基于5E 教學(xué)模式的高中生物學(xué)教學(xué)情境設(shè)計(jì)

司薇娓 （廣州市第八十六中學(xué) 廣東廣州 510700）

高中生物學(xué)教學(xué)的核心之一是幫助學(xué)生構(gòu)建科學(xué)概念。學(xué)生要自主建立新概念，需要教師營(yíng)造恰當(dāng)?shù)那榫骋龑?dǎo)他們的探究過(guò)程。 情境為內(nèi)容服務(wù)，情境會(huì)直接影響學(xué)習(xí)活動(dòng)的效果，因此情境設(shè)計(jì)就顯得尤其重要。 如何設(shè)計(jì)有針對(duì)性的教學(xué)情境，讓情境更好地為教學(xué)內(nèi)容服務(wù)，提高學(xué)生探究興趣和構(gòu)建概念的自主性？ 筆者采用5E 教學(xué)模式，以“DNA 的分子結(jié)構(gòu)”為例進(jìn)行探討。

1 “DNA 的分子結(jié)構(gòu)”課例實(shí)踐

“DNA 的分子結(jié)構(gòu)”是人教版高中生物學(xué)模塊2《遺傳與進(jìn)化》第3 章第2 節(jié)的內(nèi)容。 新課程標(biāo)準(zhǔn)要求學(xué)生：“概述DNA 分子是由4 種脫氧核苷酸構(gòu)成的長(zhǎng)鏈， 一般由兩條反向平行的長(zhǎng)鏈上的堿基互補(bǔ)配對(duì)形成雙螺旋結(jié)構(gòu)， 堿基的排列順序編碼了遺傳信息?！奔纫寣W(xué)生獲得基礎(chǔ)的生物學(xué)知識(shí)，又要讓學(xué)生領(lǐng)悟DNA 分子結(jié)構(gòu)研究過(guò)程中的思路和方法。設(shè)計(jì)思路如下：首先明確2 個(gè)教學(xué)線索。線索①：?jiǎn)误w—單鏈—雙鏈—雙螺旋空間結(jié)構(gòu)，“穩(wěn)定性，多樣性，特異性”的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)。 線索②：科學(xué)史中科學(xué)家的研究觀點(diǎn)和思維方法。然后利用圖譜分析、信息檢索、學(xué)生畫圖、角色扮演等直觀化的教學(xué)手段， 融合基于事實(shí)和數(shù)據(jù)的推理式探究，設(shè)計(jì)論辯情境，找尋DNA 作為遺傳物質(zhì)的原因?？傊?，多角度、多載體強(qiáng)化對(duì)DNA 結(jié)構(gòu)的認(rèn)識(shí)，認(rèn)同結(jié)構(gòu)決定功能的基本原理，培養(yǎng)學(xué)生假說(shuō)-演繹、模型構(gòu)建的科學(xué)思維和方法，以概念模型為先導(dǎo)，物理模型再次強(qiáng)化。

1.1 從生命的本質(zhì)設(shè)計(jì)問(wèn)題情境吸引

吸引（engage）：創(chuàng)設(shè)貼近生活、真實(shí)的，甚至是可觸摸的課堂情境，吸引學(xué)生探究欲望。吸引目光和讓學(xué)生有話可說(shuō)是本環(huán)節(jié)的重要任務(wù)。 關(guān)于生命本質(zhì)的研究一直是科學(xué)界的熱點(diǎn)。 DNA 以怎樣的結(jié)構(gòu)滿足作為遺傳物質(zhì)的功能？ 這是本節(jié)課探究的核心問(wèn)題。

教師引導(dǎo)學(xué)生回顧DNA 元素構(gòu)成和基本單位，證明遺傳物質(zhì)的科學(xué)史實(shí)驗(yàn)。拋出本節(jié)課的探究核心，DNA 以怎樣的結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)它作為遺傳物質(zhì)的功能（攜帶遺傳信息）？ 展示脫氧核苷酸和脫氧核苷酸鏈的結(jié)構(gòu)， 引導(dǎo)學(xué)生說(shuō)出相鄰核苷酸的連接方式：磷酸二酯鍵。

設(shè)計(jì)情境1：證明DNA 是遺傳物質(zhì)的科學(xué)實(shí)驗(yàn)圖片；情境2：過(guò)渡性問(wèn)題“構(gòu)成DNA 的元素和基本單位，核苷酸的連接方式”；情境3：挑戰(zhàn)性問(wèn)題“DNA 以怎樣的結(jié)構(gòu)與功能相適應(yīng)”。

