5E 教學模式下的高中生物學STEM 教育
——以“生長素的生理作用”教學為例

施茂慶

（晉江市養正中學，福建 泉州 362216）

5E 教學模式強調課堂教學的情境性、親歷性、嘗試性、遷移性及應用性，一般包括吸引（engagement）、探 究（exploration)、解 釋（explanation）、遷 移（elaboration）及評價（evaluation）等5 個教學環節，對學生形成生命觀念及社會責任意識、發展科學思維及科學探究能力具有積極的意義。STEM 教育強調科學、技術、工程和數學的有機結合，有助于學生提高學習興趣，多角度、深度地挖掘客觀事實和現象，開展意義學習，提升綜合運用知識能力和創新能力。筆者嘗試將5E 教學模式與STEM 教育理念有機結合，開展高中生物學教學，旨在促進學生深度學習生物學知識、思想觀點及研究方法，把握生物學科的本質。現以“生長素的生理作用”教學為例，探討基于5E 教學模式下的高中生物學STEM 教育。

一、呈現真實情境，引發學生思考

真實情境是與符號情境、虛擬情境相對的情境，是聯系書本知識與具體實際的紐帶。高中學生對事實和問題的思考經常出現“思而不全”“全而不深”的現象，有必要遵循STEM 教育理念，重視創設真實情境，激發學生主動學習的欲望，引導學生對周邊事實或生活經驗進行觀察、思考及提問，開展科學探究活動，尋求解決問題的方法與答案。

例如，“生長素的生理作用”教學時，教師用竹簽豎插在教室窗臺上的銅錢草花盆中作為參照，用紙條標明窗內側和窗外側，隨后將花盆搬到教室的講臺上，利用實物投影儀投放在大屏幕上，學生觀察、“頭腦風暴”討論后提出問題：①銅錢草植株向窗外生長的可能原因是什么？②為什么靠窗外側的銅錢草葉面呈凹型，而靠窗內側的部分葉面呈凸型？③如果將這盆銅錢草的靠窗內外側對調放置，一段時間后是否仍按原來的方向生長？④同樣放置于窗臺的仙人掌為什么沒有發現與銅錢草一樣的長勢？

學生通過先前“植物生長素的發現”一節的學習，已知銅錢草向光生長的原因是：銅錢草胚芽鞘尖端下面一段的生長素分布受到光的影響，向光一側生長素分布較少，背光側一側生長素較多，導致背光側生長比向光側快，使得銅錢草向光生長。學生進一步思考與討論后達成共識：光是影響銅錢草生長狀態多樣性的重要外因。但對于“生長素的如何發揮作用”感到疑惑。教師拋出解決問題的“支架”：不同濃度的生長素對植物的生長皆具有促進作用嗎？如果植物的根部受到同樣的光照，是否也具有向光生長的特性？

通過創設真實的問題情境、搭建學習“支架”，引發學生思考及探究的欲望，幫助學生基于已有的知識和經驗，針對生活中常見的生物學現象，提出有探究價值的問題。

二、融合學科知識，開展實驗探究

實驗是人們認識自然現象、自然規律及其本質的基本方法。STEM 教育打破學科壁壘，強調學科融合，將技術作為推進科學發展的重要支持。生物學是自然科學重要組成部分，是客觀事實、理性思維和實驗技術相結合的科學。生物學是建立在實驗技術革命的基礎上，融合不同領域科學知識，在繼承中不斷開拓、修正和發展的。

“探索生長素類似物促進插條生根的最適濃度”實驗涉及生物學、化學、物理、數學、工程學及植物扦插水培技術的學習與應用，指導學生利用物理學的測量技術選擇莖干粗細程度相同的、生長旺盛的一年生枝條作為插條，根據誤差技術要求，枝條隨機分組、每組10 支。根據化學方法按照成分、比例配制培養液及系列濃度的萘乙酸溶液，需要應用數學知識測量插條根長，應用工程學知識設計實驗操作流程。

學生能否綜合應用化學、物理、數學、工程學等多學科知識以及植物扦插水培技術，是“探索生長素類似物促進插條生根的最適濃度”實驗取得成功的關鍵。通過實驗促進學生學習與掌握插條的選擇、制作、培養、培養液成分及比例的配制、萘乙酸（一種生長素類似物）溶液系列濃度的配制、插條根長的測量等技術與操作技能，提高科學探究能力。

三、解釋實驗結果，得出科學結論

實驗結果是通過實驗觀察、數據統計分析得到的實驗事實信息，實驗事實是對生命現象解釋的重要依據，實驗結果是實驗結論的依據。實驗結論是對實驗現象和實驗結果進行概括、分析、推導得出的普遍事實或規律。生物學實驗數據的統計、分析、表征形式轉換等，需要綜合、遷移應用STEM 多學科知識及能力。

