優(yōu)秀STEAM案例 | 探究酵母菌細胞呼吸方式

“探究酵母菌細胞呼吸的方式”是人教版高中生物必修一“細胞呼吸”中的重要實驗之一。本文通過STEM課程的6E學(xué)習(xí)模式引導(dǎo)學(xué)生開展課題研究。

6E學(xué)習(xí)模式為落實STEM教學(xué)模式，2014年美國國際技術(shù)和工程教育學(xué)會提出了“6E學(xué)習(xí)模式”，學(xué)生通過親歷“參與、探索、解釋、工程、深化和評價”六個環(huán)節(jié)，在問題意識導(dǎo)向的“科學(xué)探究”中培養(yǎng)科學(xué)思維能力，在實踐活動導(dǎo)引的“工程設(shè)計”中提升問題解決能力。作為實踐模式的“6E學(xué)習(xí)模式”進一步明確和細化了知識吸收與內(nèi)化的基本環(huán)節(jié)，運用多學(xué)科交疊與跨學(xué)科融合的方法進行綜合性的知識學(xué)習(xí)和整合性的知識遞送。

“探究酵母菌細胞呼吸的方式”是人教版高中生物必修一“細胞呼吸”中的重要實驗之一。在學(xué)習(xí)過程中，學(xué)生對酵母菌的細胞呼吸方式產(chǎn)生極大的興趣，希望做更深入的探究，為此通過STEM課程的6E學(xué)習(xí)模式引導(dǎo)學(xué)生開展課題研究。

STEM課程的活動目標(biāo)STEM課程中目標(biāo)的預(yù)設(shè)可結(jié)合新課標(biāo)中對生物學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)的要求從科學(xué)、技術(shù)、工程和數(shù)學(xué)四個角度來闡述，在本課例中對活動目標(biāo)的分解見表1。

STEM課程的活動過程

1．參與(Engage)

創(chuàng)設(shè)情境，確定 STEM 學(xué)習(xí)項目。在參與階段教師需結(jié)合教學(xué)內(nèi)容導(dǎo)入課題，創(chuàng)設(shè)真實的問題情境激發(fā)學(xué)生的興趣。依據(jù)學(xué)生的學(xué)情提出學(xué)習(xí)任務(wù)，確定學(xué)習(xí)目標(biāo)，初步了解學(xué)習(xí)項目。

教師將事先準(zhǔn)備的已發(fā)好的面團、面包、釀制的葡萄酒等展示，并對此提問面團發(fā)酵、面包松軟的原因是什么？

與哪種微生物有關(guān)?葡萄酒為何如此醇香？如何釀制葡萄酒?學(xué)生回答與酵母菌的呼吸作用有關(guān)。

教師遞進式提問酵母菌的呼吸作用如何進行的？

需要提供怎樣的條件?產(chǎn)物有哪些?怎樣鑒定產(chǎn)物？

以問題串的形式設(shè)疑，鞏固之前講授的核心概念，同時極大激發(fā)學(xué)生的探究欲。

教師進一步展示關(guān)于酵母菌簡介的小視頻，小組成員了解酵母菌的生活習(xí)性并記錄。

高二學(xué)生已具備基本實驗素養(yǎng)和科學(xué)探究能力，在小組再次商討后明確學(xué)習(xí)目標(biāo): 設(shè)置適合酵母菌呼吸作用的裝置，探究酵母菌在不同條件下的呼吸方式。

2．探索(Explore)

多維支持，設(shè)計初步項目方案。探索階段的目的是為了引導(dǎo)學(xué)生積極思考，做出必要的假設(shè)并發(fā)散思維預(yù)期結(jié)果。在探索階段教師可提供必要的學(xué)習(xí)支架和指導(dǎo)，以學(xué)生為主體組織知識構(gòu)建，設(shè)計方案并建模。

教師組織學(xué)生根據(jù)STEM項目分析和討論探究的目的、步驟和方案，明確學(xué)習(xí)的任務(wù)、活動和過程。

熟悉實驗室已有的設(shè)備、材料和儀器，分析和探討可利用的資源。學(xué)生在參考課本、網(wǎng)絡(luò)資源和實驗室條件后設(shè)計實驗方案，畫出裝置草圖，書寫實施實驗的一般流程。各小組成員充分交流和探討，改進實驗方案，使實驗操作更便捷更高效。教師巡視記錄各組典型的解決方案，如學(xué)生在對比課本方案后提出課本中發(fā)酵8~10h時間過長，討論后改用酵母粉代替食用酵母菌。

