張燕

摘? ? 要：以“探究影響光合作用的因素”的作業(yè)設(shè)計(jì)為例，探索了STEM教育與實(shí)驗(yàn)教學(xué)融合應(yīng)用的途徑。主要包括基于basic語(yǔ)言解讀光照強(qiáng)度監(jiān)控程序，設(shè)計(jì)探究實(shí)驗(yàn)獲取數(shù)據(jù)并修改程序?qū)崿F(xiàn)溫室低光照預(yù)警，考察溫室設(shè)施了解生物學(xué)原理在工程技術(shù)的應(yīng)用。作業(yè)設(shè)計(jì)的實(shí)施鞏固了學(xué)生的學(xué)科知識(shí)和實(shí)驗(yàn)技能，關(guān)注了學(xué)生科學(xué)思維的培養(yǎng)，體現(xiàn)了學(xué)科育人價(jià)值，為跨學(xué)科綜合發(fā)展的教學(xué)實(shí)踐提供了參考。

關(guān)鍵詞：STEM;光合作用;實(shí)驗(yàn)教學(xué);作業(yè)設(shè)計(jì)

“探究影響光合作用的因素”是《生命科學(xué)》（上?？茖W(xué)技術(shù)出版社）基礎(chǔ)型教材第四章的實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容，在《生命科學(xué)學(xué)科基本要求》中屬于C級(jí)學(xué)習(xí)水平要求。要求學(xué)生通過(guò)設(shè)計(jì)“探究影響光合作用的因素”實(shí)驗(yàn)，經(jīng)歷“探究影響光合作用的因素”實(shí)驗(yàn)過(guò)程，較全面地掌握實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的原則和方法。光合作用原理是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)實(shí)踐的基礎(chǔ)。在人類探索新知識(shí)、改造自然界和改變自身生活方式的過(guò)程中，科學(xué)和工程學(xué)是兩種最為有效的手段。公民對(duì)科學(xué)和工程學(xué)的深入理解是理性決策的前提。[1]本文就生物實(shí)驗(yàn)的作業(yè)設(shè)計(jì)與STEM的融合進(jìn)行了教學(xué)探索。

一、融合STEM教育，鞏固知識(shí)與技能

STEM在教學(xué)實(shí)踐中的應(yīng)用和普及，從科學(xué)（S）方面來(lái)說(shuō)，應(yīng)與課堂教學(xué)內(nèi)容有適切的聯(lián)系，這是促進(jìn)教師重視教學(xué)與STEM融合的基礎(chǔ)，從技術(shù)（T）和工程（E）方面來(lái)說(shuō)，應(yīng)以學(xué)生的原有認(rèn)知水平和技能為起點(diǎn)，這是鞏固課堂學(xué)習(xí)并促進(jìn)學(xué)生產(chǎn)生探究欲望的基礎(chǔ)。以下題為例：

某學(xué)校的溫室栽培研究小組發(fā)現(xiàn)，當(dāng)光照強(qiáng)度過(guò)低時(shí)植物的光合作用不足以維持其生存，為了能監(jiān)控溫室光照強(qiáng)度，他們利用光傳感器和TI編程技術(shù)（Basic語(yǔ)言），編制了程序brightness，具體見(jiàn)下框。

部分命令的含義如下：

Send：發(fā)送命令;READ BRIGHTNESS：讀光感受器數(shù)值;Get：獲取;Disp： 顯示。

結(jié)合信息科技所學(xué)basic語(yǔ)言，嘗試解釋這段控制程序的意思。

本題的設(shè)計(jì)首先意在促進(jìn)學(xué)生鞏固對(duì)光合作用影響因素的認(rèn)識(shí)，加深對(duì)實(shí)驗(yàn)變量的理解。本題中實(shí)驗(yàn)變量的設(shè)置和數(shù)據(jù)采集為學(xué)生提供了更接近現(xiàn)代智能化溫室系統(tǒng)的情境。在原教材實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)中，光照強(qiáng)度是通過(guò)調(diào)控光源的強(qiáng)弱或距離來(lái)設(shè)置的，這并不符合自然光的真實(shí)情況，而利用光傳感器和TI編程技術(shù)則能實(shí)現(xiàn)對(duì)自然光照變化的捕捉和記錄，這促進(jìn)了學(xué)生對(duì)本節(jié)實(shí)驗(yàn)與智能化溫室工作原理的認(rèn)識(shí)對(duì)接。

從學(xué)習(xí)水平來(lái)說(shuō)，學(xué)生既有相關(guān)的課堂實(shí)驗(yàn)經(jīng)歷，也在信息科技學(xué)科中學(xué)習(xí)過(guò)basic語(yǔ)言，兩者結(jié)合幫助學(xué)生完成了對(duì)該程序的解讀：當(dāng)光照強(qiáng)度大于100時(shí)，通過(guò)光傳感器讀取實(shí)時(shí)光照強(qiáng)度數(shù)值并顯示;當(dāng)光照強(qiáng)度小于等于100時(shí)停止讀取數(shù)據(jù)并顯示“光照不足”。學(xué)生在解題過(guò)程中同時(shí)運(yùn)用兩個(gè)學(xué)科的基本知識(shí)解決問(wèn)題，其綜合能力得到了發(fā)展。

二、解決實(shí)際問(wèn)題，發(fā)展科學(xué)思維

光合作用的相關(guān)原理在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)實(shí)踐上有很強(qiáng)的應(yīng)用價(jià)值，如何將實(shí)驗(yàn)知識(shí)與技能運(yùn)用于生產(chǎn)實(shí)踐也是本課作業(yè)設(shè)計(jì)的目標(biāo)之一。如下題所示，作業(yè)關(guān)注了本區(qū)的農(nóng)業(yè)設(shè)施現(xiàn)狀，將作業(yè)設(shè)計(jì)指向了實(shí)際問(wèn)題的解決。

