基于6E學(xué)習(xí)模式的“探究酵母菌細(xì)胞呼吸方式”STEM課程設(shè)計(jì)初探

摘?要：文章結(jié)合高中生物課程中的核心概念“細(xì)胞呼吸”，創(chuàng)設(shè)探究“酵母菌細(xì)胞呼吸方式”的科學(xué)實(shí)驗(yàn)情境，結(jié)合參與、探索、解釋、工程、深化和評(píng)價(jià)六環(huán)節(jié)進(jìn)行具體的教學(xué)設(shè)計(jì)和研究。研究發(fā)現(xiàn)，6E學(xué)習(xí)模式有助于學(xué)生提升分析問題、解決問題的能力，養(yǎng)成科學(xué)思維的習(xí)慣，形成積極的科學(xué)態(tài)度，發(fā)展核心素養(yǎng)，為培育具創(chuàng)新素養(yǎng)和高新技能的復(fù)合型人才奠定基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：STEM課程;6E學(xué)習(xí)模式;核心素養(yǎng);課例研究

一、?引言

教育部印發(fā)的《普通高中生物學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版）》（以下簡稱“新課標(biāo)”）中明確指出，要加強(qiáng)提升和培養(yǎng)學(xué)生的生物學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)，更加注重提高學(xué)生綜合運(yùn)用知識(shí)解決實(shí)際問題的能力。新課標(biāo)的目標(biāo)和要求與STEM教育理念不謀而合，STEM教學(xué)是科學(xué)（Science）、技術(shù)（Technology）、工程（Engineering）和數(shù)學(xué)（Mathematics）的簡稱，首發(fā)于美國，其核心理念是引導(dǎo)學(xué)生整合多學(xué)科知識(shí)與技能解決真實(shí)情境中的問題。在高中生物課堂教學(xué)中，深入結(jié)合各學(xué)科基礎(chǔ)知識(shí)，充分挖掘?qū)W生解決問題的能力，設(shè)計(jì)并開展STEM教學(xué)案例實(shí)踐，讓學(xué)生在親自獲取有效信息、尋找證據(jù)、假設(shè)演繹、發(fā)現(xiàn)規(guī)律的過程中塑造正確的生命觀念、積極的科學(xué)態(tài)度、良好的科學(xué)思維習(xí)慣以及終身學(xué)習(xí)探究的創(chuàng)新實(shí)踐能力，最終培養(yǎng)兼具學(xué)問與社會(huì)責(zé)任的知識(shí)型、創(chuàng)新型、應(yīng)用型人才。

二、?STEM教學(xué)

STEM教學(xué)由來已久，旨在通過運(yùn)用多學(xué)科中多元的知識(shí)與技能解決真實(shí)情境中的問題，培養(yǎng)和鍛煉學(xué)生的科技理工素養(yǎng)和創(chuàng)新精神。各種STEM教學(xué)模式不僅促進(jìn)了知識(shí)的交疊與融合，而且誘發(fā)了知識(shí)的擴(kuò)展和創(chuàng)新，越來越多的國家意識(shí)到在基礎(chǔ)教育階段滲透STEM教育的重要性。

三、?6E學(xué)習(xí)模式

為落實(shí)STEM教學(xué)模式，2014年美國國際技術(shù)和工程教育學(xué)會(huì)提出了“6E學(xué)習(xí)模式”，學(xué)生通過親歷“參與、探索、解釋、工程、深化和評(píng)價(jià)”六個(gè)環(huán)節(jié)，在問題意識(shí)導(dǎo)向的“科學(xué)探究”中培養(yǎng)科學(xué)思維能力，在實(shí)踐活動(dòng)導(dǎo)引的“工程設(shè)計(jì)”中提升問題解決能力。作為實(shí)踐模式的“6E學(xué)習(xí)模式”進(jìn)一步明確和細(xì)化了知識(shí)吸收與內(nèi)化的基本環(huán)節(jié)，運(yùn)用多學(xué)科交疊與跨學(xué)科融合的方法進(jìn)行綜合性的知識(shí)學(xué)習(xí)和整合性的知識(shí)遞送。

四、?基于6E學(xué)習(xí)模式的“探究酵母菌細(xì)胞呼吸的方式”STEM課程設(shè)計(jì)

“探究酵母菌細(xì)胞呼吸的方式”是人教版高中生物必修一“細(xì)胞呼吸”中的重要實(shí)驗(yàn)之一。在學(xué)習(xí)過程中，學(xué)生對(duì)酵母菌的細(xì)胞呼吸方式產(chǎn)生極大的興趣，希望做更深入的探究，為此通過STEM課程的6E學(xué)習(xí)模式引導(dǎo)學(xué)生開展課題研究。

（一）STEM課程的活動(dòng)目標(biāo)

