“5E”教學(xué)模式在高等學(xué)校課堂教學(xué)中的探索與實(shí)踐*

【摘" 要】 隨著時代的進(jìn)步，“新工科人才”應(yīng)展現(xiàn)更為突出的實(shí)踐能力、創(chuàng)新能力和國際競爭力?！?E”教學(xué)模式的提出正是為了全面提升學(xué)生的綜合素養(yǎng)，培養(yǎng)其探究精神、問題解決能力、團(tuán)隊(duì)合作技巧和自主學(xué)習(xí)技能。文章將深入探討“5E”教學(xué)模式在化學(xué)工程專業(yè)“電化學(xué)原理”課程教學(xué)中的實(shí)際運(yùn)用，通過在教學(xué)中融入引導(dǎo)、探究、解釋、拓展和評估這五個關(guān)鍵環(huán)節(jié)，并結(jié)合多樣化的線上線下教學(xué)手段，分析這一模式對學(xué)生能力培養(yǎng)的積極推動作用。這些能力的培養(yǎng)，不僅有助于學(xué)生滿足“新工科建設(shè)”對人才的需求，還能使他們更好地適應(yīng)未來社會和工作環(huán)境的不斷變化，從而成為具備廣泛技能的終身學(xué)習(xí)者。

【關(guān)鍵詞】 “5E”教學(xué)模式;高等教育;新工科人才;高素質(zhì)復(fù)合型人才

我國“十四五”規(guī)劃和2035年遠(yuǎn)景目標(biāo)綱要明確提出，到2035年，我國將基本實(shí)現(xiàn)社會主義現(xiàn)代化，并建成教育強(qiáng)國。當(dāng)前，世界正處于百年未有之大變局中，高等教育已步入高質(zhì)量發(fā)展階段。面對這一局勢，如何構(gòu)建高質(zhì)量的高等教育體系，以適應(yīng)社會主義現(xiàn)代化國家建設(shè)的需要，既是一次難得的機(jī)遇，也面臨著嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。

“5E”教學(xué)模式的核心理念在于引導(dǎo)學(xué)生通過“探究、體驗(yàn)、解釋、拓展、評價”五個階段，深化對所學(xué)知識的理解。這一模式顛覆了傳統(tǒng)的教學(xué)方式，采用開放的教學(xué)策略，鼓勵學(xué)生主動探究并驗(yàn)證自己的想法，使新舊知識得以有效銜接，進(jìn)而加深學(xué)生對新知識的領(lǐng)悟。同時，“5E”教學(xué)模式還幫助教師根據(jù)學(xué)生現(xiàn)有的認(rèn)知設(shè)計(jì)教學(xué)，采用最佳教學(xué)方法促進(jìn)學(xué)生知識體系的構(gòu)建。其獨(dú)特之處在于，它不僅注重知識的傳授，還強(qiáng)調(diào)培養(yǎng)學(xué)生的探究能力，而非僅限于對事實(shí)的記憶。相比傳統(tǒng)模式，“5E”教學(xué)模式更有利于激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣、深化對科學(xué)知識的理解、提升科學(xué)探究能力，并培養(yǎng)協(xié)作意識。最初，“5E”教學(xué)模式是為中小學(xué)教育而設(shè)計(jì)的。然而，VR技術(shù)、AI輔助教學(xué)等現(xiàn)代教學(xué)手段的興起，為“5E”教學(xué)模式在高等教育中的應(yīng)用提供了可能。在中國，“5E”教學(xué)模式已逐漸引起教育者的關(guān)注，但在高等教育領(lǐng)域的實(shí)際應(yīng)用仍相對有限。

本文以“電化學(xué)原理”課程為例，結(jié)合該課程的教學(xué)難點(diǎn)，深入探討在“5E”教學(xué)模式下，如何對該課程的教學(xué)方法進(jìn)行改革。

