STEM理念在高中生物学建模教学中的应用
摘要以2019人教版高中生物学必修1中的“影响酶活性的条件”为例，构建酶活性受温度和pH影响的数学模型，在STEM视角下开展探究活动，以期培养学生的创新思维和科学实践能力，提升学生的学科核心素养。
关键词STEM建模教学??项目式学习?酶活性?科学探究
中图分类号G633.91?文献标志码B
STEM是指科学、技术和工程、数学等多学科融合，以项目形式进行学习的一种全新教学理念。高中生物学教学中将STEM界定为基于已有的STEM相关领域的学科（生物学），有机嵌入一至多门其他STEM相关学科（科学、技术、工程、数学中的任意一门或多门），以培养学生综合运用各科知识的能力与素养的教育理念。由于其综合性强，教师多采取“课内渗透，课外延伸”的项目式学习形式。
“建模教學”最初由亚利桑那州立大学理论物理学家Hestenes创立，当时主要应用于物理学科，随着多年研究的深入，实践与研究证明建模教学不仅可以帮助学习者深入领悟核心问题，还能提升学习者自主学习能力。建模教学与STEM的教育理念存在一致性，从教育目标来看，建模教学与STEM都是将学生塑造成创新型人才;从教育方法来看，建模教学与STEM均提倡情境参与式、实践体验式教学（图1）。2019年人教版高中生物学教材，有着丰富的建模资源可以融入STEM理念，以培养学生的学科核心素养和综合素质。下文以《必修1·分子与细胞》中“影响酶活性的条件”为例，阐述在高中生物建模教学中如何融入STEM理念。
1“影响酶活性的条件”的教学分析
“影响酶活性的条件”是《必修1·分子与细胞》第五章第一节“降低化学反应活化能的酶”中的第三个探究实践活动，本节是在学习“酶的作用和本质”“酶?的高效性和专一性”等相关知识的基础上进行的，也?是进一步学习“细胞呼吸”和“光合作用”等细胞代谢?知识、理解基因对生物性状的控制等重要概念的基?础，具有承上启下的作用。《普通高中生物学课程标准?（2017年版）》（以下简称《课程标准》）关于本节的内容?要求是“说明酶活性受到环境因素（如pH和温度等）的影响”。本节课通过探究实验“影响酶活性的条件”来阐述“酶的作用条件较温和”这个概念，要求学生进?行有关实验和探究，学会调控自变量，观察和检测因?变量的变化，设计实验以及设置对照组和重复试验。此探究实践活动以融入STEM元素并构建数学模型来?理解概念，由于容量大、能力要求高，采用“课内渗透，课外延伸”的项目式学习来进行教学。
2?融入STEM理念的模型建构项目式学习设计
建模教学就是模型建构。模型建构是一种重要的科学探究活动，是科学家们获得科学理解、解释科学现象的重要手段。高中生物学学习中的模型建构是对已有生物模型的“再建构”，是对生物学家模型建构的高度模仿，要求抓住生物学家模型建构的关键思路、关键过程和关键环节，简约地经历类似于科学家建构模型的过程。学生探究酶活性受温度和pH的影响，通过实验数据（原型），对直接观测到的原型进行归纳和抽象，构建基于原型的数学模型，实现了生物学现象数学化，并在设计过程中运用技术（实验器材的改进）和工程（探究方案的设计），体现了STEM教学理念。
2.1基于问题情境，提出研究问题
教师创设问题情境，使学生有切身的体会，更容易理解知识点，从而提出有价值的研究问题：为什么残留在牙缝里的食物残渣多数都是肉丝，而不是米饭？在体外也是如此吗？有哪些影响因素？口腔中的唾液淀粉酶具有专一性，但学生进行实验操作时，因为要控制温度和pH等无关变量，所以未必能得到准确的实验结果。接着，教师追问：发烧时，人体有什么感受？口腔温度和体温差不多，而当口腔中的唾液淀粉酶进入胃以后却不能催化淀粉水解了，为什么？根据展示的生活情境，学生展开积极的讨论，提出的问题主要包括：①高烧时没有胃口，推测高烧使体温升高，从而影响到消化酶的作用，导致没有食欲，进而推测酶活性在作用过程中与温度变化有关。②唾液的pH和胃液的pH差异很大，唾液淀粉酶在胃中失去作用的原因可能是因为环境的pH改变，导致唾液淀粉酶的活性发生改变，进而推测酶活性的大小与pH有关。
2.2根据研究课题，设计探究方案
从学生提出的问题中，教师确立研究课题为：①?酶活性受温度的影响;②酶活性受pH的影响。随后，学生展开分组讨论设计探究方案，探究方案要呈现以下内容：①?探究目的;②?实验原理;③?实验材料和器具;④?实验步骤;⑤?数据记录（原型）;⑥?分析处理数据（数据原型图像化）;⑦注意事项（调控自变量、观测因变量、控制无关变量）。学生讨论、得出初步的实验设计：选取淀粉酶、淀粉溶液，用碘液检验在沸水、50℃温水和冰水中淀粉酶对淀粉的分解情况;选取肝脏研磨液、过氧化氢溶液，