STEM理念在高中生物學(xué)建模教學(xué)中的應(yīng)用

楊建新

摘 要 以2019人教版高中生物學(xué)必修1 中的“影響酶活性的條件”為例，構(gòu)建酶活性受溫度和 pH 影響的數(shù)學(xué)模型，在STEM視角下開展探究活動，以期培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新思維和科學(xué)實踐能力，提升學(xué)生的學(xué)科核心素養(yǎng)。

關(guān)鍵詞 STEM 建模教學(xué)??項目式學(xué)習(xí) ?酶活性 ?科學(xué)探究

中圖分類號 G633.91 ?文獻(xiàn)標(biāo)志碼 B

STEM 是指科學(xué)、技術(shù)和工程、數(shù)學(xué)等多學(xué)科融合，以項目形式進行學(xué)習(xí)的一種全新教學(xué)理念。高中生物學(xué)教學(xué)中將 STEM界定為基于已有的 STEM 相關(guān)領(lǐng)域的學(xué)科（生物學(xué)），有機嵌入一至多門其他 STEM 相關(guān)學(xué)科（科學(xué)、技術(shù)、工程、數(shù)學(xué)中的任意一門或多門），以培養(yǎng)學(xué)生綜合運用各科知識的能力與素養(yǎng)的教育理念。由于其綜合性強，教師多采取“課內(nèi)滲透，課外延伸”的項目式學(xué)習(xí)形式。

“建模教學(xué)”最初由亞利桑那州立大學(xué)理論物理學(xué)家 Hestenes 創(chuàng)立，當(dāng)時主要應(yīng)用于物理學(xué)科，隨著多年研究的深入，實踐與研究證明建模教學(xué)不僅可以幫助學(xué)習(xí)者深入領(lǐng)悟核心問題，還能提升學(xué)習(xí)者自主學(xué)習(xí)能力。建模教學(xué)與STEM 的教育理念存在一致性，從教育目標(biāo)來看，建模教學(xué)與STEM都是將學(xué)生塑造成創(chuàng)新型人才;從教育方法來看，建模教學(xué)與STEM均提倡情境參與式、實踐體驗式教學(xué)（圖1）。2019年人教版高中生物學(xué)教材，有著豐富的建模資源可以融入STEM 理念，以培養(yǎng)學(xué)生的學(xué)科核心素養(yǎng)和綜合素質(zhì)。下文以《必修1·分子與細(xì)胞》中“影響酶活性的條件”為例，闡述在高中生物建模教學(xué)中如何融入STEM理念。

1 “影響酶活性的條件”的教學(xué)分析

“影響酶活性的條件”是《必修1·分子與細(xì)胞》第五章第一節(jié)“降低化學(xué)反應(yīng)活化能的酶”中的第三個探究實踐活動，本節(jié)是在學(xué)習(xí)“酶的作用和本質(zhì)”“酶 ?的高效性和專一性”等相關(guān)知識的基礎(chǔ)上進行的，也 ?是進一步學(xué)習(xí)“細(xì)胞呼吸”和“光合作用”等細(xì)胞代謝 ?知識、理解基因?qū)ι镄誀畹目刂频戎匾拍畹幕??礎(chǔ)，具有承上啟下的作用?！镀胀ǜ咧猩飳W(xué)課程標(biāo)準(zhǔn) ?（2017年版）》（以下簡稱《課程標(biāo)準(zhǔn)》）關(guān)于本節(jié)的內(nèi)容 ?要求是“說明酶活性受到環(huán)境因素（如pH 和溫度等） 的影響”。本節(jié)課通過探究實驗“影響酶活性的條件”來闡述“酶的作用條件較溫和”這個概念，要求學(xué)生進 ?行有關(guān)實驗和探究，學(xué)會調(diào)控自變量，觀察和檢測因 ?變量的變化，設(shè)計實驗以及設(shè)置對照組和重復(fù)試驗。此探究實踐活動以融入STEM元素并構(gòu)建數(shù)學(xué)模型來 ?理解概念，由于容量大、能力要求高，采用“課內(nèi)滲透，課外延伸”的項目式學(xué)習(xí)來進行教學(xué)。

