基于STEM理念的高中生物探究实践——以“氯化钠浓度对植物细胞有丝分裂的影响”为例

郑耀贤

（北京师范大学（珠海）附属高级中学 广东珠海 519080）

《普通高中生物学课程标准（2017年版）》要求学生主动地参与学习，通过探究性学习活动或完成工程学任务，提升应用知识的能力，培养创新精神，探讨或解决现实生活中的某些问题。高阶的学业质量水平（水平三、水平四）要求能够运用科学、技术、工程学和数学（STEM）知识和能力设计方案，并在实践活动中实施，解决生活中的问题。

真正的科学探究是跨学科的知识、能力和技术的综合实践活动，因此，基于STEM理念的科学探究是目前国际科学教育的重要理念，也是提升学生生物学学科核心素养的重要途径，将其渗透到中小学生物学的教学研究中很必要。目前，基于STEM理念在中小学生物学教学中的实践还缺乏具体的案例，基于项目开展真实的科学探究实践是落实STEM理念的主要途径之一。

观察细胞的有丝分裂是高中生物教材中一个经典的基础性实验，也是卫生学校、师范院校及医学院校的生物学实验内容之一。有调查发现几乎所有学校在开展本实验时，都是教师提前做好所有准备，学生只是按部就班完成“解离——漂洗——染色——制片”等步骤，属于低阶水平的学习活动，实验效果也不理想。下面以指导学生开展“探究氯化钠浓度对植物细胞有丝分裂的影响”为例，开展基于STEM理念的生物科学探究实践，在实践中逐步提升生物学学科核心素养，以供参考。

1 组建课题小组，培训基本技能

真实的科学实践探究活动通常需要繁杂的前期准备和持续的观察、记录，同时会涉及到跨学科的知识和技能，学生难以独立完成。由对生物学感兴趣的学生组合成3-5人的课题小组合作开展探究活动，具有较大的可操作性。教师对小组成员进行基本技能的培训，培训内容主要是与实验探究密切相关的技能，如材料的选择、根尖的培养、根尖的分生区的位置、显微镜的使用、拍照的方法、数学建模软件的基本操作等，为探究实践的有效开展破除非目标性壁垒。

2 创设真实情境，明确探究项目

教师创设问题情境：寒冷的天气会影响植物的生长，是否表明温度会影响细胞的分裂？盐碱地生长的植物也会影响植物的生长，是否表明土壤无机盐会影响细胞的分裂？适当的紫外线强度有利于生物的生长，随着臭氧层的破坏，过强的紫外线会灼伤动物的皮肤，是否会影响植物的正常生长和分裂？废电池对环境的带来危害的报道很多，但也有权威科学家通过实验发现与新闻报道相去甚远，那么，废旧电池对植物的生长和增殖有什么影响呢？各小组对问题展开思考、讨论、分析。通过头脑风暴法，课题小组提出可开展以下的探究：紫外线（UV-B）照射对植物根尖分生区细胞有丝分裂的影响；氯化钠浓度对植物根尖分生区细胞有丝分裂的影响；干电池浸出液对植物根尖分生区细胞有丝分裂的影响；外界温度对植物根尖分生区细胞有丝分裂的影响；重金属铅对植物根尖分生区细胞有丝分裂的影响。以下以“探究氯化钠浓度对植物根尖分生区细胞有丝分裂的影响”进行说明。

3 设计项目方案

设计并实施恰当可行的实验方案属于高阶的科学探究水平，需注意选择合适的材料、药品、试剂、器具，遵循实验设计的基本原则，制订科学合理的实验步骤等方面。

3.1 材料选择

常规实验一般用洋葱作为实验材料。但是，洋葱存在休眠期较长，生根数目偏少等情况。实践表明大蒜诱发生根较容易，生根数目远多于洋葱，是一种很好的实验材料。并且，大蒜的价格低廉，因此小组确定以大蒜作为本探究的材料。另外，实践发现红葱头也具有类似大蒜的优点，同样可以作为改进材料。

3.2 根尖培养

取大小基本一致的健壮大蒜瓣，剥去其干燥的膜质鳞被，保留下端微微突起的根原体，放入盛有清水的烧杯中，水刚好浸没大蒜根部，放入光照培养箱（温度25℃，光照度80%）中培养，每天换水1次，待根生长到1～2 cm时进行预处理。

3.3 氯化钠溶液浓度确定

在进行科学研究时，有时需要在正式实验前先做一个预实验，这样可以为进一步的实验探索条件。教师将“中国知网”、国家数字图书馆、百度学术等文献检索途径介绍给学生，并指导学生进行检索各小组通过检索，初步确定了以0、50、100、150、200 mg·L-1浓度的氯化钠溶液开展预实验，将大蒜移入盛有不同浓度的氯化钠培养液烧杯中连续培养72 h后取根尖进行观察。预实验发现200 mg·L-1的氯化钠处理24 h后根部基本溃烂，100 mg·L-1和150 mg·L-1处理72 h后，根部也基本溃烂了，说明外界溶液浓度过高导致根部细胞失水过多死亡。因此，本探究将溶液浓度梯度确定为0、25、50、75 mg·L-1。

3.4 确定取材时间

结合人教版必修1教材和其他文献查阅，可知大蒜根尖的分裂在一天的不同时间里存在差异，其有丝分裂的高峰期为上午。因此剪取根尖的时间安排在上午，并且要考虑与上课时间错开，所以最终确定剪取时间为早上9∶30，刚好是学校大课间的时间，具有可操作性。