本環(huán)節(jié)在情境設(shè)計(jì)上，既有知識(shí)鋪墊，又設(shè)計(jì)了有層次、有挑戰(zhàn)的思辨活動(dòng)，通過(guò)真實(shí)的科學(xué)實(shí)驗(yàn)情境，引發(fā)學(xué)生思考，為什么蛋白質(zhì)不是遺傳物質(zhì)，為什么絕大多數(shù)生物不選擇RNA 作為遺傳物質(zhì)？ 引而不發(fā)的認(rèn)知沖突才能更好地激發(fā)學(xué)生的探究欲望。

要吸引學(xué)生， 在情境設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)注意材料的趣味性、科學(xué)性、學(xué)科融合性和理解難度的過(guò)渡性。根據(jù)探究?jī)?nèi)容的不同， 在情境設(shè)計(jì)方法上可以是圖片、視頻、新聞報(bào)道，也可以是科學(xué)實(shí)驗(yàn)、實(shí)物展示、手工模型等，關(guān)鍵是通過(guò)視覺(jué)沖擊、認(rèn)知沖突，將學(xué)生由淺入深帶入探究情境中。

1.2 利用科學(xué)史料設(shè)計(jì)真實(shí)情境引導(dǎo)探究

探究（explore）：放手讓學(xué)生利用已有的知識(shí)背景嘗試解讀情境中的問(wèn)題， 充分暴露前概念和認(rèn)知沖突，打破因認(rèn)知沖突造成的心理不平衡，刺激學(xué)生接受并初步建立新概念。

深入探究的前提需要事實(shí)依據(jù)， 而科學(xué)實(shí)驗(yàn)是最重要的事實(shí)?？茖W(xué)史情境設(shè)計(jì)，要盡可能還原科學(xué)史的完整細(xì)節(jié)，讓學(xué)生自己檢索關(guān)鍵信息。應(yīng)注意素材的多樣性， 從不同角度讓學(xué)生逐步深入探究。還需要設(shè)計(jì)問(wèn)題情境，通過(guò)有邏輯關(guān)系的問(wèn)題串，在繁雜的科學(xué)史中引導(dǎo)學(xué)生的有序思考。

教師首先呈現(xiàn)問(wèn)題情境：既然磷酸和脫氧核糖通過(guò)磷酸二酯鍵交替連接，2 條鏈怎樣連接成雙鏈結(jié)構(gòu)？ 堿基在雙鏈的外側(cè)還是內(nèi)側(cè)？ 先讓學(xué)生大膽猜測(cè)，然后提供科學(xué)事實(shí)和相關(guān)數(shù)據(jù)，通過(guò)問(wèn)題串，引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行邏輯推理，自主生成概念和規(guī)律。

資料1：圖片展示磷脂分子的結(jié)構(gòu)，生物膜流動(dòng)鑲嵌模型。引導(dǎo)學(xué)生回顧分子基團(tuán)的親水性、疏水性與周圍環(huán)境的關(guān)系。

資料2：堿基疏水，脫氧核糖和磷酸親水，DNA主要分布在細(xì)胞核基質(zhì)， 少量分布在線粒體基質(zhì)和葉綠體基質(zhì)中，基質(zhì)是一種水環(huán)境。引導(dǎo)學(xué)生思考DNA 中堿基、脫氧核糖、磷酸的相對(duì)位置關(guān)系，提出大膽猜想并說(shuō)明理由。

資料3：1951 年威爾金斯和富蘭克林提供的DNA 衍射圖譜。

引導(dǎo)學(xué)生觀察，發(fā)現(xiàn)規(guī)則的十字對(duì)稱圖，如何做到對(duì)稱？

資料4：4 種堿基A、C、G、T 的分子結(jié)構(gòu)式。

設(shè)計(jì)問(wèn)題：4 種堿基的相同點(diǎn)是什么？ 嘌呤有何共性？嘧啶有何共性？環(huán)的多少有什么影響？環(huán)的多少影響分子大小。結(jié)合DNA 是規(guī)則對(duì)稱的結(jié)構(gòu)，你能作出怎樣的猜測(cè)？ 怎么進(jìn)行堿基配對(duì)？

學(xué)生作出4 種假設(shè)：假設(shè)1：A=A；假設(shè)2：A=G；假設(shè)3：A=C；假設(shè)4：A=T，G=C。

資料5：2 條長(zhǎng)鏈之問(wèn)的距離恒等于2 nm；引導(dǎo)學(xué)生思考：?jiǎn)苇h(huán)、雙環(huán)會(huì)影響什么？ 如何讓2 條鏈的距離恒等？ 由此順利排除假設(shè)1 和假設(shè)2。

