融合STEM理念培養學生的科學探究能力
——以“正交試驗法探究泡菜最佳酸度”為例

張 利 王 威

（四川師范大學生命科學學院 四川成都 610101）

在《義務教育生物學課程標準（2011年版）》中，要求學生初步學會生物科學探究的一般方法，發展學生實施計劃、得出結論、表達和交流的科學探究能力和創新能力。但目前在實驗教學中，學生所探究的問題、實施的方案往往都是由教師規定的，并未實現“探究”。下面基于STEM理念，以“正交試驗法探究泡菜最佳酸度”實驗為例，提出中學階段的新方法——正交試驗法，引導學生面向真實問題，利用多學科知識解決實際困難，經歷完整的科學探究過程，最終實現科學探究能力的提高。

1 基于生活，創設情境

STEM教育理念強調把知識還原于生活，結合生活中真實、有趣的問題設計學習任務，通過學生的問題解決完成教學。泡菜在生活中非常常見，教師以大多數人關心的泡菜口感與泡菜安全作為導入，能夠很好地引起學生興趣。泡菜中含有的乳酸菌會產生乳酸，使泡菜具有酸味，酸度除了影響風味，還是衡量泡菜安全性的重要指標。泡菜發酵過程的有機酸既能抑制致病菌、腐敗菌的生長，又能降解雜菌引起的亞硝酸鹽，因此，提高泡菜酸度能增加泡菜的安全性。那么，在家庭新制泡菜的過程中，泡菜的酸度應該控制在哪個水平才既能保證良好的風味，又能保證泡菜的安全呢？有哪些因素能引起酸度發生變化呢？各個因素保持在什么水平狀態下能夠使泡菜酸度保持在最佳水平呢？

2 明確目標，提出任務

學生在中學階段未接觸過正交試驗法，并且實驗中涉及到跨學科的知識與原理。因此，制定明確的任務目標，可以減少學生探究過程中的盲目性。根據試驗進程，設計任務目標如下：

（1）認識泡菜的制作原理、酸味的產生過程及正交試驗。

（2）掌握泡菜酸度的定量檢測方式。

（3）通過文獻查閱和單因素實驗確定影響新制泡菜酸度的主要因素及各因素最佳水平。

（4）通過正交實驗，找出對新制泡菜酸度影響程度更高的單因素，找出各因素相互搭配的最佳水平配方，優化泡菜方案。

3 提供資料，問題驅動

問題驅動、持續探究、指向核心知識等是STEM教育理念的重要特征，這使得它具有很強的系統性。所以在探究活動前期，教師需要給學生提供優質材料及問題引導。教師所給的資料及問題需要基于課標，圍繞主題；便于交流討論，體現問題驅動；過程突出，體現工程思維。

本探究實驗需要學生認識泡菜的制作原理、酸味的產生過程、酸度的檢測方法以及正交試驗，所以教師給出的資料包括乳酸菌簡介、泡菜制作原理——乳酸菌發酵、泡菜酸度、酸堿滴定法、正交試驗法。

教師拋出的問題必須方向明確，重點突出：

（1）對于人體而言，攝入食物的pH安全且適宜的范圍是多少？泡菜中的pH與酸度分別指什么？

（2）泡菜酸味產生的原因和機制是什么？有哪些主要因素在影響新制泡菜的酸度？并梳理出每個主要因素可能的水平情況。

（3）怎樣測定泡菜的酸度？

（4）正交試驗法的原理是什么?它有哪些優勢?

正交試驗探究的是多因素多水平的影響。通過本環節，學生已經確定了想要探究的影響泡菜酸度的各種因素。如何確定各個因素的水平梯度呢？

4 設計單因素實驗，確定水平梯度，探究單因素的最佳水平

工業泡菜中，一般是向泡菜中添加占總質量6%的鹽類，放在20℃條件下發酵5 d，泡菜即可成熟。教師向學生提供工業泡菜制作條件，引導學生設置各單因素合適的水平梯度，設計并完成單因素實驗，找出泡菜酸度最適宜時的各單因素的最佳水平。以含鹽量對泡菜酸度的影響為例，向學生提供實驗設計參考，降低實驗開放水平，避免難度過大。方法步驟：（1）設置泡菜的含鹽量分別為3%、6%、9%，每種含鹽量設置3個平行組：取9口相同的處理好的泡菜壇子分別編號為Y1、Y2、Y3，W1、W2、W3，S1、S2、S3。