3．解釋(Explain)

知識構(gòu)建，改進設(shè)計方案。在解釋階段學(xué)生分組解釋探索的過程和結(jié)果，分析可行性和可實施性。各組成員詢問、質(zhì)疑、評價、完善方案并改進。組織各組學(xué)生根據(jù)“科學(xué)探究”一般步驟詳述實驗設(shè)計方案、實驗步驟和可達成的目的，其他組成員認真聆聽后提問、交流和反饋，整合設(shè)計方案后改進實驗裝置，如可用多種方案制備氧氣以此避免泵入空氣時除雜的煩瑣步驟。可采用植物油密封法創(chuàng)造無氧環(huán)境。發(fā)酵溫度采用溫度傳感器實時監(jiān)測?？捎镁凭珎鞲衅鞑杉凭珨?shù)據(jù)的相對值。

4．工程(Engineer)

制作工程，實施STEM方案。在工程階段各組成員需利用實驗器材完成實驗裝置，并通過測試初步體驗工程的效果，分享和交流經(jīng)驗，再次完善設(shè)計方案。

在組裝過程中，各小組同學(xué)再次熟悉設(shè)計方案，梳理實驗流程，搭建實驗裝置，可結(jié)合實驗室已有器材自行調(diào)整優(yōu)化實驗裝置，教師巡視后可對存在困難的小組提供思路以推進實驗裝置的組裝。

在實踐過程中，學(xué)生分別在有氧和無氧條件的發(fā)酵瓶中加入0.2g酵母粉，溶解于10mL5%的葡萄糖溶液，打開有氧呼吸管的閥門，觀察兩組發(fā)酵瓶中的呼吸情況，并對產(chǎn)物進行鑒定。

各小組對結(jié)果進行闡述，整理和歸納得出的結(jié)果和結(jié)論，對未得到預(yù)期結(jié)果的現(xiàn)象質(zhì)疑原因，補充和完善，在交流互動中提升學(xué)習(xí)效率。

5．深化(Enrich)

技術(shù)比較，優(yōu)化STEM方案。深化階段的目的是在探索中生成新問題，根據(jù)新要求提出新方案并開展探究討論。通過對原項目的拓展和深化，對實驗再深入研究深化理解。

教師在巡視過程中發(fā)現(xiàn)，很多成員對有氧呼吸和無氧呼吸時二氧化碳的釋放量感興趣，因此教師引導(dǎo)學(xué)生利用數(shù)學(xué)化實驗室的設(shè)備再調(diào)整方案進行探究。通過學(xué)生展開熱烈的頭腦風(fēng)暴，提出改進方案: 稱取酵母粉溶于5%葡萄糖混合均勻后由注射器注入發(fā)酵裝置中，將其置于適宜溫度下( 由溫度傳感器監(jiān)測環(huán)境溫度) ，通過二通管連接朗威二氧化碳傳感器，打開電腦顯示器選擇通用軟件，添加“二氧化碳—時間”圖線后可讀取酵母菌呼吸產(chǎn)生二氧化碳含量的變化曲線。較為理想的兩種實驗裝置如圖1所示。

通過對軟件采集到的數(shù)據(jù)通過數(shù)學(xué)方法表征，觀察二氧化碳的動態(tài)變化，并對變化嘗試做出解釋。教師組織學(xué)生再深化探究，對氧氣、酒精含量的變化檢測。

6．評價( Evaluate)

作品表征，匯總項目結(jié)果。評價階段可根據(jù)評價標(biāo)準(zhǔn)對學(xué)生開展科學(xué)探究的過程和結(jié)果進行形成性評價、總結(jié)性評價等。

通過以上五環(huán)節(jié)科學(xué)探究的過程，同學(xué)們整理匯總STEM學(xué)習(xí)的過程、目標(biāo)和結(jié)果。在各個學(xué)習(xí)環(huán)節(jié)中首先由教師記錄在巡視過程中各組開展科學(xué)探究的過程并對其進行發(fā)展性評價，然后由教師發(fā)放有針對性的STEM評價量表進行自我評價，最后請各組成員總結(jié)表述該STEM項目，并且由所有成員和教師共同選出最佳STEM方案，也可用手機設(shè)備記錄完整過程，可在各班進行演示。