基于5E模式的STEM教育項(xiàng)目

周建中

摘 要 在STEM項(xiàng)目式學(xué)習(xí)中，運(yùn)用5E模式的5個(gè)環(huán)節(jié)：引入、探究、解釋、遷移、評(píng)價(jià)，進(jìn)行生態(tài)瓶穩(wěn)定性探究的案例設(shè)計(jì)，突出在實(shí)踐活動(dòng)中教師的教學(xué)引領(lǐng)、學(xué)生的自主學(xué)習(xí)，以期學(xué)生能夠構(gòu)建并應(yīng)用科學(xué)概念。

關(guān)鍵詞 5E模式 STEM 生態(tài)瓶 案例設(shè)計(jì)

0 引言

5E模式是由美國(guó)生物學(xué)課程研究會(huì)開發(fā)的一種基于建構(gòu)主義教學(xué)理論和概念轉(zhuǎn)變的教學(xué)方法，在科學(xué)教育領(lǐng)域受到了高度的關(guān)注[1]。這一模式主要由引入（Engagement）、探究（Exploration）、解釋（Explanation）、遷移（Elaboration）和評(píng)價(jià)（Evaluation）構(gòu)成，通過(guò)探究式教學(xué)，將這5個(gè)環(huán)節(jié)有效地整合到學(xué)習(xí)過(guò)程中。而5E模式與STEM教育的融合，則為項(xiàng)目式學(xué)習(xí)提供了極好的實(shí)踐方法和手段。從某種意義上講，5E為STEM教育而準(zhǔn)備，STEM教育因5E而得到滋養(yǎng)。兩者的結(jié)合，使學(xué)生進(jìn)行探究式學(xué)習(xí)、問題式學(xué)習(xí)這一主動(dòng)建構(gòu)的過(guò)程有章可循、清晰明了，有利于學(xué)生將先前概念向科學(xué)概念的轉(zhuǎn)化。

本文以針對(duì)10～14歲學(xué)生實(shí)施的生物學(xué)小課題“生態(tài)瓶穩(wěn)定性探究的案例設(shè)計(jì)”為例，分析和展示基于5E模式的STEM教學(xué)項(xiàng)目及其理念在指導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行科學(xué)探究中的具體應(yīng)用。

1 引入（Engagement）

電影《狼圖騰》中有這樣一個(gè)場(chǎng)景：人們趕到大雪湖去尋找狼貯備的食物，發(fā)現(xiàn)了一只活的小黃羊，比利格阿爸卻要求把那只黃羊放了?？吹竭@里，或許你會(huì)問，當(dāng)時(shí)食物那么匱乏，為什么還要把那只和綿羊爭(zhēng)奪食物的黃羊放了呢？其實(shí)這里面蘊(yùn)含著生態(tài)學(xué)的道理：如果狼的食物都被人取走了，狼就會(huì)攻擊更多的綿羊；如果黃羊種群同時(shí)存在的話，那么綿羊被狼攻擊的可能性就會(huì)減少。這就是生態(tài)平衡，即在草原上，草、食草動(dòng)物（黃羊、旱獺、野兔、草原鼠）、人類飼養(yǎng)的動(dòng)物（綿羊）、食肉動(dòng)物（狼），以及它們所處的環(huán)境之間達(dá)到一個(gè)相對(duì)穩(wěn)定的動(dòng)態(tài)平衡狀態(tài)。下面，我們就通過(guò)制作一個(gè)生態(tài)瓶來(lái)探究一下這種平衡。

引入是5E模式的起始環(huán)節(jié)。[2]在這個(gè)過(guò)程中，學(xué)生已有的知識(shí)和教師創(chuàng)設(shè)的情境之間產(chǎn)生沖突，這是實(shí)現(xiàn)概念轉(zhuǎn)變的重要策略之一，為下一階段的實(shí)踐奠定基礎(chǔ)。[3]以電影《狼圖騰》為線索展開探究，目的是通過(guò)影片的相關(guān)情節(jié)這一生活中的資料來(lái)設(shè)計(jì)問題，從“為什么要放走黃羊”、“草原中的生物之間有一條怎樣的食物鏈”，進(jìn)而引出“什么是生態(tài)平衡”的核心問題。學(xué)生在思考的過(guò)程中可能會(huì)一知半解、可能會(huì)困惑不已，好奇心、求知欲得到極大激發(fā)，這也為探究?jī)?nèi)容——“生態(tài)瓶的設(shè)計(jì)研究”作了鋪墊。

