“應(yīng)用微生物解除環(huán)境污染”社團(tuán)課程設(shè)計(jì)

王懷玲

學(xué)習(xí)與多環(huán)芳烴類物質(zhì)苯并芘（BaP）相關(guān)的生物學(xué)相關(guān)知識，并不僅局限于學(xué)習(xí)如何使用顯微鏡觀察口腔細(xì)胞、觀察我們手上的細(xì)菌等基礎(chǔ)操作內(nèi)容，而是要把所學(xué)知識應(yīng)用于解決實(shí)際問題，讓學(xué)生接觸最新的科學(xué)知識。本社團(tuán)課程的設(shè)置基于STEM教育理念，以當(dāng)下熱點(diǎn)為抓手，通過項(xiàng)目式課題形式開展，可提高課程的完整性、趣味性和豐富程度，同時增強(qiáng)學(xué)生的自豪感和使命感。將枯燥的知識以最優(yōu)的形式呈現(xiàn)給學(xué)生，吸引他們的注意力，提高其對學(xué)科的興趣，為以后相關(guān)的學(xué)習(xí)打下扎實(shí)的基礎(chǔ)。

一、小學(xué)科學(xué)社團(tuán)服務(wù)課程分析

社團(tuán)服務(wù)實(shí)踐是培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)核心素養(yǎng)及創(chuàng)新能力的重要學(xué)習(xí)途徑之一。中小學(xué)生是祖國的未來，我們將以學(xué)生為本的教學(xué)方法作為引導(dǎo)，并結(jié)合《國務(wù)院關(guān)于進(jìn)一步加強(qiáng)環(huán)境保護(hù)工作的決定》中“中小學(xué)生及幼兒園教育結(jié)合有關(guān)內(nèi)容普及環(huán)境保護(hù)知識”的要求，引導(dǎo)中小學(xué)生學(xué)習(xí)環(huán)境知識和技能，滲透環(huán)境與發(fā)展知識的教育，培養(yǎng)環(huán)境保護(hù)的意識。主要采用項(xiàng)目式課題的方式引領(lǐng)社團(tuán)課程，讓創(chuàng)新源于生活，又服務(wù)于生活，將社團(tuán)課程與社會學(xué)習(xí)結(jié)合，給學(xué)生帶來全新的視野，有利于學(xué)生建立自身的成就感和自豪感，乃至社會責(zé)任感，為進(jìn)一步提高社團(tuán)課程的教學(xué)質(zhì)量增磚添瓦。

近十年來，隨著沿海河口、港灣地區(qū)經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展，環(huán)境污染、生態(tài)破壞等問題日益嚴(yán)重，大量工業(yè)和生活廢水、廢物的排放，使得沿海海域的水質(zhì)、土質(zhì)和生態(tài)環(huán)境日益惡化，有毒污染物在環(huán)境中的積累和食物鏈的累積效應(yīng)已成為當(dāng)今一大不可忽視的環(huán)境問題。其中環(huán)境科學(xué)研究在中小學(xué)段已經(jīng)開展了一系列嘗試。如，香港仁愛堂田家炳小學(xué)開展了“空氣污染及水質(zhì)污染”社團(tuán)活動，帶領(lǐng)學(xué)生通過micro：bit編程及接收空氣質(zhì)量傳感器測定水質(zhì)污染情況，并提出改善水質(zhì)的方法，增強(qiáng)了學(xué)生探究學(xué)習(xí)、合作的能力，增強(qiáng)了學(xué)生的環(huán)保意識。澳門地區(qū)主要通過普及自然常識，如“制作仿生態(tài)箱”，來實(shí)施環(huán)保教育和工程技術(shù)教育，將“生態(tài)箱原理”“模型制作與材料選擇”以及數(shù)學(xué)模型相結(jié)合，學(xué)生相互討論交流確定生態(tài)箱的設(shè)計(jì)方案，并及時改進(jìn)，學(xué)習(xí)科學(xué)探究的基本方法。

由此可見，環(huán)境課程教育已經(jīng)逐步融入日常教與學(xué)的過程中。因此，本課題的情境設(shè)計(jì)立足于“生活化、現(xiàn)實(shí)化”，通過解決實(shí)際問題，有目標(biāo)地去實(shí)施。帶著問題去探究學(xué)習(xí)，可降低課程設(shè)計(jì)和實(shí)施的難度，同時增加學(xué)生探究的成就感和自豪感。遵循全面發(fā)展的原則，實(shí)踐“生活及教育”思想，探索社團(tuán)教育與生活教育的內(nèi)在聯(lián)系，設(shè)計(jì)社團(tuán)教育課程，并為進(jìn)一步加強(qiáng)社團(tuán)課程建設(shè)提供更多的建議。