截止2016年末，我區(qū)第三次農(nóng)業(yè)普查中統(tǒng)計(jì)到區(qū)內(nèi)溫室占地面積2.5公頃，大棚占地面積405.7公頃。

（1）溫室種植有利于光合作用的因素是?________?，不利于光合作用的因素是 ________。請(qǐng)參照影響光合作用因素的探究實(shí)驗(yàn)，利用真空滲水法，設(shè)計(jì)一個(gè)測(cè)定青菜生長(zhǎng)需要的最低光照強(qiáng)度的表格。

（2）經(jīng)過(guò)多次實(shí)驗(yàn)，研究小組發(fā)現(xiàn)光照強(qiáng)度為800lx時(shí)，沒(méi)有葉圓片上浮，30000lx及以上的光照條件下，單位時(shí)間上浮的葉圓片數(shù)量不變。那么研究小組編寫的程序brightness應(yīng)做怎樣的修改以實(shí)現(xiàn)對(duì)光源不足的監(jiān)測(cè)？

（3）檢測(cè)到光照強(qiáng)度不足時(shí)，可以通過(guò)哪些方法解決這一問(wèn)題？在實(shí)施的過(guò)程中，是否會(huì)影響到植物生長(zhǎng)的其他因素？請(qǐng)舉例說(shuō)明。

本題首先結(jié)合溫室設(shè)施和環(huán)境來(lái)思考溫室種植方式有利和不利于植物光合作用的因素，再依據(jù)課本實(shí)驗(yàn)來(lái)設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)探究溫室種植需要的最低光照強(qiáng)度（如表1），鞏固并檢驗(yàn)了課堂學(xué)習(xí)效果。對(duì)測(cè)得的數(shù)據(jù)則通過(guò)對(duì)TI程序的改編（設(shè)置初始值Bright=800，循環(huán)條件為While bright>=800）達(dá)到監(jiān)測(cè)光照強(qiáng)度的目的，實(shí)現(xiàn)了對(duì)變量研究的現(xiàn)實(shí)應(yīng)用。最后進(jìn)一步思考了溫室設(shè)施的改進(jìn)，如補(bǔ)充人工照明、減少大棚塑料覆蓋等。區(qū)別于實(shí)驗(yàn)室單一變量的控制，實(shí)際溫室中光照強(qiáng)度的改變很可能引起其他影響因素的改變，因此作業(yè)設(shè)計(jì)中要求學(xué)生進(jìn)行更開放性的思考。

從STEM教學(xué)來(lái)看，前后兩題的作業(yè)設(shè)計(jì)結(jié)合光照強(qiáng)度改變這一因素，由解讀程序到改編程序，難度逐漸提高，凸顯了現(xiàn)代信息技術(shù)與生物技術(shù)融合在人工智能溫室上的實(shí)踐應(yīng)用，促進(jìn)了學(xué)生科學(xué)思維的發(fā)展;從作業(yè)鞏固和反饋的功能來(lái)說(shuō)，作業(yè)訓(xùn)練了學(xué)生的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)能力，在解決實(shí)際問(wèn)題中提升學(xué)生的科學(xué)探究能力。

三、實(shí)地調(diào)查實(shí)踐，體現(xiàn)學(xué)科價(jià)值

為進(jìn)一步了解光合作用原理在生產(chǎn)實(shí)踐上的應(yīng)用，感悟?qū)W科知識(shí)與生產(chǎn)實(shí)踐的緊密聯(lián)系以及對(duì)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的指導(dǎo)意義，布置了社會(huì)調(diào)查類作業(yè)如下：

搜索和了解當(dāng)?shù)氐臏厥曳N植園區(qū)并利用假期進(jìn)行考察，記錄一些與提高農(nóng)作物產(chǎn)量有關(guān)的溫室設(shè)施布置。針對(duì)溫室現(xiàn)狀嘗試提出一些可以提高農(nóng)作物產(chǎn)量的建議。

學(xué)生在實(shí)地考察時(shí)，考慮了光照、溫度、水分等條件對(duì)農(nóng)作物生產(chǎn)的影響。有的學(xué)生觀察到了溫室內(nèi)的人工照明系統(tǒng)，有的學(xué)生認(rèn)為溫室避風(fēng)向陽(yáng)的朝向有利于保溫采光，也有的學(xué)生記錄了種植園的水源和排水系統(tǒng)對(duì)灌溉和避免雨季積水的作用。他們也提到了本地大多數(shù)大棚設(shè)施比較簡(jiǎn)單，受氣候影響減產(chǎn)風(fēng)險(xiǎn)大的問(wèn)題，建議通過(guò)智能化系統(tǒng)控制和調(diào)節(jié)影響植物生長(zhǎng)的外界條件，提高光合作用速率。

綜上，本節(jié)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的作業(yè)設(shè)計(jì)不僅關(guān)注了學(xué)生是否掌握了知識(shí)要點(diǎn)和實(shí)驗(yàn)技能，還關(guān)注了學(xué)生能否運(yùn)用相關(guān)知識(shí)和技能解決實(shí)際問(wèn)題的能力。融合STEM教學(xué)的作業(yè)設(shè)計(jì)進(jìn)一步關(guān)注了學(xué)生的創(chuàng)新精神和實(shí)踐能力的培養(yǎng)，并在社會(huì)考察中關(guān)注了學(xué)生社會(huì)責(zé)任意識(shí)的培養(yǎng)，達(dá)到了學(xué)科育人的目的。[□][◢]

參考文獻(xiàn)：

[1]劉恩山，曹保義. 普通高中生物學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版）解讀[M]. 北京：高等教育出版社，2018：18-19.