基于STEM理念下的實驗教學實踐

尚俊 葉克姣

1. 活動目的

STEM是一個整合學科的概念，其中涉及科學、科技、工程、數學。不少國家多年前也大力推廣STEM教學的成效及意義。而有效落實及推廣完善STEM教學活動設計顯得尤為重要，本文通過影響酶活性的因素探究實驗教學，設計STEM教學設計，為其他相關教育教學設計活動提供參考，推動STEM教育的宗旨和目標。強化科學科技、數學教育，為學校教育教學積累更多的實踐經驗。

2. STEM是什么

STEM教育的主要目的不是將學生裝備成科學家、技術員工程師及數學家，而是為了使所有學生都能夠在這瞬息萬變的世界，有效發展及發揮作用，培養及提升STEM素養。STEM素養整合了科學素養、科技素養、工程素養、數學素養這四個相互關聯的內容，但STEM素養沒有設定的閾值，即是說其素養可以按照個人的生活一生持續發展。提高自己的能力和技能，不斷改善自己STEM領域的知識。STEM不是四個獨立的功能，而是強調更好地了解科學、科技、工程、數學的相互聯系和重疊的能力，并學會運用這些知識來回答問題和解決問題，因此作為教師需要不斷提升STEM教育知識水平。

3. 活動內容及過程

3.1 活動過程設計理念

生命活動離不開酶，人教版高中生物必修一第五章第一節介紹了酶。作為生命的催化劑，酶活性的高低影響著我們體內的每一個生化反應。因此教材83頁發起活動探究影響酶活性的條件，但是沒有給出具體的裝置和步驟，對學生的設計能力提出了新的挑戰。面對這一難題學生將怎樣應戰呢？調查發現這屆學生均為零零后，作為信息時代的學生，獲取知識的方法多、途徑廣，學生學習能力強，且我校為省級一類示范高中，學生學習能力強且具備一定的科研能力。基于以上教材和學情的特點，我確定了STEM教學模式，將科學、技術、工程、數學的知識，通過綜合的課程結合起來，創造性地開發了四種檢測酶活性的方法。讓學生從學科學變為玩科學，真正提升生命科學核心素養。根據以上理念，我確定了以下教學環節，通過教學環節中提供的四種方案來實現STEM教學模式的開發，以此來提高學生核心素養。

3.2 活動環節

3.2.1 創設情景

創設情景讓學生在具體的問題環境中激發探究的內在動力，這里筆者以童話故事國王的種子引入話題。提出問題：為什么煮過的種子不會發芽呢？學生想到原因之一可能是溫度影響了酶活性，提出課題探究溫度對a-淀粉酶活性的影響。

3.2.2活動過程

方案一：變色法定性觀察酶活性（實現科學、技術的融合）

確定課題后學生很快設計出了方案一，開發出了第一種酶活性檢測方法變色法定性觀察酶活性。讓淀粉和淀粉酶溶液在不同的溫度條件下反應，再加入碘液定性比較酶活性的高低，具體步驟為：將等量的淀粉和淀粉酶設置溫度（0℃，60℃，100℃），溫度設置相同后混合均勻，再繼續保溫相同的時間，待淀粉充分分解后加入等量的碘液，加入碘液后觀察溶液顏色變化;實驗結果為：0℃和100℃溫度下出現了藍色，說明淀粉在該溫度下被分解得很少甚至沒被分解，而60℃下沒有藍色出現，說明淀粉被分解。得出結論：溫度不同酶活性不同。但是有學生提出問題，不同的同學對顏色的描述不一致，導致實驗結果無法統一。那么能否對顏色劃定統一的標準定量檢測酶活性呢，學生查閱資料設計方案二。

方案二：傳感器法檢測酶活性（實現科學、技術、數學的融合）

學生利用色度傳感器開發了第二種檢測方法傳感器法定量檢測酶活性。首先連接安裝朗威數字化色度傳感器，將待測樣液裝入傳感器中，打開朗威通用軟件，檢測樣液的數據會顯示在電腦數據終端最后進行記錄。

