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

6E學(xué)習(xí)模式為落實(shí)STEM教學(xué)模式，2014年美國(guó)國(guó)際技術(shù)和工程教育學(xué)會(huì)提出了“6E學(xué)習(xí)模式”，學(xué)生通過(guò)親歷“參與、探索、解釋、工程、深化和評(píng)價(jià)”六個(gè)環(huán)節(jié)，在問(wèn)題意識(shí)導(dǎo)向的“科學(xué)探究”中培養(yǎng)科學(xué)思維能力，在實(shí)踐活動(dòng)導(dǎo)引的“工程設(shè)計(jì)”中提升問(wèn)題解決能力。作為實(shí)踐模式的“6E學(xué)習(xí)模式”進(jìn)一步明確和細(xì)化了知識(shí)吸收與內(nèi)化的基本環(huán)節(jié)，運(yùn)用多學(xué)科交疊與跨學(xué)科融合的方法進(jìn)行綜合性的知識(shí)學(xué)習(xí)和整合性的知識(shí)遞送。

“探究酵母菌細(xì)胞呼吸的方式”是人教版高中生物必修一“細(xì)胞呼吸”中的重要實(shí)驗(yàn)之一。在學(xué)習(xí)過(guò)程中，學(xué)生對(duì)酵母菌的細(xì)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(guò)STEM課程的6E學(xué)習(xí)模式引導(dǎo)學(xué)生開(kāi)展課題研究。

STEM課程的活動(dòng)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(duì)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(gè)角度來(lái)闡述，在本課例中對(duì)活動(dòng)目標(biāo)的分解見(jiàn)表1。

STEM課程的活動(dòng)過(guò)程

1．參與(Engage)

創(chuàng)設(shè)情境，確定 STEM 學(xué)習(xí)項(xiàng)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(shí)的問(wèn)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(xiàng)目。

教師將事先準(zhǔn)備的已發(fā)好的面團(tuán)、面包、釀制的葡萄酒等展示，并對(duì)此提問(wèn)面團(tuán)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(jìn)式提問(wèn)酵母菌的呼吸作用如何進(jìn)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(wèn)題串的形式設(shè)疑，鞏固之前講授的核心概念，同時(shí)極大激發(fā)學(xué)生的探究欲。

教師進(jìn)一步展示關(guān)于酵母菌簡(jiǎn)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(shí)驗(yàn)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(jì)初步項(xiàng)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(shí)構(gòu)建，設(shè)計(jì)方案并建模。

教師組織學(xué)生根據(jù)STEM項(xiàng)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(dòng)和過(guò)程。

熟悉實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)室條件后設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案，畫(huà)出裝置草圖，書(shū)寫(xiě)實(shí)施實(shí)驗(yàn)的一般流程。各小組成員充分交流和探討，改進(jìn)實(shí)驗(yàn)方案，使實(shí)驗(yàn)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(duì)比課本方案后提出課本中發(fā)酵8~10h時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，討論后改用酵母粉代替食用酵母菌。

3．解釋(Explain)

知識(shí)構(gòu)建，改進(jìn)設(shè)計(jì)方案。在解釋階段學(xué)生分組解釋探索的過(guò)程和結(jié)果，分析可行性和可實(shí)施性。各組成員詢(xún)問(wèn)、質(zhì)疑、評(píng)價(jià)、完善方案并改進(jìn)。組織各組學(xué)生根據(jù)“科學(xué)探究”一般步驟詳述實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方案、實(shí)驗(yàn)步驟和可達(dá)成的目的，其他組成員認(rèn)真聆聽(tīng)后提問(wèn)、交流和反饋，整合設(shè)計(jì)方案后改進(jìn)實(shí)驗(yàn)裝置，如可用多種方案制備氧氣以此避免泵入空氣時(shí)除雜的煩瑣步驟?？刹捎弥参镉兔芊夥▌?chuàng)造無(wú)氧環(huán)境。發(fā)酵溫度采用溫度傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。可用酒精傳感器采集酒精數(shù)據(jù)的相對(duì)值。

