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“应用微生物解除环境污染”社团课程设计

2022-07-23王怀玲

小学科学 2022年7期
关键词:鱼菜苯并芘共生

王怀玲

学习与多环芳烃类物质苯并芘(BaP)相关的生物学相关知识,并不仅局限于学习如何使用显微镜观察口腔细胞、观察我们手上的细菌等基础操作内容,而是要把所学知识应用于解决实际问题,让学生接触最新的科学知识。本社团课程的设置基于STEM教育理念,以当下热点为抓手,通过项目式课题形式开展,可提高课程的完整性、趣味性和丰富程度,同时增强学生的自豪感和使命感。将枯燥的知识以最优的形式呈现给学生,吸引他们的注意力,提高其对学科的兴趣,为以后相关的学习打下扎实的基础。

一、小学科学社团服务课程分析

社团服务实践是培养学生科学核心素养及创新能力的重要学习途径之一。中小学生是祖国的未来,我们将以学生为本的教学方法作为引导,并结合《国务院关于进一步加强环境保护工作的决定》中“中小学生及幼儿园教育结合有关内容普及环境保护知识”的要求,引导中小学生学习环境知识和技能,渗透环境与发展知识的教育,培养环境保护的意识。主要采用项目式课题的方式引领社团课程,让创新源于生活,又服务于生活,将社团课程与社会学习结合,给学生带来全新的视野,有利于学生建立自身的成就感和自豪感,乃至社会责任感,为进一步提高社团课程的教学质量增砖添瓦。

近十年来,随着沿海河口、港湾地区经济的迅速发展,环境污染、生态破坏等问题日益严重,大量工业和生活废水、废物的排放,使得沿海海域的水质、土质和生态环境日益恶化,有毒污染物在环境中的积累和食物链的累积效应已成为当今一大不可忽视的环境问题。其中环境科学研究在中小学段已经开展了一系列尝试。如,香港仁爱堂田家炳小学开展了“空气污染及水质污染”社团活动,带领学生通过micro:bit编程及接收空气质量传感器测定水质污染情况,并提出改善水质的方法,增强了学生探究学习、合作的能力,增强了学生的环保意识。澳门地区主要通过普及自然常识,如“制作仿生态箱”,来实施环保教育和工程技术教育,将“生态箱原理”“模型制作与材料选择”以及数学模型相结合,学生相互讨论交流确定生态箱的设计方案,并及时改进,学习科学探究的基本方法。

由此可见,环境课程教育已经逐步融入日常教与学的过程中。因此,本课题的情境设计立足于“生活化、现实化”,通过解决实际问题,有目标地去实施。带着问题去探究学习,可降低课程设计和实施的难度,同时增加学生探究的成就感和自豪感。遵循全面发展的原则,实践“生活及教育”思想,探索社团教育与生活教育的内在联系,设计社团教育课程,并为进一步加强社团课程建设提供更多的建议。

二、社团课程设计策略

(一)课程设计目标

本课程设计的目标主要包括四个层面:课程设计目标、学校目标、学生培养目标以及自然和生态目标。

第一是课程设计目标:采用项目式课题研究方式,构建微生物降解环境污染物苯并芘理论模型,研究缓解水体污染的有效解决方法。

第二是学校目标:通过构建项目式社团课程体系,使本社团课程发展成为小学社团教学研一体化课程基地,同时促进教师专业素养、学校教育教学质量的全面提升。

第三是学生培养目标:学生通过项目式课题研究探索过程,学习环境与科学领域的粗浅知识,感受知识的力量,激发内在的学习动机。更重要的是,提高学生的环境保护意识和爱护地球家园的责任感和使命感。

第四是自然和生态目标:通过自然教育,培养具有强烈生态环保意识和良好生态文明习惯的接班人,全面提升中小学生的生态文明素养。

(二)课程设计重难点

虽然,目前学生社团项目丰富多彩,但是独具特色又能联系实际解决关键问题的优质社团课程却是现在急需的。我们首先根据研究热点问题,通过创设真实情境,构建项目式课题研究内容,形成独具特色的社团课程内容和模式。其次,我们结合学校条件,有的放矢地选择合适的社团课程内容。课程需要不断地创新,并且根据不同年级学生的特点,设计不同难度的课程。最后是将独具特色的社团课程实现合作教学。合作学校的教学资源主要是学生共同讲授一个课程,但是不同学校具有不同的特点,可能有不同的教学时间和不同的教学方法,所以需要教师在调查、交流、分析的基础上,对内容和方式进行整合、分析、优化等处理。这是课程开展过程中较为繁重的工作之一。

(三)课程设计内容

本课程的研究对象为中小学生,其课程设计分为以下四个部分:第一部分鱼菜共生系统;第二部分构建苯并芘(BaP)环境污染物污染模型;第三部采用16sRNA筛选降解苯并芘(BaP)菌株种类;第四部分采用高效液相色谱法(HPLC)检测环境中BaP的残余量。每个部分的具体设计思路及思考如下:

