從STS走向STSE和STEM的生命科學實驗

徐鹍 晁麗強

20世紀70年代，以科學（Science）、技術（Technology）和社會（Society）為核心的STS教育模式作為一種新的教育思維模式和價值觀逐漸興起，強調科學、技術和社會之間的關系，注重培養學生的科學素養，但忽視了環境教育。STSE教育模式是在STS教育模式的基礎上增加了環境教育（Environment），使科學、技術、社會和環境之間協調發展，其中還包括人文價值的教育，讓學生能夠樹立正確的科學發展觀，是促進社會可持續發展的重要途徑和方法。STEM教育是科學（Science）、技術（Technology）、工程（Engineering）和數學（Mathematics）的教育，通過復雜的學習環境來培養學生解決問題的能力。本文譯自美國中學生物核心教材“Biology Lab Manual B”（2010年由Pearson Education公司出版）中“觀察微生物的分解作用”的實驗，并與我國人教版“土壤微生物的分解作用”的實驗進行比較。

一、實驗譯文呈現

1. 引言

許多人開始將垃圾埋入自家花園。你可能認為這種做法會危及健康、產生異味和破壞花園環境。但是，如果能夠處理得當，這種做法將是安全、沒有異味和有利于植物生長的。這一切都歸功于有益菌（這需要一些動物的輔助，如蠕蟲），垃圾被分解后變成深色且富含營養的物質，稱為堆肥。該調查中，你將探索堆肥的形成過程。

2. 問題

垃圾如何變成堆肥？

3. 實驗前思考

閱讀整個研究步驟，和搭檔一起回答下列問題。

（1）為什么你會認為分解細菌需要空氣才能分解瓶中的物質？

（2）除了空氣，制作堆肥的細菌還需要什么？

（3）為什么你能推測產生異味的細菌的死亡是因為氧氣？

（4）如果瓶子里物質的溫度升高，你要告訴老師嗎？為什么？

（5）你認為瓶內物質的高度會隨著時間的改變而改變嗎？說明你的理由。

4. 實驗材料（每組）

2L干凈的塑料瓶、草屑、橡皮筋、小釘或圖釘、雜草和樹葉、塑料叉子、剪刀、生的蔬菜和果屑、泡沫托盤、表層土、150 mL燒杯、玻璃筆、紙、紗布。

5. 安全事項

實驗過程中，穿實驗服和帶護目鏡。使用剪刀時，避免割傷自己和他人。小心不要打碎玻璃容器。戴一次性塑料手套，實驗時與植物材料、土壤或堆肥接觸后，用肥皂洗手。注意實驗過程中所有的安全警告標志，回顧每種安全標志的含義。

6. 實驗步驟

（1）仔細的在塑料瓶上打孔，用剪刀剪掉塑料瓶的上端。如圖1所示。注意：小心操作。不斷打洞，獲得更多的洞。

（2）在塑料瓶側面垂直處瓶壁較薄的地方打孔。用剪刀沿該孔小心的剪斷瓶子頂部，如圖2所示。注意：小心使用鋒利的工具。

（3）在瓶身寫上組員姓名和日期。然后將瓶子放在泡沫盤子上。

（4）向瓶中放入1/3體積的草屑。加入100 mL的土壤和20 mL水。瓶中的材料潤而不濕。如果瓶中的材料還是很干，可以再加一些水。注意：處理植物時帶一次性塑料手套。小心不要打破玻璃儀器。

（5）用剪刀將紙片、樹葉、草、蔬菜和果屑等剪小，不超過1cm。將剪碎的材料放入瓶中到1/2體積處。

（6）用塑料叉攪拌瓶中的材料。如果有一些材料掉在泡沫托盤上，拿起瓶子，將泡沫托盤中的材料倒入瓶中，然后將泡沫托盤放回瓶底。

（7）在瓶壁外側做標記，標出瓶內材料的高度。用紗布封住瓶口，用橡皮筋固定紗布。將塑料瓶放在溫暖的地方。注意：離開實驗室前，將雙手清洗干凈。

（8）兩周后，觀察瓶中的材料。觸摸并感受塑料瓶的溫度是否變熱或者變冷。注意：如果塑料瓶摸著很熱，立即告訴老師。

（9）實驗觀察時，如果材料比較干，加一些水。每周用叉子攪拌實驗材料，同時在塑料瓶外壁標記材料的高度，并記錄。每次觀察后，用新紗布封住瓶口。注意：如果實驗材料產生像臭雞蛋或醋一樣的異味，每次觀察后攪拌實驗材料。

7. 分析和總結

（1）觀察：實驗過程中，材料是如何變化的？

（2）觀察：實驗過程中，瓶中材料的高度是如何變化的？

（3）觀察：瓶中材料完全分解需要多長時間？

（4）觀察：你的“成品”堆肥是什么樣的？

（5）推斷：瓶中的材料是如何改變的？

（6）推斷：一些分解菌需要氧氣（占你呼吸的空氣的21%）。另一些分解菌不需要氧氣，氧氣對其無害。其它一些微生物產生緩慢或被氧氣殺死。你能推斷分解菌和堆肥有什么樣的關系？

（7）推斷：如果用于制作堆肥的材料沒有定期攪拌，可能會產生異味。解釋為什么會出現這種情況。

（8）預測：如果塑料瓶和實驗材料經過消毒，請預測實驗結果如何，和你的實驗結果一樣嗎？

8. 實驗拓展

設計實驗證明光照、水分、溫度和空氣等因素對堆肥形成的影響。

二、實驗對比及評價

1. 實驗設計思路

該實驗強調學生對生活事件的觀察，通過探究活動，培養學生的基本技能，能夠更加深刻地理解科學的本質，注重培訓學生探究科學的方法、科學態度和培養創新的精神。

2. 人教版教材相關內容呈現

人教版《生物必修3·穩態與環境》第5章“生態系統及其穩定性”中安排了實驗“土壤微生物的分解作用”。實驗以土壤中存在細菌等微生物為背景，通過研究落葉在不同環境中的分解時間，反映土壤微生的分解能力。實驗以問題導入，讓學生根據已有的知識和經驗做出假設，并且設計實驗方案。教科書為學生提供了兩個參考案例，從不同角度證明了土壤微生物具有分解作用。

3. 中西合璧，揚長避短

兩種教科書的實驗設計各有所長。美國教材更注重培養學生觀察日常生活現象，提出問題，嘗試解決問題，在過程中不斷學習和體會科學的精神。由于學生自主探究，理論知識欠缺，可能會導致實驗耗時較長。人教版教材比較注重實驗原理和實驗操作，實驗理論方面比較扎實。該實驗耗時較長，也不是考試大綱要求的實驗，很多學校都將實驗課當作理論課，導致學生背實驗的現象屢見不鮮。因此，教師可以組織學生開展課外探究活動，通過多種手段、多種形式、多種評價，既讓學生體驗科學家的研究過程，又彌補了課時不足的缺陷，通過實驗教學培養學生科學素養。