二、社團(tuán)課程設(shè)計(jì)策略

（一）課程設(shè)計(jì)目標(biāo)

本課程設(shè)計(jì)的目標(biāo)主要包括四個層面：課程設(shè)計(jì)目標(biāo)、學(xué)校目標(biāo)、學(xué)生培養(yǎng)目標(biāo)以及自然和生態(tài)目標(biāo)。

第一是課程設(shè)計(jì)目標(biāo)：采用項(xiàng)目式課題研究方式，構(gòu)建微生物降解環(huán)境污染物苯并芘理論模型，研究緩解水體污染的有效解決方法。

第二是學(xué)校目標(biāo)：通過構(gòu)建項(xiàng)目式社團(tuán)課程體系，使本社團(tuán)課程發(fā)展成為小學(xué)社團(tuán)教學(xué)研一體化課程基地，同時促進(jìn)教師專業(yè)素養(yǎng)、學(xué)校教育教學(xué)質(zhì)量的全面提升。

第三是學(xué)生培養(yǎng)目標(biāo)：學(xué)生通過項(xiàng)目式課題研究探索過程，學(xué)習(xí)環(huán)境與科學(xué)領(lǐng)域的粗淺知識，感受知識的力量，激發(fā)內(nèi)在的學(xué)習(xí)動機(jī)。更重要的是，提高學(xué)生的環(huán)境保護(hù)意識和愛護(hù)地球家園的責(zé)任感和使命感。

第四是自然和生態(tài)目標(biāo)：通過自然教育，培養(yǎng)具有強(qiáng)烈生態(tài)環(huán)保意識和良好生態(tài)文明習(xí)慣的接班人，全面提升中小學(xué)生的生態(tài)文明素養(yǎng)。

（二）課程設(shè)計(jì)重難點(diǎn)

雖然，目前學(xué)生社團(tuán)項(xiàng)目豐富多彩，但是獨(dú)具特色又能聯(lián)系實(shí)際解決關(guān)鍵問題的優(yōu)質(zhì)社團(tuán)課程卻是現(xiàn)在急需的。我們首先根據(jù)研究熱點(diǎn)問題，通過創(chuàng)設(shè)真實(shí)情境，構(gòu)建項(xiàng)目式課題研究內(nèi)容，形成獨(dú)具特色的社團(tuán)課程內(nèi)容和模式。其次，我們結(jié)合學(xué)校條件，有的放矢地選擇合適的社團(tuán)課程內(nèi)容。課程需要不斷地創(chuàng)新，并且根據(jù)不同年級學(xué)生的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)不同難度的課程。最后是將獨(dú)具特色的社團(tuán)課程實(shí)現(xiàn)合作教學(xué)。合作學(xué)校的教學(xué)資源主要是學(xué)生共同講授一個課程，但是不同學(xué)校具有不同的特點(diǎn)，可能有不同的教學(xué)時間和不同的教學(xué)方法，所以需要教師在調(diào)查、交流、分析的基礎(chǔ)上，對內(nèi)容和方式進(jìn)行整合、分析、優(yōu)化等處理。這是課程開展過程中較為繁重的工作之一。

（三）課程設(shè)計(jì)內(nèi)容

本課程的研究對象為中小學(xué)生，其課程設(shè)計(jì)分為以下四個部分：第一部分魚菜共生系統(tǒng);第二部分構(gòu)建苯并芘（BaP）環(huán)境污染物污染模型;第三部采用16sRNA篩選降解苯并芘（BaP）菌株種類;第四部分采用高效液相色譜法（HPLC）檢測環(huán)境中BaP的殘余量。每個部分的具體設(shè)計(jì)思路及思考如下：

1.魚菜共生系統(tǒng)