進行“探索生長素類似物促進插條生根的最適濃度”的預實驗后，課外興趣小組得到下列實驗數據（如表1）。要求全體學生根據實驗數據以萘乙酸溶液濃度為橫坐標，以根的均長為縱坐標，繪制不同時間段插條生根長度的曲線圖，進行實驗數據表征形式的轉換，并討論、解釋下列問題：①各組萘乙酸溶液濃度設置有何規律？這樣設置有什么好處？②實驗1 組的作用是什么？③實驗3 組的濃度是否是促進迎春花枝條的生根的最適濃度？請說明理由。④實驗5 組的濃度是否能促進迎春花枝條生根？⑤實驗6、7 組迎春花枝條的平均生根數為0，這說明了什么？⑥請分析迎春花枝條生根長度曲線圖，并說明萘乙酸溶液濃度對迎春花枝條的生根影響有何規律？⑦生長素的作用是否只有促進生長的作用？⑧如果要確定促進迎春花枝條生根的萘乙酸溶液最適濃度，應如何設計實驗？

教師是探究活動的指導者、學生科學思維發展的引導者，不要急于直接給學生實驗結論，要善于結合學生實驗結果創設問題情境，引導學生觀察現象、識別變量、分析數據、建構數學模型，促進學生深入思考與討論，透過事實與現象尋找規律與本質。

表1 不同濃度的萘乙酸溶液處理后迎春花枝條的平均生根長度

四、遷移應用知識，提高解決問題能力

學生一般是在特定的學習環境下獲得新的認知的，可能存在“以偏概全”“斷章取義”的認知局限性，需要教師提供具有新的、挑戰性的問題情境，引導學生有意識地應用習得的知識解決新情境的問題，在解決問題過程中修正錯誤認識，全面、深刻地理解新知識。

學生分析“探索生長素類似物促進插條生根的最適濃度”實驗結果，得出實驗結論：不同濃度萘乙酸溶液處理對迎春花枝條生根的影響是不同的，低濃度促進生根，高濃度抑制生根，體現了兩重性。此時，教師提出新問題：①萘乙酸溶液對丁香花枝條的生根是否也有兩重性？②不同濃度萘乙酸溶液處理迎春花枝條的發芽是否同樣有兩重性？③促進迎春花枝條生根的萘乙酸溶液最適濃度是否也是促進迎春花枝條發芽的最適濃度？④萘乙酸溶液對迎春花枝條的生根具有兩重性，能否說明其他生長素同樣具有兩重性？⑤銅錢草的向光生長是生長素兩重性的體現嗎？有何證據呢？

教師從實驗藥品、材料選擇、作用部位等方面提出新的研究情境，引導學生深入探究生長素濃度對植物生理作用，鼓勵學生設計“探究不同濃度萘乙酸溶液對迎春花枝條的側芽發芽是否有兩重性”實驗方案，提示學生要科學處理“頂芽產生的生長素對側芽發芽的影響”這一無關變量，指導學生分組討論，相互啟發、補充完善實驗方案。

創設新的問題情境，使得學生認知角度發生變化。當新的刺激納入已有概念體系，引起原有概念認知的改組和修正，使得學習成為“思維中的具體”，從而遷移到具體的應用中。在此過程中，教師要不斷地點撥啟發，幫助學生發現新的問題或現象，鼓勵學生勇于質疑與嘗試，改進實驗設計，強化遷移應用，達到鞏固提升概念學習的作用。

五、進行綜合評價，檢驗學習效果

應用“工程設計”作為綜合評價，幫助學生發現問題，修正認識，深化概念的理解，促進學生互幫互學，改變思維定勢，調整學習策略，達成學習目標。

本節教學結束時要求學生設計栽培方案：假如你是一名農業技術人員，現有5 株番茄苗，一定量的2000mg/L 萘乙酸，蒸餾水及種植番茄的適宜的環境條件，請應用生長素的生理作用知識，設計“10 株番茄植株長出數量較多的無籽果實”栽培方案。提醒學生注意：①使用書面語簡明扼要地表述。②操作過程的邏輯順序。③科學設計植物栽培過程。④要設計觀察日記，隨時記載研究過程。要求學生設計完成后同桌相互指正、修改完善。

以栽培方案設計進行綜合評價，有利于促進學生融會貫通、綜合應用所學的多領域科學、技術、工程和數學知識，解決生產生活中的實際問題；學會“爭鳴而不爭執”“爭論而不爭吵”，通過“思想碰撞”激發“智慧火花”，養成科學思維習慣，有效落實STEM 教育理念。

5E 教學模式下的高中生物學教學，應根據具體教學內容、學生學習水平及教學目標，有機滲透STEM 教育理念。注重創設真實的學習情境，激發學生發現問題、提出問題的探究欲望；要綜合STEM 教育中的科學、技術、工程和數學等知識，提高生物學實驗操作技術的準確性和實驗分析的科學性；指導學生綜合應用STEM 多學科研究方法，解決生活生產中的實際問題，促進深入理解與應用所學知識；同時進行形成性綜合評價，提升學生知識應用能力，增強解決實際問題的社會責任意識，發展生物學學科素養。