資料6：查哥夫發(fā)現(xiàn)腺嘌呤的量等于胸腺嘧啶的量， 鳥(niǎo)嘌呤的量等于胞嘧啶的量。 通過(guò)假設(shè)、演繹、驗(yàn)證，學(xué)生最終推導(dǎo)出正確的堿基配對(duì)方式。

過(guò)渡：堿基搭配的結(jié)果是什么？是否會(huì)發(fā)生像氨基酸脫水縮合那樣的化學(xué)反應(yīng)？

教師用PPT 展示2 種堿基的連接方法， 并介紹這種以H 為媒介形成的一種共價(jià)鍵叫氫鍵。 2個(gè)互補(bǔ)的堿基通過(guò)氫鍵結(jié)合成堿基對(duì)。 讓學(xué)生在學(xué)案上用筆圈出每個(gè)脫氧核苷酸的位置， 氫鍵的位置，更直觀感受磷酸、脫氧核糖、堿基的排列情況。 有一些學(xué)生將連接在3 號(hào)碳的磷酸歸在同一個(gè)脫氧核苷酸中，通過(guò)教師的引導(dǎo)，糾正了錯(cuò)誤，強(qiáng)調(diào)了核苷酸中磷酸的連接位置。

教師設(shè)疑：①哪種堿基對(duì)更穩(wěn)定，耐熱性更強(qiáng)？（引導(dǎo)學(xué)生作出假設(shè)，并解釋其合理性）②怎樣驗(yàn)證自己構(gòu)建的模型是正確的？ （制作物理模型，將模型進(jìn)行X 射線衍射， 與DNA 的衍射圖譜進(jìn)行對(duì)比）

最后要求學(xué)生繪制DNA 片段的平面結(jié)構(gòu)圖，體現(xiàn)磷酸二酯鍵和氫鍵。

在上述環(huán)節(jié)中，通過(guò)多樣化的教學(xué)素材，引導(dǎo)學(xué)生不斷假設(shè)，否定，再假設(shè)，驗(yàn)證，最終構(gòu)建新概念（堿基互補(bǔ)配對(duì)原則，堿基對(duì)，氫鍵），得出相應(yīng)的規(guī)律（磷酸、脫氧核糖、堿基對(duì)的空間位置，氫鍵和耐熱性的關(guān)系）。 在此過(guò)程中，將必修1 相關(guān)的背景知識(shí)、科學(xué)史資料、化學(xué)結(jié)構(gòu)式、有序的問(wèn)題串進(jìn)行了有機(jī)整合， 再現(xiàn)了科學(xué)發(fā)現(xiàn)的曲折性和邏輯性。通過(guò)重走科學(xué)發(fā)現(xiàn)之路，鍛煉了學(xué)生思維的深度和廣度， 同時(shí)強(qiáng)化了對(duì)假說(shuō)-演繹法的理解和應(yīng)用。 圈出核苷酸、 氫鍵的位置， 繪制DNA 片段的結(jié)構(gòu)圖，這些可觸摸的直觀化手段是對(duì)新概念的一種有效強(qiáng)化和反饋。

信息檢索和問(wèn)題串，可磨練學(xué)生的思維過(guò)程。當(dāng)信息量龐雜時(shí)， 設(shè)計(jì)有針對(duì)性的問(wèn)題情境可幫助學(xué)生有序思考。 若學(xué)生能獨(dú)立發(fā)現(xiàn)這種邏輯關(guān)系，教師也可給課堂留更多的空白，更寬廣的思維空間。 例如，將這些資料打亂，以科學(xué)文獻(xiàn)的形式呈現(xiàn)給學(xué)生。

初建新概念既美好，又充滿了不確定性，需反復(fù)磨合。 因此還要注意讓學(xué)生用自己的語(yǔ)言描述概念，聯(lián)系生活實(shí)際，通過(guò)舉例、畫圖、構(gòu)建物理模型等手段抓住新概念的本質(zhì)。 同時(shí)還要將已有類似的概念加以對(duì)比聯(lián)系， 例如核糖核苷酸、肽鍵、肽鏈等，完善概念的外延和內(nèi)涵。

1.3 設(shè)計(jì)論辯情境誘導(dǎo)解釋

解釋（explain）：引導(dǎo)學(xué)生通過(guò)思辨建立事物之間的聯(lián)系、規(guī)律、識(shí)別變量，并運(yùn)用新概念解釋現(xiàn)象，以此展示新概念的可理解性和合理性，逐步發(fā)現(xiàn)概念間的關(guān)聯(lián)。 這是新概念建立的“磨合期”，力求不斷呈現(xiàn)新概念的不同側(cè)面。

