融入STEM 教育理念的生物學專題復習教學
——以“光合作用與細胞呼吸實驗探究”復習為例

陸曉燕

（古田第一中學，福建 寧德 352200）

STEM 教育是融合科學與數學知識，以先進技術及工程思維解決現實世界問題的教育模式。生物學是自然科學領域的重要學科之一，它在微觀和宏觀方面的迅猛發展，得益于數學研究，更離不開信息技術、工程技術的支持。［1］筆者嘗試在高三生物學專題復習教學中融入STEM 理念，圍繞某一核心知識，以問題情境引導學生理解與運用生物學必備知識，形成系統學、工程學思維，同時提升探究與實踐能力，旨在提高復習教學的有效性與針對性。現以“光合作用與細胞呼吸實驗探究”專題復習為例，探討生物學專題復習教學策略。

一、闡釋專題復習設計思路

“光合作用”與“細胞呼吸”是高中生物學“分子與細胞”模塊的重要內容，是生物學大概念“細胞的生存需要能量和營養物質”涉及的主要生理過程，其是細胞代謝中最核心的物質和能量變化過程。為更好地將STEM 理念融入生物學復習教學，幫助學生學會整合多學科知識，提升解決實際問題所要掌握的技術素養，以及為解決問題或完成項目而應具備的工程素養［2］，根據《普通高中生物學課程標準（2017 年版）》（下文簡稱“課程標準”）要求，“光合作用與細胞呼吸實驗探究”專題復習教學設計思路是：以生物學高考試題及實驗裝置創設系列問題情境，引導學生應用光合作用和細胞呼吸等核心知識，分析實例、設計與實施實驗方案，促進學生聚焦生命觀念，復習、重構相關概念及重要概念，提升科學思維及科學探究能力，發展生物學學科核心素養，實現二輪復習目標。

二、制訂專題復習目標

根據課程標準的內容要求、學業質量水平、教學建議及具體學情，制訂“光合作用與細胞呼吸實驗探究”專題復習目標。

第一，通過分析有關生產實例，闡明提高農作物產量的具體措施，如延長光照時間、提高CO2濃度、增大晝夜溫差等，從而厘清光合作用與細胞呼吸在物質、能量方面的關聯，形成結構與功能觀、物質與能量觀等生命觀念。第二，通過設計實驗方案，能熟練寫出實驗思路并預期實驗結果及實驗結論。能根據所提供的生物材料和實驗器材，篩選所需用具進行實驗裝置的組裝，并進一步完善實驗。學會建構物理模型的方法，發展分析問題、解決問題能力及創造性思維能力。第三，通過有關資料的閱讀，能運用所學的生物學知識和方法，對生產生活中的有關問題作出理性的判斷和解釋，增強尊重科學、理智運用科學成果提高人類生活質量的社會責任意識與擔當。

三、實施專題復習教學

（一）聚焦生產情境，導入專題復習

基于建構主義學習理論的STEM 教育強調：在真實的情境下，綜合應用多學科知識解決實際問題。在這一過程中，新情境中的新問題有助于學習者在原有的知識經驗基礎上建構知識。［3］利用生產實例導入教學，激發學生的復習興趣，并創設系列問題情境，使得模糊的概念清晰化、零碎的知識系統化，提高復習效率。

首先，介紹中國蔬菜之鄉“山東壽光蔬菜大棚”的發展史：以往在寒冬臘月，當地瓜農為提高黃瓜產量，并使之早日上市，應用日夜燃燒煤球爐的方法為蔬菜大棚供暖。現在，應用高科技的智能綜合管理系統及有關先進設施，促進蔬菜快速生長，實現增產增效。以此創設系列問題：①以往瓜農的措施科學嗎？你會選擇哪種方法？并闡述理由。②請分析智能放風機、LED 補光燈、地下地熱管道等設施是如何促進蔬菜產量的提升？③造成光合作用和細胞呼吸強度發生改變的環境因素有哪些？生產實踐上提高農作物產量的具體措施有哪些？

圍繞上述問題，引導學生復習有關光合作用與呼吸作用知識：第一，影響光合作用的環境因素有光照、溫度、CO2濃度、礦質元素等。第二，LED 補光燈的適時利用，既能補充植物所需光照，又能延長光照時間，有利于植物體內有機物的合成。冬季大棚中地熱管道增溫，能提高土壤溫度，促進根部細胞的有氧呼吸，有利于植物對土壤中礦質元素的吸收。不同種類的礦質元素與光合色素、ATP、NADPH 的形成皆存在密切關系，影響光合作用過程。智能綜合管理的通風措施，既能保證蔬菜大棚中CO2的供應，又能增大晝夜溫差，使得植物體內有機物的積累量增大，植物生長加快、產量提高。復習這些核心知識，為開展課堂復習教學活動奠定知識基礎。

（二）開展科學探究活動，助力技術工程素養提升

為了提升學生的實驗設計能力，發展技術工程素養，以高考試題及實驗裝置創設問題情境，組織學生開展科學探究活動，充分彰顯高中生物學課程的理科屬性，培養學生的科學思維能力與科學探究能力。

首先，以生物學高考2016 年課標II 第31 題為例，引導學生分析該實驗的自變量與因變量，了解該實驗是定性分析光合作用和呼吸作用的關系。為了定量分析光合作用和呼吸作用關系，利用有色液滴移動實驗裝置（圖1），引導學生小組討論：圖1 裝置中若加入不同的實驗材料和試劑可以開展哪些探究實驗？經過討論、相互補充，學生總結：可以利用該裝置開展光合速率及呼吸速率測定、探究呼吸方式及呼吸底物、CO2濃度對光合速率的影響、光照強度對光合速率的影響、溫度對光合速率影響等一系列探究實驗。

