优秀STEAM案例 | 探究酸雨对生物的影响

本文以初中生物学“酸雨对生物的影响”为核心问题设计STEM项目式教学，通过资料搜集与现状调查、设计并构建模拟酸雨多功能实验装置、设置并实施系列探究活动与可持续环保小制作等活动，实现学科融合，提升学生科学素养、创新思维与解决实际问题的能力。

以生物学学科核心素养为着力点，开展STEM项目教学

“探究酸雨对生物的影响”是人教版生物学七年级下册“探究环境污染对生物的影响”中的实验内容。“认识人类活动对环境的影响及探究环境污染对生物的影响”是本节课的重点和难点。学生设计并完成探究性实验活动后将认识到环境污染对生物的生存和繁衍产生一定的影响，在此基础上，认同人类应对环境进行保护及加强清洁能源的开发，初步树立爱护环境、绿色环保的意识。

教材原实验设计为模拟酸雨对绿豆种子萌发的影响，实验周期长，可观察的因变量指标少，实验结果不能很好地揭示酸雨的影响及实质，实验操作繁琐导致实验开设率低，目标达成困难，教学效果差。但环境污染问题日趋严重，深深影响人类的生活和健康，因此“探究环境污染对生物的影响”将帮助初中生认识和认同“人类命运共同体”及人类应携手应对全球环境问题。在此背景下，笔者以“酸雨对生物的影响”内容为主线，设计并实施初中生物学STEM项目教学案例，探讨STEM理念在课程中的融合。

1.围绕核心素养，设计STEM项目式教学

学生对环境污染有一定的了解，但是了解不深，无法说出环境污染（如酸雨）对生物及生态系统具体产生哪些影响，因而需要经过现状调查和实验探究引导学生深入学习。因此，STEM项目式教学将围绕核心素养，采用思维进阶的形式，梳理和确立项目主题（图1）。

2.组织课程内容，制定课程计划

在项目子主题确定后，为了保证项目有序开展，提高项目进展的效率，下一步教师应明确课程的阶段任务，规划教学活动和学生探究过程，为课程主题搭建桥梁，完善课程框架。学生活动的安排将结合课后服务时间与课程内容的逻辑关系，分为课前阶段、课中阶段和课后阶段，以创客社团为实施主体，完成项目活动（图2）。

3.组建学习小组，开展项目研究

以学校创客社团为载体，以组内异质，组间同质为原则进行分组，社团共计30人，分为6组（A~F组），每组5人。为提高活动的效率，每组在3个阶段中完成特定的项目内容，每个阶段结束后将进行组间讨论、碰撞交流和成果汇总，以筹备和调整下一个阶段的探究内容（表1）。每次成果交流后，指导教师将对小组成果予以评价和等级考核，最终小组依据总分排名将获得“创客能手”“创客新星”等荣誉并进行通报表扬，以提高学生的学习积极性。

教师将在社团钉钉群发布项目预告，并在社团课组织学生分组和分配任务。在学生进行活动的过程中，教师应及时提供学习资料和技术指导，帮助学生顺利完成项目。在信息搜集的渠道上，教师应给学生提供权威网站进行参考，如“中国气象科普网”“中国气象局”“深圳气象局”“深圳气象与天文科普数字馆”等网站和资源库，提高信息的可信度，获得准确的资料。在技术指导上，结合初中生物学相关改进实验，对实验操作进行指导，如“探究酸雨对黑藻光合作用影响”时，提示将光合作用效率可视化，可利用红墨水、刻度尺、玻璃管等直观记录光合效率（图3、4）；在“探究酸雨对斑马鱼心跳的影响”中，提示学生准确选择斑马鱼胚胎孵化的时间（孵化24h内，避免个体太大制作装片困难），可利用单凹载玻片制作临时装片（避免压扁斑马鱼），并利用红墨水和倾斜玻片的方法观察“模拟酸雨”浸润过程（图5）。

