基于STEAM教育理念的5E教學模式在高中生物學教學中的實踐

摘 要：5E教學模式是一種新型的探究式教學模式，其強調(diào)以學生為主體，構(gòu)建真實問題情境，引導學生進行合作探究，注重通過動手實踐，解決實際問題的方式并獲得新知識。本文以“DNA的結(jié)構(gòu)”一節(jié)教學為例，基于STEAM教育理念，采用5E教學模式，通過“引入、探究、解釋、遷移和評價”五個教學環(huán)節(jié)，將物理、化學、數(shù)學等跨學科知識與生物學教學融合在一起，促進學生跨學科思維的形成，有利于學生核心素養(yǎng)的培養(yǎng)。

關(guān)鍵詞：STEAM教育理念；5E教學模式；DNA的結(jié)構(gòu)；核心素養(yǎng)

文章編號：1003-7586（2024）06-0033-04 中圖分類號：G633.91 文獻標識碼：B

《普通高中生物學課程標準（2017版2020年修訂版）》（以下簡稱《課程標準》）提出生物學學科核心素養(yǎng)包括生命觀念、科學思維、科學探究、社會責任幾個方面，并在“實施建議（一）”中提到：組織以探究為特點的主動學習是落實生物學學科核心素養(yǎng)的關(guān)鍵。

注重學科間的聯(lián)系，有利于學生理解科學的本質(zhì)、科學的思想方法和跨學科的科學概念。這與整合科學、技術(shù)、工程、藝術(shù)及數(shù)學等多學科融合的STEAM教育理念相符合。5E教學模式強調(diào)學生的自主探究性學習以及小組間的交流與合作，從而培養(yǎng)學生的動手實踐能力和科學探究精神，這與STEAM教育理念存在較多契合。本文基于STEAM教育理念，選擇人教版普通高中教科書《生物學·必修2·遺傳與進化》中“DNA的結(jié)構(gòu)”這一內(nèi)容，采用5E教學模式，融入多樣化的探究活動，有效提升學生的生物學學科核心素養(yǎng)。

1 STEAM教育理念與5Ｅ教學模式內(nèi)涵

STEAM教育理念是以科學（Science）、技術(shù)（Technology）、工程（Engineering）、藝術(shù)（Art）和數(shù)學（Mathematics）等多科學領(lǐng)域為基礎(chǔ)開展的融合性教學。^［1］其強調(diào)學科間的多元融合，營造真實問題情境，以學生活動為中心，引導學生帶著問題主動探究，培養(yǎng)學生跨學科、重探究、創(chuàng)新思維和動手操作的能力。

5E教學模式是由美國生物學課程研究會（BSCS）提出的一種基于建構(gòu)主義理論的探究式教學模式，包括“引入（Engagement）、探究（Exploration）、解釋（Explanation）、遷移（Elaboration）、評價（Evaluation）”五個教學步驟。^［2］引入是起始環(huán)節(jié)，通過創(chuàng)設(shè)真實問題情境，引發(fā)新舊知識的認知沖突，激發(fā)學生的探索欲和求知欲。探究是核心環(huán)節(jié)，教師以問題為導向，制定探究任務(wù)，引導學生進行自主探究和合作性探究，構(gòu)建科學知識概念。解釋是關(guān)鍵環(huán)節(jié)，學生嘗試對實驗現(xiàn)象和結(jié)果進行演繹和推理，歸納核心概念，教師對學生總結(jié)的規(guī)律進行規(guī)范化表述，幫助學生內(nèi)化概念本質(zhì)。遷移是延伸環(huán)節(jié)，學生運用所學的新知識解決生活中實際問題，拓展知識應用，培養(yǎng)自身學以致用的能力。評價是貫穿環(huán)節(jié)，學生在活動的各環(huán)節(jié)中形成指導性評價，了解自身對新知識的掌握情況。^［3］

通過對STEAM教育理念和5E教學模式的分析，發(fā)現(xiàn)二者都重視學生的主體地位，強調(diào)對學生跨學科思維的培養(yǎng)，二者的結(jié)合促使學生進行探究式學習和啟發(fā)式學習，培養(yǎng)學生解決問題的能力。^［4］

2 基于STEAM教育理念下的5Ｅ教學模式實踐

本文選取“DNA的結(jié)構(gòu)”一節(jié)內(nèi)容，在STEAM教育理念指導下，依托5E教學模式為載體的教學設(shè)計取得了較好的效果。以《課程標準》為基礎(chǔ)，本節(jié)課的教學目標如表1所示。

2.1 引入：創(chuàng)設(shè)問題情境、激發(fā)科學探究動力

教師播放懸疑影視劇的精彩片段，創(chuàng)設(shè)問題情境：一個塵封十三年的舊案，因為關(guān)鍵性證據(jù)的出現(xiàn)，讓撲朔迷離的案件有了轉(zhuǎn)機。教師提問：案件中所指的關(guān)鍵性證據(jù)是什么？這種物質(zhì)為什么可以鑒定犯罪嫌疑人？DNA具有這樣的特性與其結(jié)構(gòu)密不可分，DNA分子具有怎樣的結(jié)構(gòu)？DNA又是如何儲存生物的遺傳信息的？