（2）每壇中分別倒入1 kg涼開水，放入白蘿卜0.5 kg。添加的涼開水與白蘿卜的量可根據實際情況決定。

（3）Y1、Y2、Y3分別加入質量分數為3%的泡菜鹽，W1、W2、W3分別加入質量分數為6%的泡菜鹽，S1、S2、S3分別加入質量分數為9%的泡菜鹽，放入20℃的恒溫箱中，5 d后測量蘿卜的酸度，記錄結果（表1）。

表1 不同含鹽量影響下的泡菜酸度數據表

在本環節，學生確定了各單因素的水平梯度，找出了泡菜酸度最適宜時的各單因素的最佳水平，并且初步嘗試了泡菜酸度的檢測方法，完成了正交試驗前的技術鋪墊。

5 根據因素與水平，完成正交試驗

教師提出問題：如何確定哪個單因素對泡菜酸度的影響程度更高？各個單因素的最佳水平組合在一起，是否就是制作泡菜的最優配方呢？如何找出各因素水平相互搭配的最佳方案？教師以問題導入，進入正交試驗環節，既引起學生的興趣與思考，也點明本環節的核心任務。

5.1 確定正交表

正交試驗需要一個至關重要的工具——正交表。正交表的表名以Ln（mk）表示，表現為k列n行的矩陣，有k個因素，每個因素都分為m個水平，n表示組合試驗的方案的個數。

5.1.1 明確因素水平梯度

以泡制時間、含鹽量、溫度3個因素，每個因素3個水平為例，設計因素水平梯度表，見表2。

表2 因素水平梯度表

5.1.2 選擇正交表

由n=k*（m-1）+1計算可知，n=7。查表可知，沒有n=7的正交表，根據選表的原則，應該找出滿足試驗次數大于n、水平數大于等于m、因素數大于等于k的正交表。所以選擇L9（34）正交表（表3）。

表3 L9（34）正交表

5.1.3 完善正交表

選擇出的最適正交表是3因素3水平，因此，整理時應刪除1列因素，并將表2中的因素水平梯度對應到表3中，見表4。

表4 影響泡菜酸度的正交表示例

5.2 進行試驗，處理實驗結果

實驗設置共10組，包括正交表中的9組試驗，以及第十組——單因素實驗確定的各個單因素最佳水平的組合。教師引導學生分組實驗，各小組根據實驗方案進行實驗操作，記錄實驗數據，處理實驗結果。

5.2.1 推斷泡菜酸度變化規律

根據數據，推斷泡菜酸度的變化規律。

5.2.2 計算分析正交試驗結果，選取優化方案

把每個因素同水平的三個方案酸度值相加，分別得到K1、K2、K3，例如時間的K1=X1+X2+X3。再分別計算出各自的算術平均值，記為K1、K2、K3。例如K1=K1/3。將計算結果分別對應記在時間、鹽量、溫度這三個因素的下方。

各因素的K最大值減去最小值，計算各因素的極差R。根據極差越大的因素重要程度越高確定各因素的主次程序，分析得出最佳方案。

5.2.3 驗證試驗，確定正交試驗的最佳方案

正交試驗推算出的最佳方案，若與正交試驗的9組方案都不相同，那么需要將推算出的最佳方案和正交表中最佳方案各做一次實驗，根據實際效果確定最佳方案。

5.2.4 對比正交試驗的最佳方案與第十組方案，得出結論

最后通過對比正交試驗的最佳方案與第十組方案的泡菜酸度，學生可直觀感受各個單因素的最佳水平組合在一起，不一定就是制作泡菜的最優配方，即在多因素多水平的相互作用下，變量之間會相互影響，產生不同的實驗效果。

6 教學效果

STEM的主體主要為異質學生，客體為不同學科課程，構成要素還包括促進不同學科知識整合與創新的規則、面向項目式學習的協作分工和開放共享的混合式學習環境。

本案例主要將生物與化學知識相融合，利用化學方法解決生物問題，運用正交實驗法，滲透統計學原理，體現了STEM強調的跨學科性，增加了知識的廣度。學生在實際探究中能夠深刻認識到探究的過程性，根據任務提示從提煉關鍵知識，到探究單因素最佳水平、選擇正交表，最后進行試驗，循序漸進，體現出“工程”的程序性，訓練了背景研究、設計實驗的一般探究能力。學生根據給出的案例合作配合，設計各自的實驗方案，在開放的探究活動中增強協作意識，學會探究實驗的一般方法，提高實驗設計能力。STEM理念與科學探究相融合，能夠更好地體現實驗的過程性，更有效地發揮實驗開放性與探究性的作用，是提高學生探究能力的有效途徑。