STEM課程中目標(biāo)的預(yù)設(shè)可結(jié)合新課標(biāo)中對(duì)生物學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)的要求從科學(xué)、技術(shù)、工程和數(shù)學(xué)四個(gè)角度來闡述，在本課例中對(duì)活動(dòng)目標(biāo)的分解見表1。

（二）STEM課程的活動(dòng)過程

1.?參與（Engage）

創(chuàng)設(shè)情境，確定STEM學(xué)習(xí)項(xiàng)目。在參與階段教師需結(jié)合教學(xué)內(nèi)容導(dǎo)入課題，創(chuàng)設(shè)真實(shí)的問題情境激發(fā)學(xué)生的興趣。依據(jù)學(xué)生的學(xué)情提出學(xué)習(xí)任務(wù)，確定學(xué)習(xí)目標(biāo)，初步了解學(xué)習(xí)項(xiàng)目。

教師將事先準(zhǔn)備的已發(fā)好的面團(tuán)、面包、釀制的葡萄酒等展示，并對(duì)此提問面團(tuán)發(fā)酵、面包松軟的原因是什么？與哪種微生物有關(guān)？葡萄酒為何如此醇香？如何釀制葡萄酒？學(xué)生回答與酵母菌的呼吸作用有關(guān)。教師遞進(jìn)式提問酵母菌的呼吸作用如何進(jìn)行的？需要提供怎樣的條件？產(chǎn)物有哪些？怎樣鑒定產(chǎn)物？以問題串的形式設(shè)疑，鞏固之前講授的核心概念，同時(shí)極大激發(fā)學(xué)生的探究欲。教師進(jìn)一步展示關(guān)于酵母菌簡介的小視頻，小組成員了解酵母菌的生活習(xí)性并記錄。高二學(xué)生已具備基本實(shí)驗(yàn)素養(yǎng)和科學(xué)探究能力，在小組再次商討后明確學(xué)習(xí)目標(biāo)：設(shè)置適合酵母菌呼吸作用的裝置，探究酵母菌在不同條件下的呼吸方式。

2.?探索（Explore）

多維支持，設(shè)計(jì)初步項(xiàng)目方案。探索階段的目的是為了引導(dǎo)學(xué)生積極思考，做出必要的假設(shè)并發(fā)散思維預(yù)期結(jié)果。在探索階段教師可提供必要的學(xué)習(xí)支架和指導(dǎo)，以學(xué)生為主體組織知識(shí)構(gòu)建，設(shè)計(jì)方案并建模。

教師組織學(xué)生根據(jù)STEM項(xiàng)目分析和討論探究的目的、步驟和方案，明確學(xué)習(xí)的任務(wù)、活動(dòng)和過程。熟悉實(shí)驗(yàn)室已有的設(shè)備、材料和儀器，分析和探討可利用的資源。學(xué)生在參考課本、網(wǎng)絡(luò)資源和實(shí)驗(yàn)室條件后設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案，畫出裝置草圖，書寫實(shí)施實(shí)驗(yàn)的一般流程。各小組成員充分交流和探討，改進(jìn)實(shí)驗(yàn)方案，使實(shí)驗(yàn)操作更便捷更高效。教師巡視記錄各組典型的解決方案，如學(xué)生在對(duì)比課本方案后提出課本中發(fā)酵8～10h時(shí)間過長，討論后改用酵母粉代替食用酵母菌。

3.?解釋（Explain）

知識(shí)構(gòu)建，改進(jìn)設(shè)計(jì)方案。在解釋階段學(xué)生分組解釋探索的過程和結(jié)果，分析可行性和可實(shí)施性。各組成員詢問、質(zhì)疑、評(píng)價(jià)、完善方案并改進(jìn)。

組織各組學(xué)生根據(jù)“科學(xué)探究”一般步驟詳述實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方案、實(shí)驗(yàn)步驟和可達(dá)成的目的，其他組成員認(rèn)真聆聽后提問、交流和反饋，整合設(shè)計(jì)方案后改進(jìn)實(shí)驗(yàn)裝置，如可用多種方案制備氧氣以此避免泵入空氣時(shí)除雜的煩瑣步驟?？刹捎弥参镉兔芊夥▌?chuàng)造無氧環(huán)境。發(fā)酵溫度采用溫度傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)測?？捎镁凭珎鞲衅鞑杉凭珨?shù)據(jù)的相對(duì)值。

4.?工程（Engineer）

制作工程，實(shí)施STEM方案。在工程階段各組成員需利用實(shí)驗(yàn)器材完成實(shí)驗(yàn)裝置，并通過測試初步體驗(yàn)工程的效果，分享和交流經(jīng)驗(yàn)，再次完善設(shè)計(jì)方案。