1.鱼菜共生系统

本部分拟以本校的鱼菜共生系统为载体。本校的鱼菜共生系统是新型的复合耕作体系,把水产养殖和水耕栽培这两种完全不同的农耕技术,通过虹吸系统等巧妙地融合在一起,从而实现养鱼不换水而无水质忧患、种菜不施肥而正常成长的生态共生效应。整个系统是一个闭合的循环系统,易于控制影响水质的外界因素,严格控制进入与进出,有利于水质的检测。鱼菜共生系统内的生物,可以饲养鱼类或是模式动物模型斑马鱼(斑马鱼一般用于生物实验中,属于一种易于饲养的模式动物,和人类基因有着87%的高度相似性。这意味着其实验结果在大多数情况下适用于人体,常可用于水质环境的监测,作为模式生物的优势很突出)。在飼养斑马鱼的过程中,鱼类的粪便及多投的鱼食等有机物,在水中可以分解成氨氮、亚硝酸盐等有毒物质,而这些有毒物质恰好是水生蔬菜等植物的优质肥料。鱼缸中的水先流入地下的过滤系统,经过四层过滤,去掉鱼类的粪便和鱼食等杂物,同时硝化菌在里面进行初步培育。接下来,水流入我们的种植床。种植床中的砂石一方面可以固定蔬菜,一方面可以作为循环水养鱼的生物过滤材料。众多的细菌在上面附着滋生,可以形成稳固的生物分解系统。水通过虹吸系统进入过滤槽,进一步过滤,最终形成优质水体,再进入鱼缸中循环利用。我们的鱼菜共生系统连有pH、溶氧量和氧还原电位检测仪等,智能监控我们的鱼菜共生系统。

2.构建苯并芘环境污染物污染模型

我们通过这个鱼菜共生系统要做什么呢?如何让这个课程落地呢?现在环境污染越来越严重,比如,各种塑化剂、芳香烃(苯并芘)等环境污染物在食品中的污染越來越严重,是食品安全领域内的研究热点。因为鱼菜共生系统属于密闭环境,很容易控制其他因素,因此,我们可以根据这个特点,通过模式生物(斑马鱼)研究环境污染物苯并芘等在生物体内的代谢,为研究环境污染物的代谢途径提供非常好的研究工具。我们通过在鱼菜共生系统水体中,加入一系列浓度的苯并芘,观察斑马鱼的生存状况,筛选出对斑马鱼生存状况影响不严重的浓度进一步研究,并以此浓度为基础构建苯并芘环境污染物污染模型。

3.采用16sRNA筛选降解苯并芘(BaP)菌株种类

根据实验室已配备的实验仪器,如显微镜、超净台等,本部分的课程设计主要是通过项目式学习来进行。该部分属于本课题的核心。首先通过查阅文献,了解目前已经报道的可用来降解环境污染物的微生物;其次,在已构建模型的鱼菜共生系统(含污染物)中培养已知微生物。在不同时间段收集水体,采用16sRNA技术,通过基因热图等技术筛选优势菌种。探究分为两个层面:首先,探究优势菌种是什么;其次,探究优势菌种何时达到种群最大化。掌握以上内容后,对其进行验证,完成微生物降解环境污染物苯并芘污染模型的构建。

在这个过程中,要引导学生充分学习生物相关技术和知识,包括使用显微镜、微生物划平板等,同时引导学生对生活用水中的微生物进行跟踪观察研究,并在此基础上综合利用不同学校的资源,明确合作教学的内容、环节、操作流程、已有资源分享等,开拓多元化的社团教学方式,在合作教学过程中促进交流与学习。

4.采用高效液相色谱法(HPLC)检测环境中BaP的残余量

整合前面的课程,通过应用微生物降解环境污染物苯并芘污染模型,引导学生实际检测模型的效果。本部分主要采用高效液相色谱法(HPLC)技术检测水体环境中苯并芘的含量,通过前后对比,得到微生物对环境污染物的降解效率。本部分是我们课题的收尾阶段,可以给学生呈现直观的数据,通过数据增强学生的成就感,意识到自己也可以为保护环境增砖添瓦,激发其环境保护意识。我们的模型还有很多可拓展的方面,比如,依托鱼菜共生系统探究环境污染物在斑马鱼体内的生物富集等科学问题。此部分将所学的知识外显化,将不同学生的思维纳入统一的课程成果,同时充分保护学生的创新性思维,并在课程开展过程逐步完善课程内容。现初步搭建的社团课程内容体系如图1。

三、总结与思考

通过项目式课题研究的引领,在遵循学生身心发展及深度学习的客观规律基础上,着眼于学生个性化发展的长远需求,实现个性化教育教学。利用数字化技术,提升课堂的逻辑性、趣味性、交互性、有效性,从而促使学生的学习潜能不断被激发,通过项目式深度学习解决生活当中的实际问题。在课程实施过程中,要坚持不断创新信息化技术平台,使数据分析简单化,合适中小学生操作,并总结一套数据分析模板,及时发现分析过程中的问题。若出现异常数据,要精准对接,找出原因,对症下药,解决问题,让学生体验探索—解疑—发现—改进的探究过程。

社团服务课程整体设计遵循“新·生活”教育理念,通过设置项目式情境,在实际体验生活的过程中学习,多种感官参与学习,将复杂枯燥的生物知识变得丰富多彩,使中小学生产生学习的内驱力。本课题的主要成果是成功构建以项目式形式开设社团服务课程的基本模式,并形成相关前沿课题的基本模式,鼓励实验学校、实验学科和教师深度实践、积极探索变式。同时,本课题的重点是,通过应用微生物解除环境污染,将社团模式与环境保护相结合,将前沿的、先进的数字化技术纳入教育教学领域,使技术与教学深度融合、有机整合、相辅相成,打造创客创新教育模式的新高地。学生通过“探究式+项目式”学习,培养科学素养,并借此促进教师的专业素养、学生的学科素养、学校的教育教学质量全面提升。更重要的是,这项研究能使学生了解目前环境污染现状,激发环境保护意识,增强爱护地球家园的责任感和使命感。

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