論辯1：作為遺傳物質(zhì)，有什么條件？

生1：結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，能遺傳給后代。

生2：攜帶遺傳信息，控制生物性狀。

生3：結(jié)構(gòu)多樣，滿足不同人的遺傳物質(zhì)不同。

論辯2：DNA 的結(jié)構(gòu)有什么特點(diǎn)對(duì)應(yīng)遺傳物質(zhì)的條件？

背景資料：肺炎雙球菌轉(zhuǎn)化實(shí)驗(yàn)中，S 型細(xì)菌經(jīng)過(guò)60℃溫度處理，導(dǎo)致蛋白質(zhì)變性，失去感染能力，但這種處理后的細(xì)菌卻能將R 型活菌轉(zhuǎn)變成S 型活菌。 同等高溫下，DNA 沒(méi)有變性，實(shí)現(xiàn)了轉(zhuǎn)化。 聯(lián)合國(guó)環(huán)境署最近發(fā)表的一份報(bào)告稱地球上共有870 萬(wàn)種生物， 每個(gè)物種又包含了許多個(gè)體。 DNA 條形編碼技術(shù)可以對(duì)物種進(jìn)行識(shí)別和描述，而不同個(gè)體的條碼都有所區(qū)別。 2010 年8 月一架客機(jī)在黑龍江省某機(jī)場(chǎng)發(fā)生墜機(jī)事故， 需要對(duì)死亡者遺體進(jìn)行身份確認(rèn)，通過(guò)DNA 采樣和鑒定比對(duì)，很快確認(rèn)了40 名遇難者的身份。

生答：資料體現(xiàn)了DNA 結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性、多樣性、特異性。

論辯3：DNA 依靠什么體現(xiàn)這些特點(diǎn)？可同時(shí)讓2 位學(xué)生在黑板上寫出不同的DNA 片段，找出二者的不同點(diǎn)，進(jìn)而思考什么才可以代表特異性，代表遺傳信息。

生1：DNA 依靠堿基互補(bǔ)配對(duì)原則，以磷酸二酯鍵和氫鍵維持結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。

生2：不同個(gè)體的DNA 中堿基對(duì)的排序不同，代表了DNA 的特異性。

生3：DNA 中堿基對(duì)的排列順序代表了遺傳信息，這種信息從整體看具有多樣性。

論辯4：縱觀科學(xué)史，科學(xué)發(fā)現(xiàn)中的哪些思維方法值得學(xué)習(xí)？

生1：模型構(gòu)建、假說(shuō)演繹、大膽猜想。

生2：類比推理、多學(xué)科相互配合、多交流。

在解釋的過(guò)程中，由于學(xué)生沒(méi)有足夠的知識(shí)背景進(jìn)行前后聯(lián)系，因此教師需設(shè)計(jì)論辯情境，提供相關(guān)背景資料，引發(fā)學(xué)生深層次的思考，注意知識(shí)橫向和縱向的對(duì)比聯(lián)系，尋找規(guī)律和概念之間的關(guān)聯(lián)。在論辯問(wèn)題的設(shè)計(jì)上，教師要注意前后依托，邏輯關(guān)系的彼此銜接，這樣通過(guò)論辯解釋，學(xué)生才會(huì)有一種運(yùn)用新概念撥開(kāi)云霧見(jiàn)青天的成就感。

1.4 設(shè)計(jì)角色扮演，防癌宣傳畫報(bào)助力遷移和評(píng)價(jià) 遷移（elaborate）和評(píng)價(jià)（evaluate）是檢驗(yàn)學(xué)生是否掌握概念并有效應(yīng)用的必要環(huán)節(jié)， 也是培養(yǎng)學(xué)生發(fā)散性思維、解決生活實(shí)際問(wèn)題的重要環(huán)節(jié)。本環(huán)節(jié)的核心任務(wù)是引導(dǎo)學(xué)生通過(guò)多種途徑準(zhǔn)確描述概念，規(guī)律并有效融入已有的知識(shí)體系，進(jìn)一步鞏固概念網(wǎng)絡(luò)； 辨析識(shí)別新情境， 發(fā)現(xiàn)概念本質(zhì)，對(duì)規(guī)律方法進(jìn)行再創(chuàng)造，進(jìn)而解決生活實(shí)際問(wèn)題。 在解決問(wèn)題的過(guò)程中，恰當(dāng)融入過(guò)程性評(píng)價(jià)，既有教師、同伴的點(diǎn)評(píng)，也有個(gè)人的反思自評(píng)，通過(guò)有效的評(píng)價(jià)激發(fā)學(xué)生進(jìn)一步探究的熱情。