3.5 根尖剪取长度

根尖分生区是根尖有丝分裂比较旺盛的区域，因此实验材料应该为根尖最前面2 mm长的区域。不过，由于剪取后的材料要进行一系列的操作，太短的材料不易操作并容易丢失，因此，确定每次剪取根尖的长度为1 cm左右。待全部处理后，要制片前，再切取根尖分生区2 mm的区域。

3.6 染色液选择

利用显微镜对本实验的观察，必须依赖染色液对染色体进行染色后进行判断。因此适合的染色液对实验的顺利开展起到至关重要的作用。人教版教材提供了龙胆紫染液、醋酸洋红染液和改良苯酚品红染液作为染液。这三种染液都为碱性染液，容易与染色体着色。预染色后发现用改良苯酚品红染液染色，细胞质色泽很浅，染色体呈粉红色，观察效果最好，有利于显微拍照，因此，本探究确定用其作为染液。不过改良苯酚品红的配制较复杂，并且配置好需静置一周以上，所以，本研究取用实验室去年配制好的染液，效果很好。另外，由于该染液的着色较浅，所以染色的时间可以控制在6～8 min。

3.7 制片

光学显微镜是利用光线的投射进行观察，因此制片时只有将材料充分分散开，形成单个细胞之间彼此分离的状态，才能较好进行观察和统计。染色好的根尖盖好盖玻片，然后用平整的铅笔头缓慢均匀的敲击盖玻片，直至将材料敲至雨雾状，进行镜检，可以观察到彼此分离的细胞。

3.8 拍照和统计

利用显微摄像头，连接上电脑，随机选取10个视野，拍照储存。再通过计数，统计出总细胞数和处于分裂期的细胞数，算出不同条件下的分裂指数。

4 实施探究项目

（1）实验器材：显微镜、笔记本电脑、显微摄像头、天平、小锥形瓶、载玻片、盖玻片、氯化钠、固定液、解离液、改良苯酚品红、大蒜。

（2）实验方法：

①培养根尖：用清水培养剥去干燥的膜质鳞被的蒜瓣若干，每天换水，待根尖长至1 cm长。

② 配制培养液：小组成员配制0、25、50、75 mg·L-1的氯化钠溶液各100 mL待用。

③氯化钠处理：将根尖长至1 cm长的蒜瓣移到不同浓度的氯化钠溶液中培养72 h。

④取根和固定：在不同浓度培养了72 h（即第四天的9∶30）后，各取2～3条长约1 cm的根尖，然后移入卡诺氏固定液（无水乙醇与冰醋酸的体积比为3∶1）中，并分别用标签做好标记；固定0.5～1 h后，用蒸馏水润洗3 min左右。

⑤解离及漂洗：将固定后的根尖放入培养皿中，加入少许解离液（体积分数为15%的盐酸和95%的酒精按1∶1混合），解离4 min左右。取出根尖放入盛有清水的培养皿中漂洗10 min。

⑥染色及压片：用剪刀剪取根尖尖端2 mm，接着放进改良苯酚品红染液中，染色5 min，然后压片。

⑦镜检和显微拍摄及数据统计：将压片好的装片置于显微镜下镜检，连接显微摄像头和计算机，每个装片随机选取10个视野进行拍照，统计细胞分裂数目，计算分裂指数。有丝分裂指数=（视野中分裂期的细胞数/视野中观察到的细胞总数）×100%。

5 结果与分析

实验结果见表1。

表1 不同氯化钠浓度培养液对大蒜根尖有丝分裂指数的影响

据表1可知，氯化钠溶液对大蒜根尖有丝分裂存在影响，25 mg·L-1和50 mg·L-1氯化钠溶液培养72 h后，能促进根尖细胞的有丝分裂，而较高浓度的氯化钠溶液会抑制有丝分裂。这可能是由于低浓度的氯化钠能为植物细胞提供生长所必须的无机盐离子，促进分裂。植物对无机盐的需求量较低，因此，较高浓度的培养液培养后，可能由于引起细胞失水影响植物的代谢，间接影响植物细胞的有丝分裂；而过高的浓度可引起细胞失水过多而死亡，从而出现预实验出现的根尖溃烂的现象。

6 表达与交流

课题小组完成探究实验后派出代表向全班同学做结题汇报，将问题的生成、实验设计、实验准备、实验过程、实验结果、结果分析以及建议进一步探究的问题等进行分享，并分享了开展探究实践过程中在科学、技术、数学与工程学（STEM）等方面所得到的提升和感受，最后接受同学的质询。

7 教学反思

学生在开展探究实践中，亲历了提出问题、获取信息、寻找证据、检验假设、发现规律等过程，发展了学生的科学探究素养。学生在开展该探究活动中，能亲切地感悟到生物与环境的密切联系，发展了稳态与平衡观等生命观念；同时，培养了关注环境尝试解决现实生活问题，形成生态意识等社会责任素养。学生在设计实验和通过数学建模进行演绎推理提出实验结论的过程中发展了科学思维素养。

在现有中小学教育中，有效开展STEM教育的2种典型路径是：①基于项目开展真实的科学探究实践，其结果是新发现或新理论；②应用科学原理和工程技术，设计方案解决现实生活中的问题。跨学科和基于设计是STEM教育的重要特征，开展该项目需要运用生物、化学、数学、信息技术、显微摄影等跨学科的知识与技能，才得以顺利完成。同时，学生在设计实验的过程和优化实验方法寻找最佳试剂配比等多方面做出了努力，这也是工程学的思维路径。该探究实践经历的时间较长，学生需要主动参与寻找文献支持，需要在不断试误中优化方案，在“尝试——失败——再尝试”的循环中，感悟到了科学探索的不容易，也体会到来之不易的成功的喜悦，在解决真实情境中的实际问题中实现知识、能力、情感态度价值观的提升。