在实验方案的设计上，提示学生应遵从实验探究的对照实验原则、单一变量原则与重复实验原则，每个实验均应设置对照组，记录实验材料在正常状态下的相应参数；在比较不同pH下实验组的区别时，应选择形态、质量和生长状态基本一致的实验材料，减少无关变量带来的实验结果误差；每组实验应至少设置3个重复样本，提高实验结果的可信度；针对实验结果的处理，可利用折线图提高数据的直观性。

4.成果展示与评价

课前阶段成果展示与评价

课前阶段重点了解我国环境污染的现状、酸雨的治理方法及中国能源架构，并尝试制作模拟酸雨形成的多功能实验装置，该装置能够直观地演示模拟酸雨形成的过程，同时可用于探究模拟酸雨对水生生态系统的直观影响。具体成果以报告和模型为主（图6、7），教师针对小组的成果予以评价及等级评分，小组可经过多次修改以求获得更高评价。

课中阶段成果展示与评价

课中阶段利用模型并创设实验，呈现“模拟酸雨对生物影响”的实验现象和结论，通过实验数据的采集和整理、结果分析、总结归纳、延伸提炼等环节回答“酸雨对生物产生的具体影响及对酸雨应持怎样的态度？”。利用模拟实验装置探究“模拟酸雨对生物的影响”的实验（图8）：利用硫粉的燃烧及模拟降水过程，通过pH传感器和数据采集软件，可以直观地显示水体pH的变化并观察泥鳅的变化：随着模拟酸雨进入水体，水体pH从6.19下降到3.18；泥鳅游动速度加快，并伴随不停跳跃出水面的逃避行为，在实验进行到7min时，大部分泥鳅显示死亡的迹象，黑藻大量叶片脱落，可见酸雨对泥鳅和黑藻造成严重的生命威胁。

为了进一步分析模拟酸雨在微观水平对生物产生的影响，课前学生借助pH检测仪，将模拟装置（主装置空置时）生成的液体作为母液（pH=1），利用稀氢氧化钠溶液与其混合配制成pH梯度为2、3、4、5的溶液作为模拟酸雨备用。小组C、D探究不同pH的模拟酸雨对斑马鱼幼鱼心率的影响（图9、10），小组E、F探究不同pH的模拟酸雨对黑藻胞质环流和光合作用的影响（图11、12）。

结果显示，模拟酸雨抑制斑马鱼幼鱼的心跳，随着水体酸性增强，抑制效果增强，在pH=2时，还会对斑马鱼机体造成损伤。模拟酸雨对植物同样存在抑制作用：模拟酸雨抑制黑藻胞质环流与光合作用的效率，酸性越强，抑制作用越强；在强酸状态下（如pH=2）黑藻停止胞质环流及光合作用。综上实验可知，模拟酸雨威胁生物的生命健康，抑制动植物的生命活动。

小组之间交流实验结果，整理模拟酸雨对生物的具体影响，推测、总结出酸雨的危害，为报告撰写和环保创作打下基础。教师在探究和交流的过程中，引导学生对活动过程进行反思与改进，思考与评价，如为了更直观地分析数据，应如何对数据进行整理与转换？小组之间，以及教师对小组和成员进行多元化评价：如项目实践表现、实验分析与数据整理能力、小组合作能力等。

课后阶段成果展示与评价

在现状调查和实验探究的基础上，小组结合酸雨的形成原因与影响，在完成探究报告的同时，将反思成果物化，完成了手抄报、环保宣传片拍摄与环保科技小制作——人体感应台扇（图13、14）。

学生展示成果并进行汇报：环保小制作的理念是利用清洁环保能源，为人类服务，设置太阳能板将太阳能转换为电能，利用红外传感器感应人的存在，启动小风扇为人服务；当黑夜降临，光线感应器将联通LED灯，照亮环境。通过制作、试误与拍摄，提高学生的动手能力、创造能力与信息技术运用能力，体验能源的珍贵，并在潜移默化中树立爱护环境、珍惜能源等社会责任意识。

以STEM理念为核心，实现跨学科融合

活动主要面对七年级学生，在项目进行时，学生并未学习物理学、化学等知识，设计模拟实验装置存在较大困难，很难理解硫在燃烧过程中存在哪些变化及如何形成酸雨。基于此，项目在设计时应合理选择和寻找学科融合的焦点，梳理融合的方法。