設(shè)計說明：STEAM教育理念聚焦真實問題情境，通過案件情境引發(fā)學生好奇心。學生在之前就已經(jīng)了解DNA是大部分生物的遺傳物質(zhì)，通過回顧舊知，引發(fā)認知沖突，激發(fā)學生的求知欲。

2.2 探究：重溫探索之路，引導科學探究過程

創(chuàng)設(shè)情境，角色扮演：假設(shè)全班是一個“DNA的結(jié)構(gòu)”課題研究組，學生是研究員，老師是課題組負責人，全班根據(jù)此情境展開探究活動。

2.2.1 探究任務(wù)一： DNA基本組成單位的構(gòu)建

教師課前布置預習任務(wù)，由“研究員”們自主收集生物學家沃森（J.Watson）和物理學家克里克（F.Crick）探索DNA結(jié)構(gòu)的相關(guān)故事，教師邀請“研究員”們進行角色扮演，分享收集到的故事。學生回顧已有知識，掌握DNA的基本組成單位是脫氧核苷酸，并在平板上構(gòu)建脫氧核苷酸的結(jié)構(gòu)示意圖，再由學生之間進行點評。

2.2.2 探究任務(wù)二： 脫氧核苷酸鏈單鏈的構(gòu)建

脫氧核苷酸是怎樣連接成為單鏈的？相鄰的脫氧核苷酸之間是通過什么化學鍵連接的？學生類比氨基酸脫水縮合形成蛋白質(zhì)的過程，總結(jié)出兩個脫氧核苷酸之間通過脫去一分子水，形成磷酸二酯鍵的過程。通過分組討論，構(gòu)建模型，學生以小組為單位動手組裝由脫氧核苷酸連接成的DNA單鏈。

2.2.3 探究任務(wù)三： DNA平面結(jié)構(gòu)的構(gòu)建

教師提出問題，兩條DNA單鏈是通過什么方式連接的？引導學生先提出合理假說。假說一：DNA的兩條單鏈由位于內(nèi)側(cè)的堿基連接而成。假說二：DNA的兩條單鏈由“脫氧核糖－磷酸”的基本骨架連接而成。

教師提供資料：嘌呤和嘧啶堿基具有疏水性，脫氧核糖和磷酸具有親水性；生物膜的流動鑲嵌模型顯示，磷脂雙分子層頭部親水位于外側(cè)，尾部疏水位于內(nèi)側(cè)；細胞內(nèi)部是一個液體環(huán)境，DNA的周圍充滿組織液?！把芯繂T”們展開探究，分析資料，類比細胞膜磷脂雙分子層結(jié)構(gòu)，得出正確結(jié)論：DNA中排列在外側(cè)的脫氧核糖和磷酸交替連接構(gòu)成其基本骨架，內(nèi)側(cè)由堿基排列連接，形成穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)。

學生繼續(xù)探究兩條單鏈之間的堿基如何進行連接。通過閱讀教師提供的資料，了解科學家研究DNA分子結(jié)構(gòu)的探索歷程。學生分析資料提出假說“嘌呤和嘧啶連接”，教師啟發(fā)學生根據(jù)生物學家查哥夫（E.Chargaff）對DNA做化學定量分析的數(shù)據(jù)，根據(jù)不同生物DNA中四種堿基之間的數(shù)量關(guān)系比，發(fā)現(xiàn)DNA堿基之間組成存在數(shù)學規(guī)律，嘌呤總量和嘧啶總量相等，體會數(shù)學計算之美。

2.2.4 探究任務(wù)四：DNA立體結(jié)構(gòu)的構(gòu)建

教師精心引導“研究員”們利用課前收集的資料分析DNA雙鏈的方向性，研究員（甲）和研究員（乙）進行角色扮演物理學家富蘭克林（R.Franklin）和威爾金斯（M.Wilkims），講述二人利用X射線衍射技術(shù)得出DNA 衍射圖譜，他們結(jié)合物理學知識對X射線衍射原理進行分析，得出DNA分子呈螺旋結(jié)構(gòu)，并且發(fā)現(xiàn)翻轉(zhuǎn)180°后的DNA衍射圖譜與未翻轉(zhuǎn)的衍射圖譜保持一致（學生進行圖片展示），因此推測出DNA兩條單鏈的中軸在兩個方向上呈中心對稱，于是得出DNA的兩條鏈反向平行的穩(wěn)定雙螺旋結(jié)構(gòu)。小組成員合作完成DNA立體結(jié)構(gòu)模型，學生通過親手制作，化抽象概念為具體模型，感受DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)模型的藝術(shù)之美，教學過程融合STEAM教育理念。

設(shè)計說明：在探究階段，教師設(shè)置探究問題，引導學生自主收集生命科學史，訓練學生用跨學科知識解決實際問題的能力。在探究活動中，各學科交叉的成果輔助驗證，層層推理，培養(yǎng)學生的科學思維和探究能力，體會學科交叉在科學發(fā)展中的作用。學生通過小組合作，動手實踐制作DNA的結(jié)構(gòu)模型，體現(xiàn)了STEAM 的工程、數(shù)學、技術(shù)、藝術(shù)的理念。