圖1 有色液滴移動實驗裝置

以生物學高考試題及實驗裝置創設問題情境，引導學生走出死記硬背知識的誤區，促進學生理解與應用有關光合作用、細胞呼吸等核心知識，正確認識這兩核心知識之間的內在聯系，為復習提供思維與探究支架。

接著，進一步創設問題情境：

某學習小組為探究不同光照強度對黑藻光合作用的影響，將生長發育狀況良好的黑藻分別裝入6 個含等量1%NaHCO3 溶液的錐形瓶中，并連接U 型管（管中裝入一定量的水），用不同瓦數的LED 光源進行實驗，得到下列結果（表1）［4］

表1 不同光照強度對黑藻光合作用的影響

①分析表1 數據，說出U 型管液面高度的變化代表什么含義？闡明黑藻光合作用強度變化與光照強度變化的關系？

②若將上述材料放在圖2 所示的裝置中，用同樣梯度的LED 光源進行實驗，則紅色液滴該如何移動？若在單位時間內測得紅色液滴向右移動的距離，它表示的是真光合速率還是凈光合速率？兩者的關系如何表述？

圖2 凈光合速率測定裝置

③若要進一步研究CO2濃度對黑藻光合速率的影響，應如何設計實驗？請說出設計思路并預測實驗結果。

④為探究NaHCO3 濃度（即CO2濃度）對光合作用的影響，該實驗小組用圖2 實驗裝置進行相關實驗，實驗結果如圖3。當NaHCO3 溶液濃度超過一定值后，黑藻的光合速率為什么反而下降？請說明理由。

圖3 不同濃度NaHCO3溶液對黑藻光合速率的影響

⑤該小組利用圖2 裝置深入探究細胞呼吸的方式，實驗室提供萌發的種子、盆栽幼苗、1%NaHCO3溶液、1%NaOH 溶液、蒸餾水及多套有色液滴移動裝置。請大家從中選擇合適材料和試劑，設計正確的實驗裝置,幫助他們完成任務（要求：由各小組代表上臺演示小組實驗裝置并說明設計思路）。

通過系列探究活動，引導學生逐步深入地探究光照強度、CO2濃度影響黑藻光合速率等相關問題，學會合理選擇實驗材料，明確對照裝置中分別選擇NaOH溶液和蒸餾水的生物學意義；正確辨析真正光合速率、凈光合速率和細胞呼吸速率的關系等重要概念；結合數學相關知識，靈活運用實驗裝置圖、數據表格圖及坐標曲線圖等表達對有關生物學規律的認識。同時，指導學生小組合作設計、評價與修正實驗裝置，促進學生探究萌發種子的呼吸方式及其所消耗的底物等，正確認識呼吸熵概念。布置學生課后繼續完成不同溫度、不同光質等因素對光合速率影響的相關實驗設計，建構光合作用與呼吸作用知識網絡圖。

（三）應用數字化實驗，提升復習教學效果

根據課程標準在“實施建議”提出的要求“進行生物學實驗教學，要同時重視定性實驗和定量實驗，要讓學生在量的變化中了解事物的本質，給學生提供機會學習不同的測量方法”。［1］指導生物學課外興趣小組利用數字化實驗系統完成有關光合作用與細胞呼吸探究實驗，鼓勵學生利用課外時間到數字化實驗室親身體驗新技術新工具的應用。

課堂復習教學時，指導學生思考：有色液滴實驗裝置雖然可以通過液滴移動來測定光合作用和呼吸作用過程中O2或CO2量的變化情況，但所需時間較長，數據變化不夠精確，大家是否有更好的方法？并介紹學校數字化實驗室配備情況及數字化實驗系統的操作步驟，幫助學生了解數字化實驗系統具有快速、直觀、量化、智能化等優點，有助于迅速、準確地以曲線、圖表等直觀形式呈現實驗結果。［5］同時，讓學生明白數字化實驗系統中的數據采集器可以連接多個傳感器，這意味著測定環境因素對光合速率的影響時，可同時連接光照、溫度、O2等傳感器，以獲得多因子變量對光合速率影響的曲線圖。進一步引導學生遷移應用上述知識：溫室栽培農作物時，白天要適當提高溫度，同時增加CO2濃度，以提高光合速率；溫度適宜時，也可適當增加光照強度和CO2濃度來提高光合速率。這樣才能真正做到應用所學的生物學思想、知識和方法，合理地解釋生產生活中有關問題。并讓學生領悟生物科學的發展和技術領域的革新是密不可分的，每一次技術方法的進步，都為相關研究領域的突破帶來新的契機，并有助于中學生物學教學改革。促進學生關注生物科學領域的發展及生物學社會熱點問題，增強學生的社會責任感。

“光合作用與細胞呼吸實驗探究”專題復習融合STEM 教育理念，以生產實例創設情境，以高考試題及實驗裝置為線索，設計系列探究活動，幫助學生在解決問題的過程中，查缺補漏，深入地理解、靈活地應用光合作用及細胞呼吸等核心知識，學會多角度地思考問題，以及生物學探究實驗設計方法，提高獲取信息能力、科學思維能力及科學探究能力，發展核心素養。