本部分?jǐn)M以本校的魚菜共生系統(tǒng)為載體。本校的魚菜共生系統(tǒng)是新型的復(fù)合耕作體系，把水產(chǎn)養(yǎng)殖和水耕栽培這兩種完全不同的農(nóng)耕技術(shù)，通過虹吸系統(tǒng)等巧妙地融合在一起，從而實(shí)現(xiàn)養(yǎng)魚不換水而無水質(zhì)憂患、種菜不施肥而正常成長的生態(tài)共生效應(yīng)。整個系統(tǒng)是一個閉合的循環(huán)系統(tǒng)，易于控制影響水質(zhì)的外界因素，嚴(yán)格控制進(jìn)入與進(jìn)出，有利于水質(zhì)的檢測。魚菜共生系統(tǒng)內(nèi)的生物，可以飼養(yǎng)魚類或是模式動物模型斑馬魚（斑馬魚一般用于生物實(shí)驗(yàn)中，屬于一種易于飼養(yǎng)的模式動物，和人類基因有著87%的高度相似性。這意味著其實(shí)驗(yàn)結(jié)果在大多數(shù)情況下適用于人體，?？捎糜谒|(zhì)環(huán)境的監(jiān)測，作為模式生物的優(yōu)勢很突出）。在飼養(yǎng)斑馬魚的過程中，魚類的糞便及多投的魚食等有機(jī)物，在水中可以分解成氨氮、亞硝酸鹽等有毒物質(zhì)，而這些有毒物質(zhì)恰好是水生蔬菜等植物的優(yōu)質(zhì)肥料。魚缸中的水先流入地下的過濾系統(tǒng)，經(jīng)過四層過濾，去掉魚類的糞便和魚食等雜物，同時硝化菌在里面進(jìn)行初步培育。接下來，水流入我們的種植床。種植床中的砂石一方面可以固定蔬菜，一方面可以作為循環(huán)水養(yǎng)魚的生物過濾材料。眾多的細(xì)菌在上面附著滋生，可以形成穩(wěn)固的生物分解系統(tǒng)。水通過虹吸系統(tǒng)進(jìn)入過濾槽，進(jìn)一步過濾，最終形成優(yōu)質(zhì)水體，再進(jìn)入魚缸中循環(huán)利用。我們的魚菜共生系統(tǒng)連有pH、溶氧量和氧還原電位檢測儀等，智能監(jiān)控我們的魚菜共生系統(tǒng)。

2.構(gòu)建苯并芘環(huán)境污染物污染模型

我們通過這個魚菜共生系統(tǒng)要做什么呢？如何讓這個課程落地呢？現(xiàn)在環(huán)境污染越來越嚴(yán)重，比如，各種塑化劑、芳香烴（苯并芘）等環(huán)境污染物在食品中的污染越來越嚴(yán)重，是食品安全領(lǐng)域內(nèi)的研究熱點(diǎn)。因?yàn)轸~菜共生系統(tǒng)屬于密閉環(huán)境，很容易控制其他因素，因此，我們可以根據(jù)這個特點(diǎn)，通過模式生物（斑馬魚）研究環(huán)境污染物苯并芘等在生物體內(nèi)的代謝，為研究環(huán)境污染物的代謝途徑提供非常好的研究工具。我們通過在魚菜共生系統(tǒng)水體中，加入一系列濃度的苯并芘，觀察斑馬魚的生存狀況，篩選出對斑馬魚生存狀況影響不嚴(yán)重的濃度進(jìn)一步研究，并以此濃度為基礎(chǔ)構(gòu)建苯并芘環(huán)境污染物污染模型。

3.采用16sRNA篩選降解苯并芘（BaP）菌株種類

根據(jù)實(shí)驗(yàn)室已配備的實(shí)驗(yàn)儀器，如顯微鏡、超凈臺等，本部分的課程設(shè)計(jì)主要是通過項(xiàng)目式學(xué)習(xí)來進(jìn)行。該部分屬于本課題的核心。首先通過查閱文獻(xiàn)，了解目前已經(jīng)報(bào)道的可用來降解環(huán)境污染物的微生物;其次，在已構(gòu)建模型的魚菜共生系統(tǒng)（含污染物）中培養(yǎng)已知微生物。在不同時間段收集水體，采用16sRNA技術(shù)，通過基因熱圖等技術(shù)篩選優(yōu)勢菌種。探究分為兩個層面：首先，探究優(yōu)勢菌種是什么;其次，探究優(yōu)勢菌種何時達(dá)到種群最大化。掌握以上內(nèi)容后，對其進(jìn)行驗(yàn)證，完成微生物降解環(huán)境污染物苯并芘污染模型的構(gòu)建。

在這個過程中，要引導(dǎo)學(xué)生充分學(xué)習(xí)生物相關(guān)技術(shù)和知識，包括使用顯微鏡、微生物劃平板等，同時引導(dǎo)學(xué)生對生活用水中的微生物進(jìn)行跟蹤觀察研究，并在此基礎(chǔ)上綜合利用不同學(xué)校的資源，明確合作教學(xué)的內(nèi)容、環(huán)節(jié)、操作流程、已有資源分享等，開拓多元化的社團(tuán)教學(xué)方式，在合作教學(xué)過程中促進(jìn)交流與學(xué)習(xí)。