4．工程(Engineer)

制作工程，實(shí)施STEM方案。在工程階段各組成員需利用實(shí)驗(yàn)器材完成實(shí)驗(yàn)裝置，并通過(guò)測(cè)試初步體驗(yàn)工程的效果，分享和交流經(jīng)驗(yàn)，再次完善設(shè)計(jì)方案。

在組裝過(guò)程中，各小組同學(xué)再次熟悉設(shè)計(jì)方案，梳理實(shí)驗(yàn)流程，搭建實(shí)驗(yàn)裝置，可結(jié)合實(shí)驗(yàn)室已有器材自行調(diào)整優(yōu)化實(shí)驗(yàn)裝置，教師巡視后可對(duì)存在困難的小組提供思路以推進(jìn)實(shí)驗(yàn)裝置的組裝。

在實(shí)踐過(guò)程中，學(xué)生分別在有氧和無(wú)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(kāi)有氧呼吸管的閥門(mén)，觀(guān)察兩組發(fā)酵瓶中的呼吸情況，并對(duì)產(chǎn)物進(jìn)行鑒定。

各小組對(duì)結(jié)果進(jìn)行闡述，整理和歸納得出的結(jié)果和結(jié)論，對(duì)未得到預(yù)期結(jié)果的現(xiàn)象質(zhì)疑原因，補(bǔ)充和完善，在交流互動(dòng)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(wèn)題，根據(jù)新要求提出新方案并開(kāi)展探究討論。通過(guò)對(duì)原項(xiàng)目的拓展和深化，對(duì)實(shí)驗(yàn)再深入研究深化理解。

教師在巡視過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，很多成員對(duì)有氧呼吸和無(wú)氧呼吸時(shí)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(shí)驗(yàn)室的設(shè)備再調(diào)整方案進(jìn)行探究。通過(guò)學(xué)生展開(kāi)熱烈的頭腦風(fēng)暴，提出改進(jìn)方案: 稱(chēng)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(cè)環(huán)境溫度) ，通過(guò)二通管連接朗威二氧化碳傳感器，打開(kāi)電腦顯示器選擇通用軟件，添加“二氧化碳—時(shí)間”圖線(xiàn)后可讀取酵母菌呼吸產(chǎn)生二氧化碳含量的變化曲線(xiàn)。較為理想的兩種實(shí)驗(yàn)裝置如圖1所示。

通過(guò)對(duì)軟件采集到的數(shù)據(jù)通過(guò)數(shù)學(xué)方法表征，觀(guān)察二氧化碳的動(dòng)態(tài)變化，并對(duì)變化嘗試做出解釋。教師組織學(xué)生再深化探究，對(duì)氧氣、酒精含量的變化檢測(cè)。

6．評(píng)價(jià)( Evaluate)

作品表征，匯總項(xiàng)目結(jié)果。評(píng)價(jià)階段可根據(jù)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)學(xué)生開(kāi)展科學(xué)探究的過(guò)程和結(jié)果進(jìn)行形成性評(píng)價(jià)、總結(jié)性評(píng)價(jià)等。

通過(guò)以上五環(huán)節(jié)科學(xué)探究的過(guò)程，同學(xué)們整理匯總STEM學(xué)習(xí)的過(guò)程、目標(biāo)和結(jié)果。在各個(gè)學(xué)習(xí)環(huán)節(jié)中首先由教師記錄在巡視過(guò)程中各組開(kāi)展科學(xué)探究的過(guò)程并對(duì)其進(jìn)行發(fā)展性評(píng)價(jià)，然后由教師發(fā)放有針對(duì)性的STEM評(píng)價(jià)量表進(jìn)行自我評(píng)價(jià)，最后請(qǐng)各組成員總結(jié)表述該STEM項(xiàng)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(jī)設(shè)備記錄完整過(guò)程，可在各班進(jìn)行演示。