陳能訓(xùn) 羅福海 李樸
STEM理念在培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)、技術(shù)、工程、數(shù)學(xué)以及跨學(xué)科融合中發(fā)揮著重要作用。在生物教學(xué)中融入STEM理念,能使學(xué)生感受到生物學(xué)與科學(xué)發(fā)展、技術(shù)革新密切相關(guān),并在潛移默化中提升學(xué)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(xué)應(yīng)結(jié)合學(xué)科特點,發(fā)展跨學(xué)科融合的實驗教學(xué)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(xué)實踐,探索課堂教學(xué)新模式,思考教學(xué)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(xué)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(xué)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(dǎo)致細胞充水不足,葉片不易下沉,或水分過多導(dǎo)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(xué)目標
多學(xué)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(xué)模型,提高數(shù)學(xué)素養(yǎng)。該實驗涉及的STEM教學(xué)目標見表1。
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。
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。
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。
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。
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。
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(xué)目標,準備學(xué)習(xí)資源和實驗材料,運用技術(shù)分析和工程設(shè)計組織教學(xué),使學(xué)生將合作學(xué)習(xí)、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。