4.采用高效液相色譜法（HPLC）檢測環(huán)境中BaP的殘余量

整合前面的課程，通過應(yīng)用微生物降解環(huán)境污染物苯并芘污染模型，引導(dǎo)學(xué)生實(shí)際檢測模型的效果。本部分主要采用高效液相色譜法（HPLC）技術(shù)檢測水體環(huán)境中苯并芘的含量，通過前后對比，得到微生物對環(huán)境污染物的降解效率。本部分是我們課題的收尾階段，可以給學(xué)生呈現(xiàn)直觀的數(shù)據(jù)，通過數(shù)據(jù)增強(qiáng)學(xué)生的成就感，意識到自己也可以為保護(hù)環(huán)境增磚添瓦，激發(fā)其環(huán)境保護(hù)意識。我們的模型還有很多可拓展的方面，比如，依托魚菜共生系統(tǒng)探究環(huán)境污染物在斑馬魚體內(nèi)的生物富集等科學(xué)問題。此部分將所學(xué)的知識外顯化，將不同學(xué)生的思維納入統(tǒng)一的課程成果，同時充分保護(hù)學(xué)生的創(chuàng)新性思維，并在課程開展過程逐步完善課程內(nèi)容。現(xiàn)初步搭建的社團(tuán)課程內(nèi)容體系如圖1。

三、總結(jié)與思考

通過項(xiàng)目式課題研究的引領(lǐng)，在遵循學(xué)生身心發(fā)展及深度學(xué)習(xí)的客觀規(guī)律基礎(chǔ)上，著眼于學(xué)生個性化發(fā)展的長遠(yuǎn)需求，實(shí)現(xiàn)個性化教育教學(xué)。利用數(shù)字化技術(shù)，提升課堂的邏輯性、趣味性、交互性、有效性，從而促使學(xué)生的學(xué)習(xí)潛能不斷被激發(fā)，通過項(xiàng)目式深度學(xué)習(xí)解決生活當(dāng)中的實(shí)際問題。在課程實(shí)施過程中，要堅(jiān)持不斷創(chuàng)新信息化技術(shù)平臺，使數(shù)據(jù)分析簡單化，合適中小學(xué)生操作，并總結(jié)一套數(shù)據(jù)分析模板，及時發(fā)現(xiàn)分析過程中的問題。若出現(xiàn)異常數(shù)據(jù)，要精準(zhǔn)對接，找出原因，對癥下藥，解決問題，讓學(xué)生體驗(yàn)探索—解疑—發(fā)現(xiàn)—改進(jìn)的探究過程。

社團(tuán)服務(wù)課程整體設(shè)計(jì)遵循“新·生活”教育理念，通過設(shè)置項(xiàng)目式情境，在實(shí)際體驗(yàn)生活的過程中學(xué)習(xí)，多種感官參與學(xué)習(xí)，將復(fù)雜枯燥的生物知識變得豐富多彩，使中小學(xué)生產(chǎn)生學(xué)習(xí)的內(nèi)驅(qū)力。本課題的主要成果是成功構(gòu)建以項(xiàng)目式形式開設(shè)社團(tuán)服務(wù)課程的基本模式，并形成相關(guān)前沿課題的基本模式，鼓勵實(shí)驗(yàn)學(xué)校、實(shí)驗(yàn)學(xué)科和教師深度實(shí)踐、積極探索變式。同時，本課題的重點(diǎn)是，通過應(yīng)用微生物解除環(huán)境污染，將社團(tuán)模式與環(huán)境保護(hù)相結(jié)合，將前沿的、先進(jìn)的數(shù)字化技術(shù)納入教育教學(xué)領(lǐng)域，使技術(shù)與教學(xué)深度融合、有機(jī)整合、相輔相成，打造創(chuàng)客創(chuàng)新教育模式的新高地。學(xué)生通過“探究式+項(xiàng)目式”學(xué)習(xí)，培養(yǎng)科學(xué)素養(yǎng)，并借此促進(jìn)教師的專業(yè)素養(yǎng)、學(xué)生的學(xué)科素養(yǎng)、學(xué)校的教育教學(xué)質(zhì)量全面提升。更重要的是，這項(xiàng)研究能使學(xué)生了解目前環(huán)境污染現(xiàn)狀，激發(fā)環(huán)境保護(hù)意識，增強(qiáng)愛護(hù)地球家園的責(zé)任感和使命感。