2 探究（Exploration）

在探究環(huán)節(jié)，我們希望學(xué)生通過(guò)梳理電影《狼圖騰》中的食物鏈關(guān)系，分析良好的生態(tài)系統(tǒng)所具備的要素，設(shè)計(jì)一個(gè)模擬的微小生態(tài)系統(tǒng)。教師首先向?qū)W生介紹處于平衡狀態(tài)下生態(tài)系統(tǒng)的例子，引導(dǎo)學(xué)生自主設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案。如圖1所示，教師可根據(jù)實(shí)際情況提供制作生態(tài)瓶的部分材料（如玻璃瓶、沙子、水草、水生動(dòng)物、凡士林、撈魚網(wǎng)、一次性杯子、鑷子等），其余部分可由學(xué)生自己準(zhǔn)備。本環(huán)節(jié)將通過(guò)2個(gè)緊密相扣的實(shí)驗(yàn)活動(dòng)，引導(dǎo)學(xué)生按梯度進(jìn)行探究。

（1）生態(tài)瓶的初步制作。在教師的指導(dǎo)下，制作一個(gè)“入門級(jí)”的生態(tài)瓶，使得學(xué)生形成一個(gè)初步認(rèn)識(shí)，大致了解生態(tài)瓶所需的基本要素：環(huán)境（陽(yáng)光、溫度等）、實(shí)驗(yàn)對(duì)象、實(shí)驗(yàn)裝置等。

（2）生態(tài)瓶的優(yōu)化設(shè)計(jì)。保證生態(tài)瓶中的生物數(shù)量能夠達(dá)到相對(duì)穩(wěn)定。要求學(xué)生分組討論，分享自己的創(chuàng)意構(gòu)思或模型草圖，并總結(jié)最優(yōu)方案。在這個(gè)過(guò)程中，教師可以順勢(shì)導(dǎo)出單因子變量的概念。如何在生態(tài)瓶中找出最合適的植物數(shù)量、動(dòng)物數(shù)量？最有效的方法是固定一個(gè)變量如植物數(shù)量，再來(lái)探究不同動(dòng)物數(shù)量的變化對(duì)生態(tài)瓶穩(wěn)定性的影響，反之亦然。

探究是5E模式的中心環(huán)節(jié)。[2]學(xué)生針對(duì)特定的內(nèi)容進(jìn)行探究活動(dòng)，通過(guò)動(dòng)手實(shí)踐、動(dòng)腦思考、觀察現(xiàn)象，建立事物間的聯(lián)系、發(fā)現(xiàn)規(guī)律、識(shí)別變量和質(zhì)疑判斷，這也是新概念引入的重要前提。[3]在這一環(huán)節(jié)，學(xué)生根據(jù)原有知識(shí)表達(dá)對(duì)“生態(tài)系統(tǒng)”、“生態(tài)平衡”的認(rèn)識(shí)，再結(jié)合教師提出的科學(xué)概念，自由地設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案；在分組討論時(shí)，擇其優(yōu)而融入完善，并最終實(shí)施自己的設(shè)想。本環(huán)節(jié)強(qiáng)調(diào)“自由”、“分享”、“實(shí)踐”，學(xué)生對(duì)原有知識(shí)或保留或修正，并不斷生成新概念，掌握基本的探究方法，綜合技能得到發(fā)展。

3 解釋（Explanation）

學(xué)生通過(guò)實(shí)驗(yàn)觀察，并以現(xiàn)象描述、數(shù)據(jù)記錄等呈現(xiàn)方式，就可以一目了然地得出實(shí)驗(yàn)結(jié)果，即達(dá)成本次活動(dòng)的最佳方案——生態(tài)瓶的制作方法。在這個(gè)環(huán)節(jié)，學(xué)生的解釋和探討可以在3個(gè)層次上進(jìn)行。

