STEM理念在高中生物學建模教學中的應用

楊建新

摘 要 以2019人教版高中生物學必修1 中的“影響酶活性的條件”為例，構建酶活性受溫度和 pH 影響的數學模型，在STEM視角下開展探究活動，以期培養學生的創新思維和科學實踐能力，提升學生的學科核心素養。

關鍵詞 STEM 建模教學??項目式學習 ?酶活性 ?科學探究

中圖分類號 G633.91 ?文獻標志碼 B

STEM 是指科學、技術和工程、數學等多學科融合，以項目形式進行學習的一種全新教學理念。高中生物學教學中將 STEM界定為基于已有的 STEM 相關領域的學科（生物學），有機嵌入一至多門其他 STEM 相關學科（科學、技術、工程、數學中的任意一門或多門），以培養學生綜合運用各科知識的能力與素養的教育理念。由于其綜合性強，教師多采取“課內滲透，課外延伸”的項目式學習形式。

“建模教學”最初由亞利桑那州立大學理論物理學家 Hestenes 創立，當時主要應用于物理學科，隨著多年研究的深入，實踐與研究證明建模教學不僅可以幫助學習者深入領悟核心問題，還能提升學習者自主學習能力。建模教學與STEM 的教育理念存在一致性，從教育目標來看，建模教學與STEM都是將學生塑造成創新型人才;從教育方法來看，建模教學與STEM均提倡情境參與式、實踐體驗式教學（圖1）。2019年人教版高中生物學教材，有著豐富的建模資源可以融入STEM 理念，以培養學生的學科核心素養和綜合素質。下文以《必修1·分子與細胞》中“影響酶活性的條件”為例，闡述在高中生物建模教學中如何融入STEM理念。

1 “影響酶活性的條件”的教學分析

“影響酶活性的條件”是《必修1·分子與細胞》第五章第一節“降低化學反應活化能的酶”中的第三個探究實踐活動，本節是在學習“酶的作用和本質”“酶 ?的高效性和專一性”等相關知識的基礎上進行的，也 ?是進一步學習“細胞呼吸”和“光合作用”等細胞代謝 ?知識、理解基因對生物性狀的控制等重要概念的基 ?礎，具有承上啟下的作用?！镀胀ǜ咧猩飳W課程標準 ?（2017年版）》（以下簡稱《課程標準》）關于本節的內容 ?要求是“說明酶活性受到環境因素（如pH 和溫度等） 的影響”。本節課通過探究實驗“影響酶活性的條件”來闡述“酶的作用條件較溫和”這個概念，要求學生進 ?行有關實驗和探究，學會調控自變量，觀察和檢測因 ?變量的變化，設計實驗以及設置對照組和重復試驗。此探究實踐活動以融入STEM元素并構建數學模型來 ?理解概念，由于容量大、能力要求高，采用“課內滲透，課外延伸”的項目式學習來進行教學。

2 ?融入STEM理念的模型建構項目式學習設計

建模教學就是模型建構。模型建構是一種重要的科學探究活動，是科學家們獲得科學理解、解釋科學現象的重要手段。高中生物學學習中的模型建構是對已有生物模型的“再建構”，是對生物學家模型建構的高度模仿，要求抓住生物學家模型建構的關鍵思路、關鍵過程和關鍵環節，簡約地經歷類似于科學家建構模型的過程。學生探究酶活性受溫度和pH 的影響，通過實驗數據（原型），對直接觀測到的原型進行歸納和抽象，構建基于原型的數學模型，實現了生物學現象數學化，并在設計過程中運用技術（實驗器材的改進）和工程（探究方案的設計），體現了STEM教學理念。

2.1 基于問題情境，提出研究問題

教師創設問題情境，使學生有切身的體會，更容易理解知識點，從而提出有價值的研究問題：為什么殘留在牙縫里的食物殘渣多數都是肉絲，而不是米飯？在體外也是如此嗎？有哪些影響因素？口腔中的唾液淀粉酶具有專一性，但學生進行實驗操作時，因為要控制溫度和pH等無關變量，所以未必能得到準確的實驗結果。接著，教師追問：發燒時，人體有什么感受？口腔溫度和體溫差不多，而當口腔中的唾液淀粉酶進入胃以后卻不能催化淀粉水解了，為什么？根據展示的生活情境，學生展開積極的討論，提出的問題主要包括：①高燒時沒有胃口，推測高燒使體溫升高，從而影響到消化酶的作用，導致沒有食欲，進而推測酶活性在作用過程中與溫度變化有關。②唾液的pH和胃液的pH差異很大，唾液淀粉酶在胃中失去作用的原因可能是因為環境的pH改變，導致唾液淀粉酶的活性發生改變，進而推測酶活性的大小與pH有關。

