基于STEM的“生活污水處理工程”生物學活動設計

王 妍 李建宏

(1 南京師范大學教師教育學院 南京 210009； 2 南京師范大學生命科學學院 南京 210046)

我國在高中生物學課程中設置了“生物技術與生物技術實踐”的選修模塊，選修模塊的設置也體現出對科學技術的重視。所以，進一步開設STEM課程或進行STEM活動，可將科學、技術、工程和數學更有效地結合。而且高中生物學教材中設置的實驗活動較少，對學生的探究能力要求也偏低。所以STEM課程或STEM活動的設置更有利于學生的全面發展，而且可以加強學科之間的聯系[1，2]。

為了契合STEM教育理念，需要整個活動基于工程設計展開，在完成一項工程的過程中，提高學生科學探究的核心素養。生物學科與人們的生活息息相關，所以對于STEM活動的選擇，既要貼近人們的生活，又要能引起學生的興趣。因此，本文選擇了“污水處理工程”這個主題進行活動設計。污水處理的技術較多，希望能夠運用生物學的方法經濟有效地去除水體中的氮磷。在水體的自然凈化中，人們意識到藻類的巨大作用。藻細胞微小，適應性強，而且分布廣，能利用多種氮源和磷源[3]。但是一般的懸浮藻在處理污水時，難以回收容易造成水體的二次污染。所以，采用固定化微生物技術，將藻細胞固定形成固定化藻系統，解決了懸浮藻處理的缺陷[4]。表1所列為該主題與STEM各方面相關的部分知識內容。通過該活動的實踐，不但可增強學生的環保意識，而且對于學生將來從事的職業多一種選擇，為環境保護盡一份自己的力量。

表1 與STEM相關“污水處理工程”學習內容的部分知識

1 活動開展的背景知識介紹

教師首先向學生展示開展活動的相關背景知識： (1)生物氧化塘： 是一種利用天然凈化能力對污水進行處理的構筑物的總稱。利用藻類和細菌等生物之間的協同作用連續處理污水的生物循環過程。好氧菌能將有機物氧化為CO2和水，將含氮有機物進行氨化，然后硝化，生成氨氮、亞硝酸鹽和硝酸鹽，將含磷化合物降解為正磷酸鹽；藻類能利用多種無機和有機氮化合物、磷等用于生長，能利用CO2和水合成糖類并釋放氧氣，并且還能去除重金屬等有毒物質，對污水處理有很好的作用。細菌代謝的物質被藻類吸收轉化，藻類釋會隨水進入下一個塘，如何解決這個問題？②有些實驗方案是用藻進行污水處理，有些是用菌進行處理，與前兩種相比，菌藻共生的處理方案好在哪里？其處理的效果是否也比前兩種好呢？請各學生小組設計實驗進行驗證。

隨后請學生思考： ①排水時，好氧塘中的藻和菌量的藻種于滅菌過的培養基中，混勻，在溫度25±1℃，光強2000～4000Lx，連續光照的條件下培養，每天定時搖動2次。

2 實驗方法與步驟

師生經過思考討論，最終形成實驗方案。

2.1 模擬有機污水 生活污水含有大量有機物，氮、磷含量高，所以在實驗室中可以配制類似的生活污水。具體組成如下： 葡萄糖1713mg/L、尿素300mg/L、碳酸銨217mg/L、磷酸二氫鉀175.5mg/L、氯化鈣23.4mg/L、硫酸鎂90mg/L、硫酸亞鐵2.2mg/L。

2.2 藻類的培養 配制培養基(BG-11)，并分裝在若干個三角瓶中，三角瓶瓶口塞上棉塞并用報紙包扎，然后高壓蒸汽滅菌。在無菌條件下用移液槍接種一定放的氧氣以及產生的能量為細菌所利用。氧化池(好氧塘)深度一般為0.3～0.5m。陽光可以直接射透到塘底，塘內存在著細菌、原生動物和藻類，由藻類的光合作用和風力攪動提供溶解氧，好氧微生物對有機物進行降解。(2)固定化技術： ①包埋法。將酶或細胞包埋在固化的載體中。例如，聚丙烯酰胺凝膠等高分子凝膠或硝酸纖維素等半透性高分子膜，這種結構可以防止細胞或酶滲漏，允許底物和產物擴散；②吸附法。微生物細胞通過自然附著力。例如，物理吸附、離子結合等方式，固定在載體表面；③交聯法。使用雙功能或多功能試劑，直接與細胞表面的反應基團如氨基、羧基等等進行交聯，形成共價鍵來固定細胞。

當藻類生長到對數生長期時，即可進行實驗。關于確定藻的生物量的方法： ①血球計數板計數法；②光密度法(分光光度計測OD值)。

2.3 海藻酸鈉鈣膠球 包埋法固定化藻菌，將懸浮的細胞與海藻酸鈉按一定的比例混合。把混合物導入針管中，在一定的高度，按一定的速度，逐滴滴入固定液CaCl2中，此時Na+與Ca2+發生交換，交聯一段時間，形成穩定的海藻酸鈉鈣膠球。

3 實驗結果分析及評價反饋

學生自行設計實驗結果記錄表，并寫一份實驗報告。課后查閱資料，了解并嘗試設計污水處理池。

評價指南： 見表2。

表2 模擬生活污水處理工程活動評價表

(填寫說明： 請真實填寫該評價表，按照評價內容與自己的實際情況填寫，不符合～符合之間的分值是0～5，即0代表完全不符合，5代表完全符合)

4 活動反思

從上面的污水處理工程的活動設計中可看出，學生學習了微生物的呼吸作用方式、藻的光合作用、呼吸作用與光合作用的聯系、固定化菌藻細胞等知識，這體現了STEM中的S(科學)；在制作裝置的過程中，涉及了污水處理技術、固定化技術和數據處理技術等，這體現了T(技術)；制作藻類的生長曲線圖、污水處理池制作時的相關長寬高的設定等，這體現了M(數學)；在活動實施的過程中，學生發現問題、設計解決問題的實驗方案、談論修改實施方案以及最后應用并完善方案，整個過程體現了E(工程)。結合該課程的學習，可帶領學生去污水處理工廠參觀，切身感受實際工廠的處理過程，讓學生更加深入地了解污水處理的過程以及相關原理，對自己制作的污水處理裝置可提出更好的改進方案。

每節活動課都設置了評價標準，要注重學生的過程性評價，并將學生的自我評價和他人評價結合起來，可使學生逐步把握正確的學習方式，樹立正確的學習動機。對于教師來說，能及時發現學生的問題，得到相關教學反饋，有利于教師進行教學方法及教學過程的改進。