一、“電化學(xué)原理”課程教學(xué)分析

電化學(xué)作為一門橫跨基礎(chǔ)科學(xué)與應(yīng)用科學(xué)的重要學(xué)科，其應(yīng)用領(lǐng)域涉及國家發(fā)展戰(zhàn)略規(guī)劃中的關(guān)鍵行業(yè)，展現(xiàn)出多領(lǐng)域跨學(xué)科交叉的獨(dú)特性，并逐漸成為連接基礎(chǔ)科學(xué)（理學(xué)）與應(yīng)用科學(xué)（工程、技術(shù)）兩大領(lǐng)域的橋梁學(xué)科?！半娀瘜W(xué)原理”作為電化學(xué)學(xué)科的核心課程，同時也是化學(xué)工程與技術(shù)、能源學(xué)科、材料制備及分析等專業(yè)的基礎(chǔ)課程，其知識與方法對從事化學(xué)及其相關(guān)學(xué)科的工作具有舉足輕重的地位。電化學(xué)通常涉及一些數(shù)學(xué)和物理的基本概念，如電流、電勢、電荷等，對學(xué)生的數(shù)學(xué)和物理基礎(chǔ)要求較高;同時，電化學(xué)中的一些核心概念，如電化學(xué)電位、極化、電荷傳遞等，較為抽象，理解起來具有一定的難度;此外，電化學(xué)實(shí)驗(yàn)往往需要復(fù)雜的儀器和技術(shù)支持，缺乏操作經(jīng)驗(yàn)的學(xué)生在理解相關(guān)知識時可能會感到困難;而且，電化學(xué)在多個領(lǐng)域的實(shí)際應(yīng)用往往難以直觀呈現(xiàn);再加上電化學(xué)融合了化學(xué)、物理和材料科學(xué)等多個學(xué)科的知識，需要協(xié)調(diào)各個學(xué)科的內(nèi)容，這無疑增加了學(xué)生理解的難度。鑒于電化學(xué)學(xué)科的這些特性，傳統(tǒng)的教學(xué)方式在“電化學(xué)原理”課程中面臨挑戰(zhàn)，導(dǎo)致學(xué)生難以牢固掌握電化學(xué)的基本原理，自主學(xué)習(xí)動力不足，難以有效培養(yǎng)其科學(xué)素養(yǎng)、綜合能力及協(xié)同合作精神。

二、“5E”教學(xué)模式的內(nèi)涵

“5E”教學(xué)模式由美國生物學(xué)研究會（BSCS）提出，起源于美國科學(xué)課程改善研究（Science Curriculum Improvement Study，簡稱SCIS）項(xiàng)目，是一種名為“學(xué)習(xí)環(huán)”的教學(xué)策略。大量關(guān)于“5E”教學(xué)模式的實(shí)證研究已經(jīng)證實(shí)，該模式對從概念變化到高階思維水平的學(xué)習(xí)結(jié)果具有積極影響?！?E”教學(xué)模式包含以下五個階段：

引導(dǎo)（Engagement）：旨在激發(fā)學(xué)生參與和探究興趣。教師的主要任務(wù)是創(chuàng)設(shè)問題情境，以激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。

探究（Exploration）：此階段是該模式的中心環(huán)節(jié)，主要目的是使學(xué)生開展真實(shí)有效的探究。學(xué)生將經(jīng)歷和學(xué)習(xí)關(guān)鍵概念，習(xí)得新的技能，并獲得研究、探尋和提問的體驗(yàn)。在探究過程中，學(xué)生是主體，教師發(fā)揮引導(dǎo)和幫助的作用。此外，學(xué)生還將在反饋和檢查中掌握知識內(nèi)在的關(guān)系，實(shí)現(xiàn)理解性發(fā)展。

解釋（Explanation）：旨在檢驗(yàn)學(xué)生是否真正理解所學(xué)內(nèi)容。這一階段是該模式的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，主要目的是進(jìn)一步幫助學(xué)生在新的學(xué)習(xí)場景下理解關(guān)鍵知識和概念，鞏固新舊知識和概念間的聯(lián)系，并將學(xué)習(xí)的知識轉(zhuǎn)化為學(xué)生個體內(nèi)化的經(jīng)驗(yàn)和認(rèn)知。

拓展延伸（Elaboration）：此階段旨在學(xué)以致用，促進(jìn)知識和概念的轉(zhuǎn)化。作為新概念學(xué)習(xí)的延伸環(huán)節(jié)，它將促進(jìn)學(xué)生將新學(xué)習(xí)的內(nèi)容應(yīng)用于新的或相似場景中，發(fā)展學(xué)生的概念理解和應(yīng)用技巧。學(xué)生將擴(kuò)充概念的基本內(nèi)涵，與其他已有概念建立聯(lián)系，并能夠用標(biāo)準(zhǔn)的科學(xué)術(shù)語交流解釋新的情境和問題。

評價（Evaluation）：旨在通過多元評價真實(shí)反饋學(xué)生的學(xué)習(xí)情況。作為“5E”課堂的總結(jié)環(huán)節(jié)或者說是學(xué)習(xí)某個主題后的結(jié)束環(huán)節(jié)，評價的內(nèi)容不應(yīng)局限于考試或測評結(jié)果，而應(yīng)更加注重探究的過程和學(xué)生的參與程度。