該方法利用現代技術色度傳感器將顏色變化轉變為了具體的色度讀數，實驗結果數字化，使定性檢測轉向了定量檢測，使我們本次探究向前邁進了一大步。然而美中不足的是，有同學提出他們的結果不夠直觀，那么有沒有更加具象的檢測方法呢？學生查閱資料設計第三種方案。

方案三：分解圈法定量檢測酶活性（實現科學、技術、藝術的融合）

學生想到了遵義鴨溪的涼粉。我們吃涼粉的過程，不就是口腔中的唾液淀粉酶水解涼粉中淀粉的過程嗎？從而提出了一個新的視角，我們可否模擬消化涼粉的過程，讓酶促反應在固體環境中進行呢？從液相到固相開發了第三種檢測方法分解圈法定量檢測酶活性。

選用市面上賣的白色涼粉，裝入培養皿中，并在其中加入適量的碘液使涼粉變藍，然后在其中放入大小相等的含酶濾紙片，紙片周圍的淀粉被酶分解后藍色褪去而出現透明圈，可用直尺測量透明圈的大小定量檢測酶活性。具體步驟：首先將切好的涼粉裝入培養皿中，向培養皿中加入等量的碘液，向培養皿中加入含酶濾紙片，不同的培養皿分別放入0℃、室溫、60℃、100℃溫度下培養保溫相同的時間。實驗結果如圖1、圖2：

圖1 實驗結果? ? ? ? ? ? ?圖2? 60℃條件下分解圈最大

為了實現STEM向STEAM轉化，引導學生繼續探究。

從圖片中可以看到此方法安全簡單、效果明顯，且易于推廣，學生可在實驗室進行實驗，也可回到家中用涼粉和冰箱自主探究。并且還可以用于探究PH和酶抑制劑對酶活性的影響，正因為如此，該方法一經提出便得到了同學們的認可，并試著將該方法加以推廣制作出一款可以檢測酶活性的產品，學生從PH試紙中找到靈感開發了第四種檢測方法。

方案四：試紙法簡化測量酶活性（實現科學、技術、工程的融合）

學生從PH試紙利用比色法確定酸堿度中找到靈感開發出試紙法簡化測量酶活性，制作流程如下：先將濾紙剪成條狀，將其侵泡在淀粉溶液中一晚上，取出并晾干，再在濾紙條上加入碘液變成藍色，最后在不同溫度下處理后檢測淀粉酶的活性。剪、泡、染、看四個步驟。

4. 活動小結

通過四種檢測方法，我們得到了四種結果，可以看到本次實驗選用的溫度大概在六十攝氏度左右為最適溫度，回答了課堂開始提出的問題，高溫條件下淀粉酶失活無法促進種子萌發。同時學生親歷了科學探究的一般流程，了解了溫度對酶活性的影響，突破了本堂課的重難點，同時實現了科學技術數學工程藝術的有機融合。由于時間關系，以上只展示了部分學生的參與過程，班上還有很多同學提出了很多問題，通過本次STEM教學學生對生物學科產生了濃厚的興趣，并啟發了學生學習自然科學的一般方法與思路，STEM教學模式的設計與開發我們一直在路上。

5. 活動亮點

5.1該活動有相關的STEM科學理論，有學生動手實驗及制作，科學性高。

5.2 貼近世界科學教育的趨勢，延展教材內容，培養學生自由制作出產品，創新性高。

5.3 該活動以學生興趣出發，重在引導學生設計實驗并親自操作實驗，有效提高核心素養綜合素質。

5.4 本設計能全面培養和發展學生的STEM素養，完整性高。

6. 總結

STEM或STEAM教育對于不同能力的學生發展非常重要，只要教師及學生們分別在教授及學習時綜合運用，培養其系統，最后必能慢慢掌握，同時推動STEM教育的宗旨和目標，強化科學、科技、數學及工程教育，最終與世界連接，增強學生在社會上的競爭力。