基于STEM理念的實驗創(chuàng)新
——以“探究CO2濃度對光合作用強度的影響”實驗為例

◆甘肅省高臺縣第一中學 陳能訓 羅福海 中國人民大學附屬中學 李 樸

STEM理念在培養(yǎng)學生科學、技術(shù)、工程、數(shù)學以及跨學科融合中發(fā)揮著重要作用。在生物教學中融入STEM理念，能使學生感受到生物學與科學發(fā)展、技術(shù)革新密切相關(guān)，并在潛移默化中提升學生的思維能力、動手能力和解決問題的能力等。滲透STEM理念的生物教學應(yīng)結(jié)合學科特點，發(fā)展跨學科融合的實驗教學案例是一個很好的途徑。

我們以“探究CO2濃度對光合作用強度的影響”實驗為例，從實驗創(chuàng)新的緣起、實驗設(shè)計、實驗過程、實驗結(jié)果和實驗評析與反思5個方面，分析STEM理念的實驗創(chuàng)新教學實踐，探索課堂教學新模式，思考教學實踐的可行性和現(xiàn)實意義。

一、實驗創(chuàng)新的緣起

（一）實驗分析

教材中，“探究環(huán)境因素對光合作用強度的影響”這個實驗有利于學生構(gòu)建光合作用過程和原理的應(yīng)用模型，但教材中并未展示CO2濃度對光合作用強度的影響，不利于學生理解光合作用受哪些因素的綜合影響。在實驗過程中，操作時易出現(xiàn)以下問題：

1.通過注射器真空滲水使葉片下沉這一操作不易把控，可能導致細胞充水不足，葉片不易下沉，或水分過多導致葉肉細胞結(jié)構(gòu)被破壞。

2.不能定量分析光照強度的大小與光合作用強度的關(guān)系。

（二）STEM理念引領(lǐng)下的實驗創(chuàng)新教學目標

多學科融合，創(chuàng)新實驗設(shè)計思路，運用可視化技術(shù)，定量分析并呈現(xiàn)結(jié)果；改進實驗裝置，探索變量控制，提高工程素養(yǎng)；處理實驗數(shù)據(jù)，構(gòu)建數(shù)學模型，提高數(shù)學素養(yǎng)。該實驗涉及的STEM教學目標見表1。

表1 探究CO2濃度對光合作用強度的影響STEM教學目標

二、實驗設(shè)計

（一）實驗原理

植物在光合作用中，通過固定CO2生成糖類等有機物（主要為淀粉），淀粉遇碘變藍色，可目測其中的差別，同時碘與淀粉能形成穩(wěn)定的藍色復(fù)合物，實驗?zāi)茉诳梢姽鈪^(qū)測定，且測定的靈敏度高。因此，可用特定波長吸收值來相對定量分析淀粉的生成量，探究不同條件下的光合速率差異，NaHCO3溶液可分解并維持一定環(huán)境下CO2的濃度。

（二）實驗器材

綠 蘿，NaOH溶 液（2 mol/L），NaHCO3溶液（濃度分別為0.1% 、1.0% ），無水乙醇，I2-KI溶液，燒杯，酒精燈，普通離心管（15 mL），微量離心管（2 mL），研缽，分光光度計。

（三）實驗裝置

實驗共設(shè)置5個處理組：無光照組（甲組）、無CO2組（乙組，用2 mol/L NaOH溶液去除CO2）、正常組（丙組，無NaHCO3溶液）、0.1%濃度NaHCO3溶液組（丁組）、1.0% 濃度NaHCO3溶液組（戊組）。設(shè)計實驗裝置如圖1（a）所示，該裝置僅通過改變X溶液可實現(xiàn)對自變量的控制。實物圖如圖1（b）所示。

圖1 實驗裝置

三、實驗過程

將正常生長的綠蘿在無光照條件下放置24 h，消耗其有機物，取形態(tài)相近的枝條水培于5組紙杯中，按上述分組在40 W的光源下進行不同濃度NaHCO3溶液環(huán)境處理6 h。各處理組取1.5 g葉片，用無水乙醇水浴加熱脫色后晾干，用研缽碾碎并加水溶解淀粉，將溶解后的淀粉懸液依次分裝于普通離心管中備用。

最后取各處理組淀粉懸液0.2 mL依次加入微量離心管中，加入等量I2-KI溶液進行顯色反應(yīng)并記錄顯色結(jié)果。同時，使用分光光度計測定顯色反應(yīng)的吸光值，記錄實驗數(shù)據(jù)并通過標準曲線計算淀粉含量。

四、實驗結(jié)果

各處理組淀粉懸液如圖2所示。將各處理組淀粉懸液與I2-KI溶液進行顯色反應(yīng)，結(jié)果如圖3所示。由顯色結(jié)果可得，甲組與I2-KI溶液顏色相近，說明無光照條件下，綠蘿葉片不能進行光合作用，無法合成淀粉，從乙組—丙組—丁組，隨著CO2濃度的增加，離心管內(nèi)懸液的顏色越來越深，表明隨著CO2濃度的增加，淀粉生成量增加。

圖2 不同處理組的淀粉懸液

圖3 I2-KI與淀粉懸液的顯色反應(yīng)

研究表明，淀粉溶液在550 nm波長和650 nm波長光下具有較大吸收波峰的能力，本實驗選擇550 nm波長下測定各處理組的相對吸光值，結(jié)果如表2所示。在550 nm波長下，除甲組外，其余各處理組的相對吸光值隨著CO2濃度的增加而逐漸增大。

表2 各處理組吸光值

進一步分析淀粉和碘顯色反應(yīng)550 nm波長下吸光值的標準曲線（圖4）可得550 nm波長下不同相對吸光值對應(yīng)的淀粉濃度，進而得出6 h內(nèi)綠蘿葉片合成的淀粉量，計算結(jié)果如表3所示。

圖4 550 nm波長下淀粉溶液相對吸光值的標準曲線

由表3可知，除甲組外，其余各組隨CO2濃度的增加，6 h內(nèi)合成的淀粉量逐漸增多，說明一定濃度的NaHCO3溶液可分解并維持一定環(huán)境的CO2濃度，使綠蘿進行光合作用并合成淀粉，且在一定范圍內(nèi)，綠蘿葉片光合作用強度隨CO2濃度的增加逐漸增強。

表3 不同處理組6 h合成淀粉量

乙組在無CO2的情況下依然有淀粉生成量，經(jīng)推測，是由于綠蘿葉片在無光照處理后，細胞內(nèi)依然存在C3、C5等化合物，當給予適宜光照后，光反應(yīng)產(chǎn)生的[H]、ATP可將葉綠體基質(zhì)中的C3還原為有機物，從而實現(xiàn)淀粉的合成。

五、實驗評析與反思

本創(chuàng)新實驗以STEM 教育為理念，以實驗探究為手段，以教材實驗為立足點，制訂多維度的教學目標，準備學習資源和實驗材料，運用技術(shù)分析和工程設(shè)計組織教學，使學生將合作學習、探究實踐貫穿始終。

實驗通過選擇合適的觀測指標，利用標準曲線，在可視化的基礎(chǔ)上相對定量地探究了CO2濃度對植物光合作用強度的影響。此外，實驗還可進行延伸，如進一步相對定量地探究光照強度、溫度、CO2濃度等影響因素獨立、綜合作用，探究植物生長的最佳光照強度、溫度、CO2濃度等。