2 ?融入STEM理念的模型建構(gòu)項目式學(xué)習(xí)設(shè)計

建模教學(xué)就是模型建構(gòu)。模型建構(gòu)是一種重要的科學(xué)探究活動，是科學(xué)家們獲得科學(xué)理解、解釋科學(xué)現(xiàn)象的重要手段。高中生物學(xué)學(xué)習(xí)中的模型建構(gòu)是對已有生物模型的“再建構(gòu)”，是對生物學(xué)家模型建構(gòu)的高度模仿，要求抓住生物學(xué)家模型建構(gòu)的關(guān)鍵思路、關(guān)鍵過程和關(guān)鍵環(huán)節(jié)，簡約地經(jīng)歷類似于科學(xué)家建構(gòu)模型的過程。學(xué)生探究酶活性受溫度和pH 的影響，通過實驗數(shù)據(jù)（原型），對直接觀測到的原型進行歸納和抽象，構(gòu)建基于原型的數(shù)學(xué)模型，實現(xiàn)了生物學(xué)現(xiàn)象數(shù)學(xué)化，并在設(shè)計過程中運用技術(shù)（實驗器材的改進）和工程（探究方案的設(shè)計），體現(xiàn)了STEM教學(xué)理念。

2.1 基于問題情境，提出研究問題

教師創(chuàng)設(shè)問題情境，使學(xué)生有切身的體會，更容易理解知識點，從而提出有價值的研究問題：為什么殘留在牙縫里的食物殘渣多數(shù)都是肉絲，而不是米飯？在體外也是如此嗎？有哪些影響因素？口腔中的唾液淀粉酶具有專一性，但學(xué)生進行實驗操作時，因為要控制溫度和pH等無關(guān)變量，所以未必能得到準(zhǔn)確的實驗結(jié)果。接著，教師追問：發(fā)燒時，人體有什么感受？口腔溫度和體溫差不多，而當(dāng)口腔中的唾液淀粉酶進入胃以后卻不能催化淀粉水解了，為什么？根據(jù)展示的生活情境，學(xué)生展開積極的討論，提出的問題主要包括：①高燒時沒有胃口，推測高燒使體溫升高，從而影響到消化酶的作用，導(dǎo)致沒有食欲，進而推測酶活性在作用過程中與溫度變化有關(guān)。②唾液的pH和胃液的pH差異很大，唾液淀粉酶在胃中失去作用的原因可能是因為環(huán)境的pH改變，導(dǎo)致唾液淀粉酶的活性發(fā)生改變，進而推測酶活性的大小與pH有關(guān)。

2.2 根據(jù)研究課題，設(shè)計探究方案

從學(xué)生提出的問題中，教師確立研究課題為：①?酶活性受溫度的影響;②酶活性受pH 的影響。隨后，學(xué)生展開分組討論設(shè)計探究方案，探究方案要呈現(xiàn)以下內(nèi)容：①?探究目的;②?實驗原理;③?實驗材料和器具;④?實驗步驟;⑤?數(shù)據(jù)記錄（原型）;⑥?分析處理數(shù)據(jù)（數(shù)據(jù)原型圖像化）;⑦注意事項（調(diào)控自變量、觀測因變量、控制無關(guān)變量）。學(xué)生討論、得出初步的實驗設(shè)計：選取淀粉酶、淀粉溶液，用碘液檢驗在沸水、50℃溫水和冰水中淀粉酶對淀粉的分解情況;選 取肝臟研磨液、過氧化氫溶液，分別檢驗二者在加入 HCl、蒸餾水和 NaOH 這三種不同酸堿度的溶液后產(chǎn)生氣泡的情況。此設(shè)計與學(xué)生能力是切合的，但尚未達(dá)到預(yù)定的教學(xué)目標(biāo)。為達(dá)成目標(biāo)，教師需要設(shè)計問題串幫助學(xué)生進一步探究：①為什么用淀粉酶探究溫度對酶活性的影響，用過氧化氫酶探究pH對酶活性的影響？②?自變量、因變量和無關(guān)變量是什么？預(yù)期結(jié)果怎樣？③?怎樣排除無關(guān)變量的干擾？④?只有三種溫度和三種pH合適嗎？⑤?只做一次實驗可行嗎？⑥?同學(xué)們的設(shè)計中因變量只能觀察不能觀測，如何改進？這樣一系列的問題能夠幫助學(xué)生掌握探究實驗的基本方法;最后一問更進一步把學(xué)生初步設(shè)計的定性實驗升級成定量實驗，有效引導(dǎo)了學(xué)生的思維發(fā)展。在思考如何定量檢測的過程中，學(xué)生逆向思考出可以通過測量檢測不到淀粉的時間來衡量酶活性，從而有效解決酶活性受溫度影響的定量問題。學(xué)生聯(lián)系生活實際，提出了使用注射器等有刻度的器材來解決酶活性受pH影響的定量問題。

