STEM背景下“探究影响光合作用的因素”的作业设计

张燕

摘    要：以“探究影响光合作用的因素”的作业设计为例，探索了STEM教育与实验教学融合应用的途径。主要包括基于basic语言解读光照强度监控程序，设计探究实验获取数据并修改程序实现温室低光照预警，考察温室设施了解生物学原理在工程技术的应用。作业设计的实施巩固了学生的学科知识和实验技能，关注了学生科学思维的培养，体现了学科育人价值，为跨学科综合发展的教学实践提供了参考。

关键词：STEM;光合作用;实验教学;作业设计

“探究影响光合作用的因素”是《生命科学》（上海科学技术出版社）基础型教材第四章的实验教学内容，在《生命科学学科基本要求》中属于C级学习水平要求。要求学生通过设计“探究影响光合作用的因素”实验，经历“探究影响光合作用的因素”实验过程，较全面地掌握实验设计的原则和方法。光合作用原理是农业生产实践的基础。在人类探索新知识、改造自然界和改变自身生活方式的过程中，科学和工程学是两种最为有效的手段。公民对科学和工程学的深入理解是理性决策的前提。[1]本文就生物实验的作业设计与STEM的融合进行了教学探索。

一、融合STEM教育，巩固知识与技能

STEM在教学实践中的应用和普及，从科学（S）方面来说，应与课堂教学内容有适切的联系，这是促进教师重视教学与STEM融合的基础，从技术（T）和工程（E）方面来说，应以学生的原有认知水平和技能为起点，这是巩固课堂学习并促进学生产生探究欲望的基础。以下题为例：

某學校的温室栽培研究小组发现，当光照强度过低时植物的光合作用不足以维持其生存，为了能监控温室光照强度，他们利用光传感器和TI编程技术（Basic语言），编制了程序brightness，具体见下框。

部分命令的含义如下：

Send：发送命令;READ BRIGHTNESS：读光感受器数值;Get：获取;Disp： 显示。

结合信息科技所学basic语言，尝试解释这段控制程序的意思。

本题的设计首先意在促进学生巩固对光合作用影响因素的认识，加深对实验变量的理解。本题中实验变量的设置和数据采集为学生提供了更接近现代智能化温室系统的情境。在原教材实验设计中，光照强度是通过调控光源的强弱或距离来设置的，这并不符合自然光的真实情况，而利用光传感器和TI编程技术则能实现对自然光照变化的捕捉和记录，这促进了学生对本节实验与智能化温室工作原理的认识对接。

从学习水平来说，学生既有相关的课堂实验经历，也在信息科技学科中学习过basic语言，两者结合帮助学生完成了对该程序的解读：当光照强度大于100时，通过光传感器读取实时光照强度数值并显示;当光照强度小于等于100时停止读取数据并显示“光照不足”。学生在解题过程中同时运用两个学科的基本知识解决问题，其综合能力得到了发展。

二、解决实际问题，发展科学思维

光合作用的相关原理在农业生产实践上有很强的应用价值，如何将实验知识与技能运用于生产实践也是本课作业设计的目标之一。如下题所示，作业关注了本区的农业设施现状，将作业设计指向了实际问题的解决。

截止2016年末，我区第三次农业普查中统计到区内温室占地面积2.5公顷，大棚占地面积405.7公顷。

（1）温室种植有利于光合作用的因素是 ________ ，不利于光合作用的因素是 ________。请参照影响光合作用因素的探究实验，利用真空渗水法，设计一个测定青菜生长需要的最低光照强度的表格。

（2）经过多次实验，研究小组发现光照强度为800lx时，没有叶圆片上浮，30000lx及以上的光照条件下，单位时间上浮的叶圆片数量不变。那么研究小组编写的程序brightness应做怎样的修改以实现对光源不足的监测？

（3）检测到光照强度不足时，可以通过哪些方法解决这一问题？在实施的过程中，是否会影响到植物生长的其他因素？请举例说明。

本题首先结合温室设施和环境来思考温室种植方式有利和不利于植物光合作用的因素，再依据课本实验来设计实验探究温室种植需要的最低光照强度（如表1），巩固并检验了课堂学习效果。对测得的数据则通过对TI程序的改编（设置初始值Bright=800，循环条件为While bright>=800）达到监测光照强度的目的，实现了对变量研究的现实应用。最后进一步思考了温室设施的改进，如补充人工照明、减少大棚塑料覆盖等。区别于实验室单一变量的控制，实际温室中光照强度的改变很可能引起其他影响因素的改变，因此作业设计中要求学生进行更开放性的思考。

从STEM教学来看，前后两题的作业设计结合光照强度改变这一因素，由解读程序到改编程序，难度逐渐提高，凸显了现代信息技术与生物技术融合在人工智能温室上的实践应用，促进了学生科学思维的发展;从作业巩固和反馈的功能来说，作业训练了学生的实验设计能力，在解决实际问题中提升学生的科学探究能力。

三、实地调查实践，体现学科价值

为进一步了解光合作用原理在生产实践上的应用，感悟学科知识与生产实践的紧密联系以及对农业生产的指导意义，布置了社会调查类作业如下：

搜索和了解当地的温室种植园区并利用假期进行考察，记录一些与提高农作物产量有关的温室设施布置。针对温室现状尝试提出一些可以提高农作物产量的建议。

学生在实地考察时，考虑了光照、温度、水分等条件对农作物生产的影响。有的学生观察到了温室内的人工照明系统，有的学生认为温室避风向阳的朝向有利于保温采光，也有的学生记录了种植园的水源和排水系统对灌溉和避免雨季积水的作用。他们也提到了本地大多数大棚设施比较简单，受气候影响减产风险大的问题，建议通过智能化系统控制和调节影响植物生长的外界条件，提高光合作用速率。

综上，本节实验教学的作业设计不仅关注了学生是否掌握了知识要点和实验技能，还关注了学生能否运用相关知识和技能解决实际问题的能力。融合STEM教学的作业设计进一步关注了学生的创新精神和实践能力的培养，并在社会考察中关注了学生社会责任意识的培养，达到了学科育人的目的。[□][◢]

参考文献：

[1]刘恩山，曹保义. 普通高中生物学课程标准（2017年版）解读[M]. 北京：高等教育出版社，2018：18-19.