（1）直接觀察到的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。生態(tài)瓶中的各種生物經(jīng)過(guò)一段時(shí)間，生長(zhǎng)情況保持正常，說(shuō)明基本達(dá)到了穩(wěn)定狀態(tài)。通過(guò)細(xì)心觀察，我們能夠發(fā)現(xiàn)判斷生態(tài)瓶中生物生長(zhǎng)情況的依據(jù)，如水草的顏色與狀態(tài)（綠色、伸展為存活，發(fā)黃、下沉為死亡）、螺螄的顏色與狀態(tài)（外殼灰綠、運(yùn)動(dòng)為存活，外殼變白、浮起為死亡）等。

（2）透過(guò)現(xiàn)象看本質(zhì)。此階段的解釋是學(xué)生經(jīng)過(guò)思考和分析后得出的觀點(diǎn)：在生態(tài)瓶中，生物的數(shù)量需要維持在一定的水平上，某種生物的增多或減少勢(shì)必會(huì)影響到另一種生物的生存，同時(shí)生物的生存狀態(tài)與外界環(huán)境密切相關(guān)。教師可以綜合學(xué)生的解釋，給出一個(gè)全面而科學(xué)的總結(jié)。

（3）經(jīng)歷實(shí)驗(yàn)后進(jìn)行深入反思。此階段的解釋是學(xué)生進(jìn)行頭腦風(fēng)暴、深度反思后提出更為深入的建議。如針對(duì)不理想的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，從多方面尋找原因，是水質(zhì)的問題？溫度的問題？光照的問題？還是動(dòng)物植物選擇的問題？由此進(jìn)一步展開對(duì)研究方案的完善和修正。在教學(xué)活動(dòng)中，這種不期而遇極具創(chuàng)生性的教學(xué)資源自然地呈現(xiàn)出來(lái)了。

解釋是5E模式的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。[2]這一環(huán)節(jié)，教師要提供機(jī)會(huì)讓學(xué)生表達(dá)對(duì)概念的理解，幫助學(xué)生將前兩個(gè)環(huán)節(jié)的經(jīng)歷與新概念建立關(guān)聯(lián)。[3]在教師的指導(dǎo)下，學(xué)生的注意力集中在對(duì)探究過(guò)程中所出現(xiàn)的問題和現(xiàn)象，并按由淺至深、由表及里、由實(shí)踐進(jìn)而反思的邏輯順序進(jìn)行分析。

4 遷移（Elaboration）

這個(gè)環(huán)節(jié)學(xué)生已經(jīng)基本理解涉及生態(tài)學(xué)的相關(guān)概念，掌握了課題研究控制變量的方法，能制作簡(jiǎn)單的生態(tài)瓶。教師可以稍加深入，引入一些實(shí)際案例。例如20世紀(jì)80年代，美國(guó)在亞利桑那州建立了一座微型人工生態(tài)循環(huán)系統(tǒng)，稱之為“生物圈2號(hào)”（見圖2）。它以地球北回歸線和南回歸線間的生態(tài)系統(tǒng)為樣板，設(shè)有5個(gè)野生生物群落（熱帶雨林、熱帶草原、海洋、沼澤、沙漠）和2個(gè)人工生物群落（集約農(nóng)業(yè)區(qū)和居住區(qū)）?！吧锶?號(hào)”雖然“與世隔絕”，但可以通過(guò)電信和計(jì)算機(jī)與外部取得聯(lián)系。1991年，8名科學(xué)家進(jìn)入“生物圈2號(hào)”，他們?cè)?jì)劃在這里生活兩年，為今后人類登陸其他星球建立居住基地進(jìn)行探索。然而，一年多后，“生物圈2號(hào)”的生態(tài)狀況急轉(zhuǎn)直下，這個(gè)實(shí)驗(yàn)以失敗而告終。氧氣與二氧化碳的大氣組成比例，無(wú)法自行達(dá)到平衡；水泥建筑物影響到正常的碳循環(huán)；多數(shù)動(dòng)植物無(wú)法正常生長(zhǎng)或生殖，其滅絕的速度比預(yù)期的還要快。由此得出結(jié)論：在已知的科學(xué)技術(shù)條件下，人類離開了地球?qū)㈦y以永續(xù)生存。在茫茫宇宙中，人類只有地球這一處家園，因此我們要加倍珍惜它、愛護(hù)它。

