基于STEM的“生活污水处理工程”生物学活动设计

王 妍 李建宏

(1 南京师范大学教师教育学院 南京 210009； 2 南京师范大学生命科学学院 南京 210046)

我国在高中生物学课程中设置了“生物技术与生物技术实践”的选修模块，选修模块的设置也体现出对科学技术的重视。所以，进一步开设STEM课程或进行STEM活动，可将科学、技术、工程和数学更有效地结合。而且高中生物学教材中设置的实验活动较少，对学生的探究能力要求也偏低。所以STEM课程或STEM活动的设置更有利于学生的全面发展，而且可以加强学科之间的联系[1，2]。

为了契合STEM教育理念，需要整个活动基于工程设计展开，在完成一项工程的过程中，提高学生科学探究的核心素养。生物学科与人们的生活息息相关，所以对于STEM活动的选择，既要贴近人们的生活，又要能引起学生的兴趣。因此，本文选择了“污水处理工程”这个主题进行活动设计。污水处理的技术较多，希望能够运用生物学的方法经济有效地去除水体中的氮磷。在水体的自然净化中，人们意识到藻类的巨大作用。藻细胞微小，适应性强，而且分布广，能利用多种氮源和磷源[3]。但是一般的悬浮藻在处理污水时，难以回收容易造成水体的二次污染。所以，采用固定化微生物技术，将藻细胞固定形成固定化藻系统，解决了悬浮藻处理的缺陷[4]。表1所列为该主题与STEM各方面相关的部分知识内容。通过该活动的实践，不但可增强学生的环保意识，而且对于学生将来从事的职业多一种选择，为环境保护尽一份自己的力量。

表1 与STEM相关“污水处理工程”学习内容的部分知识

1 活动开展的背景知识介绍

教师首先向学生展示开展活动的相关背景知识： (1)生物氧化塘： 是一种利用天然净化能力对污水进行处理的构筑物的总称。利用藻类和细菌等生物之间的协同作用连续处理污水的生物循环过程。好氧菌能将有机物氧化为CO2和水，将含氮有机物进行氨化，然后硝化，生成氨氮、亚硝酸盐和硝酸盐，将含磷化合物降解为正磷酸盐；藻类能利用多种无机和有机氮化合物、磷等用于生长，能利用CO2和水合成糖类并释放氧气，并且还能去除重金属等有毒物质，对污水处理有很好的作用。细菌代谢的物质被藻类吸收转化，藻类释会随水进入下一个塘，如何解决这个问题？②有些实验方案是用藻进行污水处理，有些是用菌进行处理，与前两种相比，菌藻共生的处理方案好在哪里？其处理的效果是否也比前两种好呢？请各学生小组设计实验进行验证。

随后请学生思考： ①排水时，好氧塘中的藻和菌量的藻种于灭菌过的培养基中，混匀，在温度25±1℃，光强2000～4000Lx，连续光照的条件下培养，每天定时摇动2次。

2 实验方法与步骤

师生经过思考讨论，最终形成实验方案。

2.1 模拟有机污水 生活污水含有大量有机物，氮、磷含量高，所以在实验室中可以配制类似的生活污水。具体组成如下： 葡萄糖1713mg/L、尿素300mg/L、碳酸铵217mg/L、磷酸二氢钾175.5mg/L、氯化钙23.4mg/L、硫酸镁90mg/L、硫酸亚铁2.2mg/L。

2.2 藻类的培养 配制培养基(BG-11)，并分装在若干个三角瓶中，三角瓶瓶口塞上棉塞并用报纸包扎，然后高压蒸汽灭菌。在无菌条件下用移液枪接种一定放的氧气以及产生的能量为细菌所利用。氧化池(好氧塘)深度一般为0.3～0.5m。阳光可以直接射透到塘底，塘内存在着细菌、原生动物和藻类，由藻类的光合作用和风力搅动提供溶解氧，好氧微生物对有机物进行降解。(2)固定化技术： ①包埋法。将酶或细胞包埋在固化的载体中。例如，聚丙烯酰胺凝胶等高分子凝胶或硝酸纤维素等半透性高分子膜，这种结构可以防止细胞或酶渗漏，允许底物和产物扩散；②吸附法。微生物细胞通过自然附着力。例如，物理吸附、离子结合等方式，固定在载体表面；③交联法。使用双功能或多功能试剂，直接与细胞表面的反应基团如氨基、羧基等等进行交联，形成共价键来固定细胞。

当藻类生长到对数生长期时，即可进行实验。关于确定藻的生物量的方法： ①血球计数板计数法；②光密度法(分光光度计测OD值)。

2.3 海藻酸钠钙胶球 包埋法固定化藻菌，将悬浮的细胞与海藻酸钠按一定的比例混合。把混合物导入针管中，在一定的高度，按一定的速度，逐滴滴入固定液CaCl2中，此时Na+与Ca2+发生交换，交联一段时间，形成稳定的海藻酸钠钙胶球。

3 实验结果分析及评价反馈

学生自行设计实验结果记录表，并写一份实验报告。课后查阅资料，了解并尝试设计污水处理池。

评价指南： 见表2。

表2 模拟生活污水处理工程活动评价表

(填写说明： 请真实填写该评价表，按照评价内容与自己的实际情况填写，不符合～符合之间的分值是0～5，即0代表完全不符合，5代表完全符合)

4 活动反思

从上面的污水处理工程的活动设计中可看出，学生学习了微生物的呼吸作用方式、藻的光合作用、呼吸作用与光合作用的联系、固定化菌藻细胞等知识，这体现了STEM中的S(科学)；在制作装置的过程中，涉及了污水处理技术、固定化技术和数据处理技术等，这体现了T(技术)；制作藻类的生长曲线图、污水处理池制作时的相关长宽高的设定等，这体现了M(数学)；在活动实施的过程中，学生发现问题、设计解决问题的实验方案、谈论修改实施方案以及最后应用并完善方案，整个过程体现了E(工程)。结合该课程的学习，可带领学生去污水处理工厂参观，切身感受实际工厂的处理过程，让学生更加深入地了解污水处理的过程以及相关原理，对自己制作的污水处理装置可提出更好的改进方案。

每节活动课都设置了评价标准，要注重学生的过程性评价，并将学生的自我评价和他人评价结合起来，可使学生逐步把握正确的学习方式，树立正确的学习动机。对于教师来说，能及时发现学生的问题，得到相关教学反馈，有利于教师进行教学方法及教学过程的改进。