2.3 解釋：深入交流總結(jié)，培養(yǎng)歸納總結(jié)能力

各小組派代表交流展示自己制作的DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)模型，并根據(jù)模型用語言總結(jié)DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)的特點。每個小組觀察自己的DNA模型在結(jié)構(gòu)上與其他小組有什么異同？教師進行補充，促進新知識構(gòu)建，培養(yǎng)學生邏輯思維能力。^［5］學生通過觀察比較不同小組的模型，發(fā)現(xiàn)各小組DNA結(jié)構(gòu)模型的特點類似，具有相同的基本骨架，都遵循堿基互補配對原則。不同DNA結(jié)構(gòu)模型中的堿基排列順序是不同的，且是特定的，體現(xiàn)了DNA結(jié)構(gòu)的特異性。DNA模型中不同堿基對的排列順序儲存著大量的遺傳信息，回應開篇課堂導入破案的真相，激發(fā)學生進一步的探索欲望。

設(shè)計說明：本環(huán)節(jié)重在展示探究思路，學生的解釋體現(xiàn)了對DNA結(jié)構(gòu)特點的理解，教師鼓勵其他學生提問以推動小組交流，通過深化核心概念，培養(yǎng)學生歸納總結(jié)能力。師生交流總結(jié)，層層深入，幫助學生突破難點，建立系統(tǒng)性的知識框架。

2.4 遷移：拓展知識應用，形成解決問題能力

師生重溫科學家們探索DNA結(jié)構(gòu)的過程，教師提問：沃森和克里克兩位科學家揭示了DNA的雙螺旋結(jié)構(gòu)，這給予你哪些啟示？學生各抒己見，了解學科交叉是科學研究的重要途徑，善于與人合作，敢于質(zhì)疑和探索是科學成功的必經(jīng)之路。學生形成知識框架后，教師設(shè)置真實的問題情境，促使學生遷移和拓展知識應用。教師提問：如果身邊有走失的兒童，如何幫助其找到親生父母？2019年中國政府采取積極的疫情防控政策，為什么核酸檢測能夠快速發(fā)現(xiàn)感染者？ 教師設(shè)置開放性問題，學生能夠利用 DNA分子特性解決實際問題，從而落實社會責任。

設(shè)計思路：學生體會到多學科交叉對科學研究的重要意義，認同交流與合作在學科發(fā)展中的作用，滲透STEAM教育理念，培養(yǎng)學生探索求真、與人合作的精神。學生將所學知識運用到實際生活中，解決真實問題情境，從而認識到生物學與社會發(fā)展緊密相連，提升生物學學科核心素養(yǎng)。

2.5 評價：檢測課堂效果，實施多元評價方式

評價貫穿在教學各個環(huán)節(jié)中，評價的目的是促進師生共同反思，共同進步，有利于提高今后的教學。^［6］學生進行自我評價，小組成員在構(gòu)建模型過程中設(shè)置疑問展開互評；教師對各組每一個環(huán)節(jié)表現(xiàn)進行評價，給學生發(fā)放評價量表，并說明各階段的評價指標，如表2所示。通過不同的評價環(huán)節(jié)和評價方式，檢測課堂教學效果。

設(shè)計說明：通過采用自評、互評和教師評價的方式，根據(jù)評價量表，注重過程性評價，關(guān)注結(jié)果性評價，從而檢測學生的學習效果。注重對學生科學探究能力、創(chuàng)新思維能力、動手實踐能力和解決問題能力的評價，符合STEAM教育理念，使學生體會科學知識源于生活又應用于生活的理念。

3 結(jié)語

將STEAM教育理念融合到中學生物學教學中是一種必然的課程趨勢，也是一種教育方式的革新。STEAM教育理念提供了基于學科融合的理念，淡化學科界限，將真實的問題情境與科學探究、工程設(shè)計、數(shù)學推理相結(jié)合，從而解決生活中實際問題。本節(jié)課采用5E教學模式，五個環(huán)節(jié)充分融合STEAM教育理念，體現(xiàn)了學生的主體地位，注重培養(yǎng)學生的探究和實踐能力。學生課前收集有關(guān)探索DNA結(jié)構(gòu)的故事，課堂動手組建模型，在探索構(gòu)建模型的過程中落實學科核心素養(yǎng)。學生對于教學中涉及多學科交叉的部分比較陌生，教師適當提供橋梁知識和少而精的問題引導、讓學生能有充裕的時間自主學習和深度思考，小組合作交流，通過自評和互評得出模型結(jié)構(gòu)，在評價中總結(jié)DNA的結(jié)構(gòu)特點。

5E教學模式的五個環(huán)節(jié)并不是割裂進行，而是相互包含，相輔相成。教師在實際教學中靈活運用該教學模式，融合STEAM教育理念，進而讓學生運用多學科知識解決現(xiàn)實生活中的問題，培養(yǎng)學生的綜合能力，發(fā)展學生的核心素養(yǎng)。

參考文獻

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