吴其蔓 温可佳 伍艳霞 谢雪荣 陈学梅 胡位荣

（广州大学生命科学学院 广东·广州 510006）

0 引言

STEM教育具有跨学科的特点，培养学生综合运用科学、技术、工程和数学等领域的知识，进行探究性活动；而科技探究活动是指学生围绕某一科学知识进行自主探究的学习活动，相对验证性实验而言，更有利于激发学生的探究欲望。[1]STEM教育和科技探究活动均强调实践性，应用得当可有效培养学生的科学探究和科学思维等学科核心素养。[2]

当前高中生物的实验教学存在“重视教师讲解实验，忽视学生探究实验”的误区，学生习惯“接受性学习”，很少通过自己的主动实践去获取知识，操作技能和思维创新能力得不到应有的提高。[3]随着《普通高中生物学课程标准》（2017年版）生物新课标的实施，教师可组织学生在生物科技探究活动中，以小组合作的形式设计实验方案，亲自动手，感受实验过程，获得实验结果并讨论交流，通过具体的案例帮助学生认识科学、技术、工程和数学的相互关系，利于达成生物学科核心素养。以广东省第三届中小学科技活动方案设计大赛获奖作品“探究红花酢浆草对绿豆种子和幼苗的化感作用”为例，开展融合了STEM教育的探究性活动教学。

1 融合STEM教育的生物科技探究活动流程

1.1 情景引入，提出问题

为使生物实验课堂贴近生活，增加其趣味性，教师先向学生介绍：红花酢浆草即校园常见的开红花的“三叶草”，在我国作为观赏植物引入，后逸生为常见的田间恶性杂草，已被我国列为外来有害植物。[4]化感作用指一种植物通过释放出化学物质对周围植物的生长发育过程产生有益或有害的影响，[5]外来入侵物种的化感作用常常会抑制本地植物的生长。

接着引导学生思考问题：外来入侵物种红花酢浆草对其他植物的萌发和生长起促进还是抑制的化感作用？其不同器官的化感作用是否一致？

1.2 作出假设，分组讨论

学生作出假设：红花酢浆草对其他植物的化感作用表现为抑制其他植物的萌发和生长，且不同器官的化感作用不一样，主要是叶在起抑制作用。

为使学生进一步明确实验目的和制定出实验方案，教师将5-6个同学分为一个小组进行讨论：（1）是否采用对照实验的方法？（2）实验材料如何选择？自变量和因变量如何确定？（3）是否需要设置浓度梯度？（4）怎样配制红花酢浆草的根、茎、叶的提取液？（5）怎样培养绿豆种子和绿豆幼苗？（6）怎样将数据转化成柱状图或折线图？（7）如何减小实验误差？

1.3 制定方案，实施计划

学生在教师引导下完成实验方案，如表1，为培养学生的团队意识和合作能力，教师将全班同学分成3个小组，分别负责“探究红花酢浆草的根、茎、叶对绿豆种子萌发和幼苗生长的化感作用”，每组推举一位组长，每组学生明确任务并各自分工。

表1 探究活动设计方案

表2 红花酢浆草的根、茎、叶提取液（0.10g/mL）对绿豆幼苗的化感作用比较

1.4 分析结果，交流分享，延伸探究

各小组记录数据后，绘制柱状图和折线图，对实验结果进行分析，判断与假设是否相同并得出相应的实验结论。

柱状图以“红花酢浆草的根、茎、叶对绿豆种子发芽率的影响”为例：如图1，3个小组的结论均为：一定浓度的红花酢浆草的提取液表现出抑制绿豆种子萌发的化感作用。

图1 红花酢浆草的根、茎、叶对绿豆种子发芽率的影响

折线图以“红花酢浆草的根对绿豆幼苗生长的化感作用”为例，如图2，负责“根”的小组分析并得出结论：红花酢浆草根的提取液对绿豆幼苗的生长有明显抑制作用，绿豆苗的主根受抑现象突出；且浓度越高、抑制作用越明显。“红花酢浆草的茎、叶对绿豆幼苗生长的化感作用”亦用折线图表示。

