn)判斷遠(yuǎn)處的物體大于近處的物體。

圖3 比較兩個(gè)內(nèi)圓的大小

圖4 比較三個(gè)人身高

思考與討論： 對(duì)物體大小的感知，源于物體在視網(wǎng)膜上所形成的物像的大小。同一物體在視網(wǎng)膜上構(gòu)成物像的大小，常因所觀察物體距離遠(yuǎn)近而改變，距離愈遠(yuǎn)，物像愈小。如一輛汽車從遠(yuǎn)處向近處駛來(lái)時(shí)，投射到我們視網(wǎng)膜上的物像會(huì)產(chǎn)生一個(gè)由小到大的變化過(guò)程。但是對(duì)于不知實(shí)際尺寸的物體，并不能通過(guò)視網(wǎng)膜上的物像大小來(lái)判斷其真實(shí)的大小，所看到的物體大小錯(cuò)覺(jué)通常受到背景環(huán)境的影響。如圖4就是通過(guò)添加的一些輻射線條，會(huì)造成對(duì)視覺(jué)深度的錯(cuò)覺(jué)，進(jìn)而導(dǎo)致大腦對(duì)物體的大小產(chǎn)生了誤判。