遷移是5E模式的拓展環(huán)節(jié)。學(xué)生獲得新概念后，通過(guò)新的經(jīng)歷，如新的問題或現(xiàn)象，挑戰(zhàn)并且擴(kuò)展他們的概念理解和技能。[3]本階段還可以根據(jù)學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)過(guò)程的反思、質(zhì)疑，鼓勵(lì)他們持續(xù)改進(jìn)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，并進(jìn)行實(shí)驗(yàn)探究的準(zhǔn)備（包括方案設(shè)計(jì)、實(shí)驗(yàn)環(huán)境、材料準(zhǔn)備等方面）。

5 評(píng)價(jià)（Evaluation）

為了評(píng)估學(xué)生的學(xué)習(xí)情況，可以通過(guò)形成性評(píng)測(cè)和總結(jié)性評(píng)測(cè)的方式進(jìn)行。實(shí)驗(yàn)開始前，用前測(cè)問題了解他們的知識(shí)儲(chǔ)備。在整個(gè)案例的教學(xué)過(guò)程中，教師應(yīng)及時(shí)觀察學(xué)生在課堂討論中與同伴的互動(dòng)情況。在實(shí)驗(yàn)完成總結(jié)時(shí)，可以通過(guò)問答的形式評(píng)估學(xué)生的學(xué)習(xí)效果，如自然因素是造成生態(tài)平衡失調(diào)的主要原因嗎？在生態(tài)系統(tǒng)中，盲目增加一個(gè)物種，會(huì)不會(huì)使生態(tài)平衡遭受破壞？如果采伐量超過(guò)生長(zhǎng)量，會(huì)引起森林衰退嗎？

評(píng)價(jià)是5E模式的總結(jié)環(huán)節(jié)。這一階段鼓勵(lì)學(xué)生評(píng)價(jià)自身的概念理解和能力，同時(shí)也為教師提供機(jī)會(huì)了解學(xué)生的探究效果，以便了解教學(xué)目標(biāo)的達(dá)成情況。[3]

6 結(jié)語(yǔ)

在“生態(tài)瓶穩(wěn)定性探究的案例設(shè)計(jì)”中，STEM主要表現(xiàn)為：S，食物鏈、生態(tài)系統(tǒng)、生態(tài)平衡的概念；T，設(shè)計(jì)控制單因子變量，進(jìn)行生態(tài)瓶中各種生物穩(wěn)定性的探究；E，動(dòng)手制作簡(jiǎn)易生態(tài)瓶；M，根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，用數(shù)據(jù)直觀反映各組方案的優(yōu)劣?？此品指畛伤膫€(gè)方面的知識(shí)或能力，卻有機(jī)地融合在5E模式中，因此，5E模式也是實(shí)踐STEM項(xiàng)目式學(xué)習(xí)、問題式學(xué)習(xí)的重要方法和有效途徑。

參考文獻(xiàn)

[1]王健，李秀菊.5E教學(xué)模式的內(nèi)涵及其對(duì)我國(guó)理科教育的啟示[J].生物學(xué)通報(bào)，2012（3）：39-41.

[2]吳成軍，張敏.美國(guó)生物學(xué)“5E”教學(xué)模式的內(nèi)涵、實(shí)例及其本質(zhì)特征[J].課程·教材·教法，2010（6）：108-112.

[3]劉欣顏，麥紀(jì)青，劉恩山.運(yùn)用5E教學(xué)模式發(fā)展學(xué)生的核心素養(yǎng)：聚焦生物學(xué)核心素養(yǎng)的教學(xué)取向[J].教育導(dǎo)刊，2017（11）：48-53.