图2 红花酢浆草的根对绿豆幼苗生长的化感作用

最后全班几个小组共享数据，将数据绘制成表格，如表2所示。

全班同学分析交流后得出总结论：（1）红花酢浆草对绿豆种子的化感作用表现为抑制绿豆种子的萌发；（2）红花酢浆草的茎对绿豆幼苗生长产生逆浓度促进、高浓度抑制的化感作用，叶和根对绿豆幼苗产生抑制其生长的化感作用，且化感作用随提取液浓度升高而增强。（3）同一植物不同器官的化感作用不同。总体来说，红花酢浆草对绿豆种子和幼苗的化感作用从强到弱依次为叶＞根＞茎。

最后，教师需对学生的实验结论进行针对性的评价，并引导学生展开“头脑风暴”：讨论有关外来入侵物种的防治措施，鼓励学生对自己的学习情况进行总结与评价。[6]

2 科技探究活动的反思

2.1 科学（S）层面——学习科学的实验探究方法

STEM理念与生物探究性实验结合要求学生能够以科学的方法进行探究性实验，即针对现实世界的生物学问题或特定的生物学现象（红花酢浆草肆意生长）进行观察、提问、作出假设、设计实验、实施方案以及对结果的交流与讨论，在此探究过程中习得生物学知识（理解化感作用的含义），掌握科学的探究方法，比如遵照单一变量原则进行对照实验。

2.2 技术（T）层面——掌握规范的实验操作技能

基于STEM教育的生物探究实验有一定的技术性，要求学生能正确使用实验工具，进行准确的实验操作，掌握搜集和处理信息的技能，如利用解剖刀分离红花酢浆草的根、茎、叶三个部位、掌握水培种植技术、红花酢浆草提取液的配制操作、准确测量主根长度和株高长度等。学生只有通过动手做实验，才能掌握规范的实验操作技能、形成严谨的科学实验态度并进一步理解化感作用的含义。

2.3 工程（E）层面——联系生活，学以致用

在生物教学中，STEM教育的工程性是指将所学生物科学知识应用于实际生产生活中。[7]本探究实验中，教师引导学生联系生活，讨论外来入侵物种的化感作用在生活中的实际应用：（1）红花酢浆草在一些地区仍被作为观赏植物被大量引入，学生可以向大众科普外来入侵物种红花酢浆草肆意生长的危害，从而及时控制红花酢浆草的蔓延；（2）展开“头脑风暴”，讨论防治措施：如开发新型绿色除草剂除去田间的红花酢浆草。教师还鼓励学生进行实验创新：红花酢浆草是否也能够通过化感作用抑制其他杂草的生长？从而锻炼学生的创新思维。

2.4 数学（M）层面——构建生物数学模型

生物数学模型指将实验获得的数据转化为直观的数学模型，对实验结果进行定量描述，把复杂的生物科学问题形象化。本探究实验中，学生需运用公式计算出提取液的稀释比例。3个小组的学生记录实验数据后，在教师引导下根据公式计算出发芽率、相对主根长、相对侧根数以及相对株高，绘制出柱状图、折线图和表格，运用数学模型得出清晰的实验结果，对化感作用这一抽象的概念有更直观的了解，整理和分析数据的能力也得到了锻炼。

3 结语

在本探究实验中，学生能够设计出探究性实验方案并实施方案，掌握了4种科学的实验方法：对照实验法、培养皿滤纸法、水培法和数学模型法，科学探究能力得到锻炼。在对实验结果进行交流和总结后，能够利用科学概念“化感作用”解释红花酢浆草肆意生长的生命现象，并发散思维讨论如何利用“化感作用”解决生活中的实际问题，最后形成关注外来入侵物种以及保护生态环境的社会责任意识。综上，融合了STEM教育的中学生物科技探究活动可以培养学生的综合素质和生物学科核心素养。