2.2 根據研究課題，設計探究方案

從學生提出的問題中，教師確立研究課題為：①?酶活性受溫度的影響;②酶活性受pH 的影響。隨后，學生展開分組討論設計探究方案，探究方案要呈現以下內容：①?探究目的;②?實驗原理;③?實驗材料和器具;④?實驗步驟;⑤?數據記錄（原型）;⑥?分析處理數據（數據原型圖像化）;⑦注意事項（調控自變量、觀測因變量、控制無關變量）。學生討論、得出初步的實驗設計：選取淀粉酶、淀粉溶液，用碘液檢驗在沸水、50℃溫水和冰水中淀粉酶對淀粉的分解情況;選 取肝臟研磨液、過氧化氫溶液，分別檢驗二者在加入 HCl、蒸餾水和 NaOH 這三種不同酸堿度的溶液后產生氣泡的情況。此設計與學生能力是切合的，但尚未達到預定的教學目標。為達成目標，教師需要設計問題串幫助學生進一步探究：①為什么用淀粉酶探究溫度對酶活性的影響，用過氧化氫酶探究pH對酶活性的影響？②?自變量、因變量和無關變量是什么？預期結果怎樣？③?怎樣排除無關變量的干擾？④?只有三種溫度和三種pH合適嗎？⑤?只做一次實驗可行嗎？⑥?同學們的設計中因變量只能觀察不能觀測，如何改進？這樣一系列的問題能夠幫助學生掌握探究實驗的基本方法;最后一問更進一步把學生初步設計的定性實驗升級成定量實驗，有效引導了學生的思維發展。在思考如何定量檢測的過程中，學生逆向思考出可以通過測量檢測不到淀粉的時間來衡量酶活性，從而有效解決酶活性受溫度影響的定量問題。學生聯系生活實際，提出了使用注射器等有刻度的器材來解決酶活性受pH影響的定量問題。

2.3 實施探究活動，構建數學模型

根據教師提供的材料和器材，學生討論、修正、再討論，對實驗選材和實驗方法進行了改進，如用土豆研磨液代替肝臟研磨液（腥臭且很難研磨），用注射器代替試管（定量），用濾紙片（操作方便）。

酶活性受溫度影響的改進后方案：①?分組：設置0℃～100℃之間多個溫度梯度進行催化反應。②記錄反應時間：從反應開始，每隔1 min從每個反應管中吸取一滴反應液用碘液檢測淀粉的有無，在表1 中記錄反應液中檢測不到淀粉所需的時間（數據原型）。③?構建數學模型：根據數據原型繪制出溫度對淀粉酶活性影響的曲線（數據原型圖像化）。

酶活性受 pH 的影響改進后方案：①?分組：設置 pH 為1～13之間多個等梯度緩沖液進行催化反應。②?將每組土豆研磨液和不同pH緩沖液混合后浸泡相同面積濾紙片。③取兩個50 mL注射器，一個吸取2 mL 的過氧化氫溶液，另一個裝一片浸過混合液的濾紙片（無空氣）。④?將兩個注射器用膠管連接。⑤將 過氧化氫溶液全部推入另一注射器。⑥利用注射器的刻度對生成氧氣的體積進行定量測量，在表2中記錄實驗數據（數據原型）。⑦?構建數學模型：根據數據原型繪制出pH對過氧化氫酶活性影響的曲線（數據原型圖像化）。

2.4 模型檢驗修正，對比延伸拓展

學生通過比較實驗結果，發現兩條曲線差異很大（圖2、圖3），且溫度曲線與教材完全不同。通過對分析構建的模型，學生發現對淀粉酶活性的計算有誤，應以反應液中檢測不到淀粉所需時間的倒數作為酶活性高低的檢測指標，并據此對記錄表和曲線模型進行修正，見表3。

教師將修正后的曲線模型（圖4）與教材比較，并提出問題：①?描述兩曲線的共同點和不同點。②在低溫、高溫和過酸、過堿條件下，酶活性較低的原因是什么？③?比較自己繪制的曲線模型和教材中的曲線，有什么異同？④?你還能列舉影響酶活性的其他因素嗎？學生通過比較、歸納、總結，意識到自己繪制的是數學模型原型，而教材展示的是原型模式化，是具有代表性、適切性的數學模型。

3 ?結語

《課程標準》中明確要求“教學過程重實踐”“通過探究加深對生物學概念的理解”“能夠基于生物學事實和證據運用歸納與概括、演繹與推理、模型與建模、批判性思維、創造性思維等方法”。本項目式學習設計融入了STEM理念進行模型構建，使學生以“創設情境→提出問題→設計方案→修正方案→實施構建→檢驗修正→理解模型”的思路進行學習，采用“課內滲透，課外延伸”的方法。由于問題情境來源于生活，且階梯式設問與學生能力適切，提高了學生的學習熱情和探究熱情，使學生在課外主動延伸學習，有效培養了學生的多學科綜合能力、科學思維和科學探究能力。在探究過程中，根據教師提供的材料和器材，在教師的引導下，學生改進了實驗，培養了創新的意識，體會了成功的喜悅。這種教學模式對教師也提出了更高的要求，在問題的收集和探究活動的組織上，都需要精心篩選和設計。