“5E”教學(xué)模式的每個教學(xué)環(huán)節(jié)充分挖掘了學(xué)生的主體地位，激發(fā)學(xué)生的認(rèn)知興趣和思維，強(qiáng)調(diào)學(xué)習(xí)的過程，突出知識的創(chuàng)新和應(yīng)用，與深度學(xué)習(xí)的理念有著異曲同工之妙，能夠促進(jìn)學(xué)科教育的變革和學(xué)生科學(xué)素養(yǎng)的培養(yǎng)。

三、“5E”教學(xué)模式的應(yīng)用

（一）引導(dǎo)

課前采用線上學(xué)習(xí)模式，結(jié)合學(xué)生生活實(shí)際，聯(lián)系學(xué)生知識基礎(chǔ)，完成在線闖關(guān)。提高學(xué)生自主學(xué)習(xí)能力，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，掌握學(xué)生對知識點(diǎn)的把握情況。

在學(xué)習(xí)界面雙電層模型之前，線上教學(xué)平臺會發(fā)布一個學(xué)習(xí)短視頻。該視頻通過生活中的攀巖運(yùn)動來類比，幫助學(xué)生理解電化學(xué)界面上的化學(xué)反應(yīng)過程。在攀巖中，選擇合適的攀巖路徑至關(guān)重要，同樣，在電化學(xué)反應(yīng)過程中，也需要找到合適的路徑來確保反應(yīng)的順利進(jìn)行。攀巖墻上的攀巖點(diǎn)可以被視為電化學(xué)反應(yīng)過程中電極界面上的反應(yīng)位點(diǎn)，這些合適的位點(diǎn)能夠降低反應(yīng)活化能，推動反應(yīng)的進(jìn)行。同時，其他位點(diǎn)的存在也可能對反應(yīng)產(chǎn)生不同的影響。通過這段短視頻的學(xué)習(xí)，學(xué)生的興趣將得到激發(fā)，并深入理解電化學(xué)界面結(jié)構(gòu)的重要性以及其對電化學(xué)反應(yīng)的影響。完成視頻學(xué)習(xí)后，學(xué)生將參與闖關(guān)答題環(huán)節(jié)，這個環(huán)節(jié)旨在鞏固他們對電化學(xué)界面構(gòu)型的基礎(chǔ)知識，同時使教師能夠掌握學(xué)生的基礎(chǔ)知識水平，以便指導(dǎo)后續(xù)的課堂教學(xué)。

（二）探究

通過3D虛擬仿真軟件，形成沉浸式的三維仿真環(huán)境，以機(jī)理模型、真實(shí)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)作為支撐，讓學(xué)生以真實(shí)的操作經(jīng)歷獲得知識。

電化學(xué)過程通常依賴精密的儀器和技術(shù)來促使其發(fā)生。在傳統(tǒng)的課堂教學(xué)中，基于實(shí)踐的教學(xué)難以實(shí)現(xiàn)，而在實(shí)踐課程中又難以全面貫穿理論知識的講解。為了解決這一問題，可以利用3D虛擬仿真軟件，讓學(xué)生沉浸式地進(jìn)行虛擬實(shí)驗(yàn)。通過這種方式，學(xué)生可以在實(shí)驗(yàn)過程中發(fā)現(xiàn)問題、分析問題并解決問題。同時，教師在旁引導(dǎo)，幫助學(xué)生通過實(shí)踐深入理解相關(guān)知識點(diǎn)。電化學(xué)界面結(jié)構(gòu)的核心在于理解雙電層結(jié)構(gòu)，這是電解質(zhì)中的正負(fù)離子在電場作用下在電極表面形成的分層結(jié)構(gòu)，也是電化學(xué)反應(yīng)發(fā)生的界面。為了加深理解，可以利用3D虛擬仿真軟件模擬電化學(xué)阻抗譜和循環(huán)伏安譜的測定，分別獲取電解質(zhì)雙電層信息和電極表面的催化活性、電荷傳遞速率等關(guān)鍵信息。

（三）解釋

分小組就指定問題進(jìn)行討論，進(jìn)行匯報交流。通過將新知識應(yīng)用到實(shí)際場景中，加深學(xué)生對新知識的理解。

以Pd單分子修飾的Pt（111）在0.1M HClO4電解液中的循環(huán)伏安圖為例，進(jìn)行分組分析以探討該體系中的界面結(jié)構(gòu)。教師提出的引導(dǎo)性問題包括：1. 請分析Pt（111）循環(huán)伏安譜圖中各個特征峰所對應(yīng)的電化學(xué)反應(yīng);2. 對比PdML/Pt（111）與Pt（111）的循環(huán)伏安圖，指出它們之間存在的差異;3. 探討Pd單分子層（PdML）導(dǎo)致這些差異的原因。最終，各小組應(yīng)以匯報的形式總結(jié)分析成果，并在小組間進(jìn)行互相評價，以加深對相關(guān)知識的理解和掌握。