情境1：角色扮演，用人體模擬核苷酸單體，一列學(xué)生扮演RNA， 另外2 列學(xué)生扮演DNA， 體現(xiàn)磷酸二酯鍵和氫鍵，感悟DNA 雙鏈反向的原因。

教師畫圖展示人體各部分代表的含義， 由學(xué)生小組討論后上臺(tái)展示。 他們有的在2 號(hào)碳位上貼上H 或OH 以區(qū)分脫氧核糖和核糖， 有的學(xué)生右手專門標(biāo)注了堿基的種類， 在模擬時(shí)還以3 個(gè)手指或2 個(gè)手指相連區(qū)分氫鍵的數(shù)目。 在細(xì)節(jié)的考慮上超過(guò)了教師的預(yù)估， 師生互動(dòng)也達(dá)到了高潮。期間還有別的小組學(xué)生點(diǎn)評(píng)，例如如何體現(xiàn)核苷酸鏈的方向， 如何體現(xiàn)脫水縮合形成的磷酸二酯鍵，如何體現(xiàn)雙鏈的距離恒等。

情境2：教師補(bǔ)充材料，在堿性條件下，核糖2號(hào)位碳原子相連的羥基中氫的電子容易被奪走，氧失去電子就容易攻擊磷， 容易使磷酸二酯鍵發(fā)生斷裂。 這說(shuō)明了什么？ 引導(dǎo)學(xué)生發(fā)現(xiàn)RNA 和DNA 穩(wěn)定性的差別， 再次認(rèn)同絕大多數(shù)生物以DNA 作為遺傳物質(zhì)。

情境3：細(xì)胞癌變的本質(zhì)是基因突變，紫外線、二甲基亞硝酸胺、苯并芘、黃曲霉素、病毒都是常見(jiàn)的致癌因子，請(qǐng)從DNA 結(jié)構(gòu)的角度設(shè)計(jì)宣傳海報(bào)，向人們普及致癌機(jī)理。

本環(huán)節(jié)在情境設(shè)計(jì)上，要注意材料的新穎性、真實(shí)性和完整性，由淺入深，圍繞問(wèn)題的解決過(guò)程展開(kāi)教學(xué)，通過(guò)角色扮演、材料分析、設(shè)計(jì)海報(bào)等多種途徑實(shí)現(xiàn)有效的遷移和評(píng)價(jià)。

2 教學(xué)反思與拓展

在教學(xué)中常會(huì)發(fā)現(xiàn)， 學(xué)生的情緒對(duì)于師生配合、教學(xué)效果至關(guān)重要。 情由境生，情境設(shè)計(jì)才顯得尤為重要。5E 教學(xué)模式強(qiáng)調(diào)了知識(shí)方法規(guī)律的自主生成， 而無(wú)論哪個(gè)環(huán)節(jié)都需要相應(yīng)的情境進(jìn)行配合。 在“DNA 的分子結(jié)構(gòu)”課例中，情境設(shè)計(jì)的方法有很多，例如，科學(xué)實(shí)驗(yàn)和科學(xué)史的真實(shí)情境；畫平面圖和角色扮演的模擬情境；圍繞DNA特點(diǎn)的論辯情境；圍繞DNA 平面結(jié)構(gòu)的問(wèn)題情境等。 這些背景資料、新聞素材、知識(shí)點(diǎn)鋪墊、問(wèn)題串、畫結(jié)構(gòu)圖、角色扮演，歸納起來(lái)就是要通過(guò)多種載體，提供多個(gè)平臺(tái)，引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行有序的邏輯思考和自主表達(dá)。通過(guò)摸索的過(guò)程，才能消除前概念的錯(cuò)誤認(rèn)識(shí)， 新概念才能牢固地內(nèi)化到學(xué)生已有的知識(shí)網(wǎng)絡(luò)中。 如何設(shè)計(jì)更貼合生活的教學(xué)情境應(yīng)用和評(píng)價(jià)， 如何讓學(xué)生真切感受到拓展應(yīng)用的價(jià)值，這是要進(jìn)一步思考的問(wèn)題。

探索未知，尋找邏輯規(guī)律，解決生活問(wèn)題是人類的本能， 而強(qiáng)烈的表現(xiàn)欲望則是學(xué)生的天性。5E 課堂就是要保護(hù)這種本能和天性，從而真正提升學(xué)生的生物學(xué)核心素養(yǎng)。