1.寻找学科知识融合点

项目活动主要涉及生物学、物理学、化学等科学内容（表2），学生对这些内容大多不熟悉，缺乏知识储备，因此，在进行项目时，教师应提供和补充相应的资料和支架，帮助学生掌握相关知识点，顺利实现学科融合。在基于生物学的跨学科融合的过程中，以生物学知识为主，其他学科知识为辅，简单提示和说明，突出主题，明确目标，厘清脉络。

2.结合STEM理念，实现跨学科融合

在传统的实验中，模拟酸雨一直以稀硫酸或者稀盐酸试剂代替，学生无法直观感受模拟酸雨形成的过程，且探究模拟酸雨对生物的影响实验一直停留在对生物表观的观察上，容易造成学生对酸雨影响的认知较浅，对实验分析的思维过程简单、思维水平较低等情况。为引导学生更好观察模拟酸雨形成的过程，深入理解酸雨对生物的影响，认识到酸雨的危害，笔者结合模拟实验装置开展STEM项目教学活动，引导学生进行学科融合。

模拟酸雨实验装置的制作

器材准备：大密封罐（主装置，耐热）、喷嘴、宝塔球阀、罗伯特夹管、太阳能带调节器水泵（3W，太阳能板代替交流电作为能源输入，完成充电后可拆除）、燃烧匙、乳胶管、储物罐等。

技术支持：pH传感器、数据采集软件。

装置原理见图15：

密封罐是反应主装置，上方连接了3个装置：氧气输送管、喷嘴、燃烧匙。燃烧匙可放置一定量的硫粉，当点燃硫粉后，将产生大量二氧化硫（模拟矿石燃料燃烧释放二氧化硫）；中间连接喷嘴-乳胶管（带止水夹，可阻止二氧化硫气体外溢）-水泵，打开水泵后模拟降水，可调节控制雨量的大小（喷嘴65℃，增大“降水”的范围）；最左侧氧气输送管连接着氧气瓶（可调节速度），为硫粉的燃烧提供充足的氧气，并促进模拟酸雨的形成（二氧化硫与水反应生成亚硫酸，亚硫酸进一步氧化形成硫酸）。密封罐经过密封处理，硫燃烧、氧气的输入及模拟降雨的形成将引起密封罐气压上升，为平衡内外气压，密封罐与储物罐之间利用下端球阀相连，在模拟降雨形成时同步打开，平衡气压：水将从此处回流至储物罐内，形成小环境水循环，在实验过程中不必重复加水。模拟酸雨形成后，下落至下方水体中，将引起水体pH下降。为了直观定性地观察密封罐内的水体的pH变化，密封罐下端连接pH传感器，与电脑数据采集软件相连，实时观察水体酸碱度变化。实验者可通过观察数据采集软件中数据的变化和密封罐内生物的行为和生命体征变化，分析模拟酸雨对水生生物的影响。

利用模拟实验装置探究酸雨的宏观影响

实验材料：泥鳅15条、黑藻若干。

实验指导：（1）提出问题：酸雨是如何形成的？模拟酸雨对生物有哪些宏观影响？（2）作出假设：酸雨的形成主要原因是含硫矿石燃料的燃烧，酸雨危害生物的健康，可能会造成生物死亡。（3）设计并实施方案：利用模拟酸雨装置，开展模拟酸雨对泥鳅、黑藻宏观影响的实验，观察水体pH和生物的变化，说说酸雨对生物产生的影响。

通过模拟装置的组装与应用，在模型的准备、调试和验证过程中深入了解酸雨形成的原理及其危害，提高了跨学科运用的能力，实现了对“酸雨”及其对生物影响的跨学科探索。

文章来源：中国知网

文章原名：《初中生物学 STEM 项目教学实践——以“探究酸雨对生物的影响”为例》，有删减

作者：

刘思1 胡轶群2 汪悦3 张院乐3 黄伟林4 谢晓倩3 方佳敏3

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转自：STEAM教师

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原标题：《优秀STEAM案例 | 探究酸雨对生物的影响》

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