2.3 實施探究活動，構(gòu)建數(shù)學(xué)模型

根據(jù)教師提供的材料和器材，學(xué)生討論、修正、再討論，對實驗選材和實驗方法進行了改進，如用土豆研磨液代替肝臟研磨液（腥臭且很難研磨），用注射器代替試管（定量），用濾紙片（操作方便）。

酶活性受溫度影響的改進后方案：①?分組：設(shè)置0℃～100℃之間多個溫度梯度進行催化反應(yīng)。②記錄反應(yīng)時間：從反應(yīng)開始，每隔1 min從每個反應(yīng)管中吸取一滴反應(yīng)液用碘液檢測淀粉的有無，在表1 中記錄反應(yīng)液中檢測不到淀粉所需的時間（數(shù)據(jù)原型）。③?構(gòu)建數(shù)學(xué)模型：根據(jù)數(shù)據(jù)原型繪制出溫度對淀粉酶活性影響的曲線（數(shù)據(jù)原型圖像化）。

酶活性受 pH 的影響改進后方案：①?分組：設(shè)置 pH 為1～13之間多個等梯度緩沖液進行催化反應(yīng)。②?將每組土豆研磨液和不同pH緩沖液混合后浸泡相同面積濾紙片。③取兩個50 mL注射器，一個吸取2 mL 的過氧化氫溶液，另一個裝一片浸過混合液的濾紙片（無空氣）。④?將兩個注射器用膠管連接。⑤將 過氧化氫溶液全部推入另一注射器。⑥利用注射器的刻度對生成氧氣的體積進行定量測量，在表2中記錄實驗數(shù)據(jù)（數(shù)據(jù)原型）。⑦?構(gòu)建數(shù)學(xué)模型：根據(jù)數(shù)據(jù)原型繪制出pH對過氧化氫酶活性影響的曲線（數(shù)據(jù)原型圖像化）。

2.4 模型檢驗修正，對比延伸拓展

學(xué)生通過比較實驗結(jié)果，發(fā)現(xiàn)兩條曲線差異很大（圖2、圖3），且溫度曲線與教材完全不同。通過對分析構(gòu)建的模型，學(xué)生發(fā)現(xiàn)對淀粉酶活性的計算有誤，應(yīng)以反應(yīng)液中檢測不到淀粉所需時間的倒數(shù)作為酶活性高低的檢測指標(biāo)，并據(jù)此對記錄表和曲線模型進行修正，見表3。

教師將修正后的曲線模型（圖4）與教材比較，并提出問題：①?描述兩曲線的共同點和不同點。②在低溫、高溫和過酸、過堿條件下，酶活性較低的原因是什么？③?比較自己繪制的曲線模型和教材中的曲線，有什么異同？④?你還能列舉影響酶活性的其他因素嗎？學(xué)生通過比較、歸納、總結(jié)，意識到自己繪制的是數(shù)學(xué)模型原型，而教材展示的是原型模式化，是具有代表性、適切性的數(shù)學(xué)模型。

3 ?結(jié)語

《課程標(biāo)準(zhǔn)》中明確要求“教學(xué)過程重實踐”“通過探究加深對生物學(xué)概念的理解”“能夠基于生物學(xué)事實和證據(jù)運用歸納與概括、演繹與推理、模型與建模、批判性思維、創(chuàng)造性思維等方法”。本項目式學(xué)習(xí)設(shè)計融入了STEM理念進行模型構(gòu)建，使學(xué)生以“創(chuàng)設(shè)情境→提出問題→設(shè)計方案→修正方案→實施構(gòu)建→檢驗修正→理解模型”的思路進行學(xué)習(xí)，采用“課內(nèi)滲透，課外延伸”的方法。由于問題情境來源于生活，且階梯式設(shè)問與學(xué)生能力適切，提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情和探究熱情，使學(xué)生在課外主動延伸學(xué)習(xí)，有效培養(yǎng)了學(xué)生的多學(xué)科綜合能力、科學(xué)思維和科學(xué)探究能力。在探究過程中，根據(jù)教師提供的材料和器材，在教師的引導(dǎo)下，學(xué)生改進了實驗，培養(yǎng)了創(chuàng)新的意識，體會了成功的喜悅。這種教學(xué)模式對教師也提出了更高的要求，在問題的收集和探究活動的組織上，都需要精心篩選和設(shè)計。