在組裝過程中，各小組同學(xué)再次熟悉設(shè)計(jì)方案，梳理實(shí)驗(yàn)流程，搭建實(shí)驗(yàn)裝置，可結(jié)合實(shí)驗(yàn)室已有器材自行調(diào)整優(yōu)化實(shí)驗(yàn)裝置，教師巡視后可對(duì)存在困難的小組提供思路以推進(jìn)實(shí)驗(yàn)裝置的組裝。在實(shí)踐過程中，學(xué)生分別在有氧和無氧條件的發(fā)酵瓶中加入

0.2g酵母粉，溶解于10mL?5%的葡萄糖溶液，打開有氧呼吸管的閥門，觀察兩組發(fā)酵瓶中的呼吸情況，并對(duì)產(chǎn)物進(jìn)行鑒定。各小組對(duì)結(jié)果進(jìn)行闡述，整理和歸納得出的結(jié)果和結(jié)論，對(duì)未得到預(yù)期結(jié)果的現(xiàn)象質(zhì)疑原因，補(bǔ)充和完善，在交流互動(dòng)中提升學(xué)習(xí)效率。

5.?深化（Enrich）

技術(shù)比較，優(yōu)化STEM方案。深化階段的目的是在探索中生成新問題，根據(jù)新要求提出新方案并開展探究討論。通過對(duì)原項(xiàng)目的拓展和深化，對(duì)實(shí)驗(yàn)再深入研究深化理解。

教師在巡視過程中發(fā)現(xiàn)，很多成員對(duì)有氧呼吸和無氧呼吸時(shí)二氧化碳的釋放量感興趣，因此教師引導(dǎo)學(xué)生利用數(shù)學(xué)化實(shí)驗(yàn)室的設(shè)備再調(diào)整方案進(jìn)行探究。通過學(xué)生展開熱烈的頭腦風(fēng)暴，提出改進(jìn)方案：稱取酵母粉溶于5%葡萄糖混合均勻后由注射器注入發(fā)酵裝置中，將其置于適宜溫度下（由溫度傳感器監(jiān)測環(huán)境溫度），通過二通管連接朗威二氧化碳傳感器，打開電腦顯示器選擇通用軟件，添加“二氧化碳—時(shí)間”圖線后可讀取酵母菌呼吸產(chǎn)生二氧化碳含量的變化曲線。較為理想的兩種實(shí)驗(yàn)裝置如圖1所示。通過對(duì)軟件采集到的數(shù)據(jù)通過數(shù)學(xué)方法表征，觀察二氧化碳的動(dòng)態(tài)變化，并對(duì)變化嘗試做出解釋。教師組織學(xué)生再深化探究，對(duì)氧氣、酒精含量的變化檢測。

6.?評(píng)價(jià)（Evaluate）

作品表征，匯總項(xiàng)目結(jié)果。評(píng)價(jià)階段可根據(jù)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)學(xué)生開展科學(xué)探究的過程和結(jié)果進(jìn)行形成性評(píng)價(jià)、總結(jié)性評(píng)價(jià)等。

通過以上五環(huán)節(jié)科學(xué)探究的過程，同學(xué)們整理匯總STEM學(xué)習(xí)的過程、目標(biāo)和結(jié)果。在各個(gè)學(xué)習(xí)環(huán)節(jié)中首先由教師記錄在巡視過程中各組開展科學(xué)探究的過程并對(duì)其進(jìn)行發(fā)展性評(píng)價(jià)，然后由教師發(fā)放有針對(duì)性的STEM評(píng)價(jià)量表進(jìn)行自我評(píng)價(jià)，最后請(qǐng)各組成員總結(jié)表述該STEM項(xiàng)目，并且由所有成員和教師共同選出最佳STEM方案，也可用手機(jī)設(shè)備記錄完整過程，可在各班進(jìn)行演示。

五、?結(jié)語

在此次生物學(xué)課程中開發(fā)STEM課例，采用6E學(xué)習(xí)模式探究“酵母菌細(xì)胞呼吸的方式”，學(xué)生不僅加深了對(duì)“細(xì)胞呼吸”核心概念的理解，同時(shí)基于情境開展詳細(xì)的“科學(xué)探究”過程，利用“工程設(shè)計(jì)”實(shí)踐結(jié)果。利用數(shù)字化實(shí)驗(yàn)室的技術(shù)融合思維，運(yùn)用多學(xué)科知識(shí)解決真實(shí)情境的問題，可見STEM課程學(xué)生活動(dòng)的開展以“發(fā)展學(xué)生科學(xué)思維”為中心，能夠有效調(diào)動(dòng)學(xué)生積極性，有效引導(dǎo)學(xué)生開展科學(xué)探究的過程，有助于培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)思維和創(chuàng)新意識(shí)，提升學(xué)生融合多學(xué)科知識(shí)解決問題的能力，這也正是高中生物課程中生物學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)強(qiáng)調(diào)的必備品格和關(guān)鍵能力。

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作者簡介：陳媛媛，甘肅省蘭州市，甘肅省蘭州市蘭州西北中學(xué)。