优秀STEAM案例 | 探究酵母菌细胞呼吸方式

“探究酵母菌细胞呼吸的方式”是人教版高中生物必修一“细胞呼吸”中的重要实验之一。本文通过STEM课程的6E学习模式引导学生开展课题研究。

6E学习模式为落实STEM教学模式，2014年美国国际技术和工程教育学会提出了“6E学习模式”，学生通过亲历“参与、探索、解释、工程、深化和评价”六个环节，在问题意识导向的“科学探究”中培养科学思维能力，在实践活动导引的“工程设计”中提升问题解决能力。作为实践模式的“6E学习模式”进一步明确和细化了知识吸收与内化的基本环节，运用多学科交叠与跨学科融合的方法进行综合性的知识学习和整合性的知识递送。

“探究酵母菌细胞呼吸的方式”是人教版高中生物必修一“细胞呼吸”中的重要实验之一。在学习过程中，学生对酵母菌的细胞呼吸方式产生极大的兴趣，希望做更深入的探究，为此通过STEM课程的6E学习模式引导学生开展课题研究。

STEM课程的活动目标STEM课程中目标的预设可结合新课标中对生物学学科核心素养的要求从科学、技术、工程和数学四个角度来阐述，在本课例中对活动目标的分解见表1。

STEM课程的活动过程

1．参与(Engage)

创设情境，确定 STEM 学习项目。在参与阶段教师需结合教学内容导入课题，创设真实的问题情境激发学生的兴趣。依据学生的学情提出学习任务，确定学习目标，初步了解学习项目。

教师将事先准备的已发好的面团、面包、酿制的葡萄酒等展示，并对此提问面团发酵、面包松软的原因是什么？

与哪种微生物有关?葡萄酒为何如此醇香？如何酿制葡萄酒?学生回答与酵母菌的呼吸作用有关。

教师递进式提问酵母菌的呼吸作用如何进行的？

需要提供怎样的条件?产物有哪些?怎样鉴定产物？

以问题串的形式设疑，巩固之前讲授的核心概念，同时极大激发学生的探究欲。

教师进一步展示关于酵母菌简介的小视频，小组成员了解酵母菌的生活习性并记录。

高二学生已具备基本实验素养和科学探究能力，在小组再次商讨后明确学习目标: 设置适合酵母菌呼吸作用的装置，探究酵母菌在不同条件下的呼吸方式。

2．探索(Explore)

多维支持，设计初步项目方案。探索阶段的目的是为了引导学生积极思考，做出必要的假设并发散思维预期结果。在探索阶段教师可提供必要的学习支架和指导，以学生为主体组织知识构建，设计方案并建模。

教师组织学生根据STEM项目分析和讨论探究的目的、步骤和方案，明确学习的任务、活动和过程。

熟悉实验室已有的设备、材料和仪器，分析和探讨可利用的资源。学生在参考课本、网络资源和实验室条件后设计实验方案，画出装置草图，书写实施实验的一般流程。各小组成员充分交流和探讨，改进实验方案，使实验操作更便捷更高效。教师巡视记录各组典型的解决方案，如学生在对比课本方案后提出课本中发酵8~10h时间过长，讨论后改用酵母粉代替食用酵母菌。

3．解释(Explain)

知识构建，改进设计方案。在解释阶段学生分组解释探索的过程和结果，分析可行性和可实施性。各组成员询问、质疑、评价、完善方案并改进。组织各组学生根据“科学探究”一般步骤详述实验设计方案、实验步骤和可达成的目的，其他组成员认真聆听后提问、交流和反馈，整合设计方案后改进实验装置，如可用多种方案制备氧气以此避免泵入空气时除杂的烦琐步骤。可采用植物油密封法创造无氧环境。发酵温度采用温度传感器实时监测。可用酒精传感器采集酒精数据的相对值。

4．工程(Engineer)

制作工程，实施STEM方案。在工程阶段各组成员需利用实验器材完成实验装置，并通过测试初步体验工程的效果，分享和交流经验，再次完善设计方案。

在组装过程中，各小组同学再次熟悉设计方案，梳理实验流程，搭建实验装置，可结合实验室已有器材自行调整优化实验装置，教师巡视后可对存在困难的小组提供思路以推进实验装置的组装。

在实践过程中，学生分别在有氧和无氧条件的发酵瓶中加入0.2g酵母粉，溶解于10mL5%的葡萄糖溶液，打开有氧呼吸管的阀门，观察两组发酵瓶中的呼吸情况，并对产物进行鉴定。

各小组对结果进行阐述，整理和归纳得出的结果和结论，对未得到预期结果的现象质疑原因，补充和完善，在交流互动中提升学习效率。

5．深化(Enrich)

技术比较，优化STEM方案。深化阶段的目的是在探索中生成新问题，根据新要求提出新方案并开展探究讨论。通过对原项目的拓展和深化，对实验再深入研究深化理解。

教师在巡视过程中发现，很多成员对有氧呼吸和无氧呼吸时二氧化碳的释放量感兴趣，因此教师引导学生利用数学化实验室的设备再调整方案进行探究。通过学生展开热烈的头脑风暴，提出改进方案: 称取酵母粉溶于5%葡萄糖混合均匀后由注射器注入发酵装置中，将其置于适宜温度下( 由温度传感器监测环境温度) ，通过二通管连接朗威二氧化碳传感器，打开电脑显示器选择通用软件，添加“二氧化碳—时间”图线后可读取酵母菌呼吸产生二氧化碳含量的变化曲线。较为理想的两种实验装置如图1所示。

通过对软件采集到的数据通过数学方法表征，观察二氧化碳的动态变化，并对变化尝试做出解释。教师组织学生再深化探究，对氧气、酒精含量的变化检测。

6．评价( Evaluate)

作品表征，汇总项目结果。评价阶段可根据评价标准对学生开展科学探究的过程和结果进行形成性评价、总结性评价等。

通过以上五环节科学探究的过程，同学们整理汇总STEM学习的过程、目标和结果。在各个学习环节中首先由教师记录在巡视过程中各组开展科学探究的过程并对其进行发展性评价，然后由教师发放有针对性的STEM评价量表进行自我评价，最后请各组成员总结表述该STEM项目，并且由所有成员和教师共同选出最佳STEM方案，也可用手机设备记录完整过程，可在各班进行演示。