（四）拓展

通過文獻(xiàn)閱讀或者邀請領(lǐng)域內(nèi)專家舉辦講座，拓展知識點(diǎn)基本內(nèi)涵，加強(qiáng)學(xué)生理解知識的應(yīng)用，并進(jìn)一步掌握標(biāo)準(zhǔn)的正確的科學(xué)應(yīng)用。

電化學(xué)還原二氧化碳以產(chǎn)生高附加值的產(chǎn)物，是當(dāng)前電化學(xué)領(lǐng)域中極具吸引力的研究方向。該技術(shù)具備將二氧化碳轉(zhuǎn)化為高附加值燃料的能力，為解決日益嚴(yán)重的溫室效應(yīng)引發(fā)的環(huán)境問題提供了潛在途徑。然而，由于二氧化碳電化學(xué)還原反應(yīng)存在能量壁壘高、產(chǎn)物選擇性差、能源效率低等挑戰(zhàn)，該技術(shù)的商業(yè)化應(yīng)用仍面臨諸多困難。為了克服這些難題，首要任務(wù)是明確反應(yīng)機(jī)理，以便更有效地指導(dǎo)技術(shù)應(yīng)用。在電化學(xué)過程中，界面結(jié)構(gòu)的選擇性吸附特征分子、調(diào)節(jié)吸附反應(yīng)中間體，最終影響反應(yīng)路徑。為此，教師應(yīng)提供關(guān)于陽離子如何影響二氧化碳電化學(xué)還原反應(yīng)活性及選擇性的科研論文，供學(xué)生分組學(xué)習(xí)。學(xué)生應(yīng)推選代表進(jìn)行匯報，以加深對電化學(xué)界面結(jié)構(gòu)基本概念的理解，并掌握其在電化學(xué)科學(xué)中的實(shí)際應(yīng)用。

（五）評價

多方位、多角度、多維度對學(xué)生進(jìn)行評價，評價角度不僅限于知識傳遞的正確與否，更重要的是學(xué)生的參與度、自主性、協(xié)作性。

在電化學(xué)界面結(jié)構(gòu)知識點(diǎn)的學(xué)習(xí)環(huán)節(jié)中，教師利用形成性評價方法，對學(xué)生的課堂討論、日常反饋、學(xué)生參與度等方面進(jìn)行評價。發(fā)放學(xué)生自我評價及同學(xué)評價表格，展開自我與同行評價，幫助學(xué)生更深入地認(rèn)識自己的學(xué)習(xí)過程，并從同學(xué)那里獲得不同的觀點(diǎn)和意見。

四、結(jié)語

本文以“電化學(xué)原理”中的電極界面結(jié)構(gòu)知識點(diǎn)為例，對“5E”教學(xué)模式在高等教育中的應(yīng)用進(jìn)行了簡要介紹?！?E”教學(xué)模式通過其五個階段，在培養(yǎng)學(xué)生深層次理解、科學(xué)思維和解決問題能力方面展現(xiàn)出了顯著優(yōu)勢。該教學(xué)模式通過引導(dǎo)學(xué)生主動參與電極界面結(jié)構(gòu)的學(xué)習(xí)和實(shí)踐應(yīng)用，有效促進(jìn)學(xué)生的綜合能力發(fā)展。然而，成功實(shí)施“5E”教學(xué)模式對教師提出了更高要求。在每個階段，教師需要精心設(shè)計(jì)教學(xué)活動，確保學(xué)生積極參與課堂，并引導(dǎo)他們進(jìn)行深入思考和探究。此外，教師還需巧妙整合實(shí)驗(yàn)和項(xiàng)目等實(shí)踐活動，以增強(qiáng)學(xué)生的實(shí)踐應(yīng)用能力。同時，教學(xué)評估也需要更具前瞻性，以確保學(xué)生在深度理解和實(shí)際應(yīng)用方面取得顯著進(jìn)展。由此可見，“5E”教學(xué)模式在高等教育中的應(yīng)用為學(xué)生提供了更為豐富、深入的學(xué)習(xí)體驗(yàn)，但同時也要求教師具備更高水平的課堂設(shè)計(jì)和管理能力，以確保教學(xué)目標(biāo)得以有效實(shí)現(xiàn)。

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