徐文新
浙江省瑞安中学 浙江 瑞安 325200
摘要：高中生物学是一门以实验课为基础的理科性质科目，生物实验教学是SETM理念落地的重要环节。 “探究环境因素对光合作用强度的影响”因实验数据测定和处理仪器限制，只有少数基地校具备开设条件，影响了教材实验的实施。针对该问题，基于STEM理念改进实验设备、创新实验方法，突破了普通学校开设实验的瓶颈，收获了良好的效果。
关键词：STEM；实验创新；环境因素；光合作用
将STEM理念融入高中生物教学，既符合现行“课程标准”要求，又是生物学科未来发展方向。STEM理念融入生物学科实验教学基本上有两种方式：一是在原有学科实验内容上直接融合STEM教学体系，二是通过改进现有实验方案，引入全新的STEM教学设计。
一、问题的提出
“探究环境因素对光合作用的影响”实验的开设需要用到许多“高科技”仪器，包括：O2传感器、CO2传感器、光合作用同化箱、CO2浓度、光照强度和温度控制系统、计算机数据处理系统等。
如何基于STEM教育理念改进实验设备、创新实验方法、提升实验教学品质就成为亟待研究的问题。
二、基于STEM理念创新方案的设计
基于STEM理念改进实验，首先应该解决实验的可操作性问题。“探究环境因素对光合作用的影响”实验原理是黑藻的叶肉细胞在光下，能利用叶绿体将CO2和水合成糖类等有机物，释放氧气。实验中要设置自变量如光强、温度、CO2浓度，可以用单位时间内CO2吸收量、O2释放量来检测因变量。依据STEM教学核心特征和方法对该实验教学进行改进。
（一）真实问题情境的创设
本实验以真实情境引入，采用黑藻为实验材料，黑藻为多年生沉水植物。如何提高黑藻产量？学生联系已经学习的光合作用相关知识，清楚要提高光合作用速率，最主要的是适当提高光照强度。如何控制光照强度自变量，又如何检测光合作用速率因变量？由此，逐步引导学生进入实验课题的研究情境。
（二）多维度学习目标的设计
STEM教学特别注重多学科间就某一研究主体的相互融合。设计多维度的学习目标，对实验内容进行跨学科拓展，有助于将真实问题在最符合现实生活的情境中解决，帮助学生形成跨学科、多维度思考和解决问题能力。本实验多维度学习目标如表1所示。
表1“探究环境因素对光合作用的影响”实验学习目标
学科 学习目标
科学 实验综合了科学中物理、化学、生物三门学科的基本理论和基础知识，体现了“科学探究”能力的核心素养。具体来看：
①生物：理解光合作用发生的过程和原理，分析影响光合作用速率的因素
②物理：学会光合作业速率测量方法，应用浮力原理解决实际问题
③化学：了解CO2、O2在水中的溶解度大小差异，应用化学试剂控制CO2浓度
技术 应用技术知识设计一套实验发生装备，包括光合作用固定箱、水球的实验材质选择。
工程 依据实验研究问题，设计实验方案、实施方案、评价和创新方案
数学 依据实验自变量、因变量设计相应实验结果记录表，并将记录表中数据进行科学统计、处理、分析，并用图表展示实验结果。
（三）运用工程学原理组织教学
“探究环境因素对光合作用的影响”实验就是以工程学设计过程开展的。如设计实验装置、检验实验装置、规定实验结果标准、实验结果测量、完成实验报告。实验具体操作环节见表2。
表2 “探究环境因素对光合作用的影响”实验教学环节
教学过程 工程学设计流程 教学内容
准备环节 发布任务 设计一套“探究环境因素对光合作用的影响”实验装置。
任务内容 1.分析具体影响因素，确定自变量，如何排除无关变量。
2.实验装置的材料选择，装置的组装。
3.确定实验因变量，设计因变量测量指标。
确定方案 各抒己见，设计多种实施方案，讨论、筛选。
实施环节 实施方案 根据选定的方案内容，组装器材、操作实验、实施实验过程。
检验方案 根据实验结果，评估实验方案合理性。
修正方案 以上一轮实验方案为蓝本，修正实验方案，并进一步实验。
展示环节 交流方案 每个实验小组分别派代表展示实验方案的设计、实施、检验、修正、总结。
三、基于STEM理念优秀创新方案展示
在多个实验小组实施了实验方案的修正后，最终确立如下实验方案。
1.实验操作步骤
（1）制作透明水球
①取三个透明安全套，洗净。②分别称取三份2.0g的细沙，5.0g生长状况相似的黑藻，用量筒量取3份300mL0.02﹪碳酸氢钠溶液。③将一份碳酸氢钠溶液小心倒入安全套中，再加入一份黑藻和一份细沙，在水位最高处打结，完成3个水球的制作。
（2）制备不同光强度的装置
取三只5L大烧杯，编号Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ。Ⅰ不做处理，Ⅱ外壁包裹一层2针遮光网，Ⅲ外壁包裹一层4针遮光网。
（3）观察不同光照强度对光合作用的影响
①向三只大烧杯中分别注入3500mL30摄氏度的温水。②将3只充水球分别放入3个大烧杯中，沉底。③用3盏200wLED灯在距离烧杯5cm处分别照射三个烧杯，试验中保持温度30℃。④开始计时，分别测定三个烧杯中充水球上浮的时间。
2.实验思路创新点
（1）精确控制实验自变量：书本实验是通过灯与黑藻的距离控制光照强度，但难以控制合适距离。通过改进实验，设置不同密度的遮光网能精确控制光照强度。
（2）简化操作步骤：如果采用课本实验要求，需要连接各种传感器，连接计算机终端，校正传感器准确度，费时费力。通过改进实验操作步骤，大大缩减实验装置装配时间，减少不必要的环节。
3.实验结果创新点
（1）结果显示较准确：书本实验通过O2传感器、CO2传感器或精密pH试纸测定碳酸氢钠溶液pH的变化判断光合速率。通过改进实验，用水球浮起的时间判断光照强度对光合作用的影响，从结果数据看出水球浮起时间差别明显。
（2）结果呈现直观：水球浮起可用肉眼直接观察，只需要普通计时器不需借助精密仪器测定。
四、基于STEM理念实验教学分析
通过对高中课本实验的创新，能够体现STEM核心理念在生物学中的应用特征，即跨学科、合作性、综合性、实践性、论证性等。
本实验操作环节比较复杂，涉及学科交叉内容也比较多，很多问题都需要多学科同时参与解决，体现了“跨学科”特点。比如光合作用速率测定、溶液CO2浓度控制、实验装置搭建、实验数据处理就分别用到物理、化学、工程学、数学等学科知识。通过改进高中生物实验方案能很好地与STEM教育核心特征融合。学生分组后，每个小组通过讨论、决策、实施、修改方案等环节提升了交流和表达能力体现了“合作性”特点。每个小组通过对实验方案的“设计-实施-检验-修正”等过程体现了“论证性”特点。整个实验都是建立在真实情境下发生的，学生需要解决实际问题而不是“纸上谈兵”体现了“实践性”特点。STEM教育理念中的这些特点都是学生核心素养发展的必备内容，是适应将来社会发展需求的关键能力。
基于STEM理念的高中生物实验创新，能够提升生物实验课堂的品质，更多地发挥学生主观能动性，真正将学生从 “观察者”、“验证者”转变为“探究者”、“发现者”。
参考文献：
［1］陆夏君.STEM教育理念下高中生物学选修课程体系的建设[J].生物学教学，2018（43）：59-61.