美國STEM教育案例中的“5E”教學模式的分析及啟示

顧文佳 曹志江

摘要：介紹了3個美國優秀的STEM教育案例，從兩個角度分析了3個案例所采用的“5E”教學模式，分別是“5E”教學模式適用于STEM教育的原因以及“5E”教學模式對促進學生STEM素養形成的影響。

關鍵詞：“5E”教學模式 STEM教育

中圖分類號：G633.91 文獻標志碼：B

STEM是科學（Science）、技術（Technology）、工程（Engineering）和數學（Mathematics）的簡稱。STEM教育強調各學科內容自然融合成整體，而非簡單疊加，關注科學知識的掌握、高階思維的培養、素養能力的具備及科學態度的養成。美國STEM教育經過多年的發展，已經形成了一套成熟的體系，能為其他國家提供借鑒和參考。下面以3個美國優秀的STEM教育案例為例，進行分析。

1STEM教育案例介紹

1.1案例一：抓錯了魚

1.1.1案例背景及需要解決的問題

兼捕已成為維持漁業可持續發展和保護瀕危物種的一個世界性挑戰。兼捕是漁業中的常見現象，指在捕撈目標生物時，對非目標種類生物的附帶捕獲。

本案例的主要目的是讓學生為金槍魚捕撈業中的兼捕問題設計一個解決方案，并將此解決方案應用于現實生活。

1.1.2教學過程

在本課程中，學生以小組為單位，設計、測試解決兼捕問題的方案。學生使用數據來優化設計，并考慮模型的現實可行性。課程采用“5E”教學模式，包括吸引、探究、解釋、遷移以及評價5個教學環節。

①吸引階段——引入“兼捕”的含義及其對漁業可持續發展的影響：學生通過模擬捕撈的活動、閱讀相關資料，討論兼捕的含義及影響，比較不同漁具、捕魚方式對兼捕的影響。②探究階段——設計、測試和優化模型：學生設計、測試解決兼捕問題的方案，使用數據優化“新型漁網”設計。③解釋階段——分享和討論：學生展示最終模型，分享設計和優化模型的過程，并選出最佳設計方案。④遷移階段——考慮最佳設計方案的現實可行性，拓寬解決兼捕問題的思路：學生基于現實的限制條件，考慮最佳設計方案的現實可行性、實現方式及其他解決兼捕問題的切入點。⑤評價階段：評估學生對兼捕問題以及漁業可持續發展的評價和觀點。

1.2案例二：冠狀動脈無小事

1.2.1案例背景及需要解決的問題

此案例主要研究心臟。冠狀動脈為心臟提供營養，阻塞時會誘發心肌梗死。冠狀動脈支架植入術能夠將血管支架植入到阻塞的冠狀動脈中，保持其管腔的開放。

美國《新一代科學教育標準》（NGSS）認為工程實踐和科學內容的學習不可分割。此案例運用冠狀動脈支架植入術，為學生提供參與工程實踐的機會，加深學生對科學內容的理解。

1.2.2教學過程

在此案例中，學生將血管支架植入到模擬的阻塞冠狀動脈中，恢復管腔開放。課程采用“5E"教學模式。

①吸引階段——引入冠狀動脈支架植入術：學生了解冠狀動脈支架植入術能夠有效修復堵塞動脈，并了解相關知識，明確項目目標和限制條件。②探究階段——開展頭腦風暴，設計、制作、測試和重新設計：學生頭腦風暴，設計如何清理阻塞的冠狀動脈的方案;并以自制的堵塞“冠狀動脈”為材料，實施和測試設計方案，并改進優化。③解釋階段——分享和討論：小組展示最終方案及改進過程，組間討論、分析各組優缺點。④遷移階段——考慮設計方案的現實可行性：學生進一步思考其設計方案在真實手術中是否可行，例如斑塊能否移動、手術時長問題、從血管兩端同時手術是否合理等。⑤評價階段：學生制作海報或撰寫報告，呈現最終方案，教師進行總結性評價。

1.3案例三：DNA建模——理解DNA的結構

1.3.1案例背景及需要解決的問題

DNA是生物體遺傳信息的攜帶者，但由于分子很小，導致相關教學開展較困難。

此案例開展“我是一個脫氧核糖核苷酸”和制作DNA毛條模型的活動，為學生展示DNA的組成部分、結構和功能，幫助學生更好地理解有機體的生長和發展。

1.3.2教學過程

課程采用“5E”教學模式，通過層層遞進的步驟引導學生學習。

①吸引階段：學生了解DNA在現代社會問題解決中的應用、基因變異導致疾病等，對DNA產生興趣。②探究階段：學生開展DNA提取實驗，直觀感受DNA的客觀存在，并自主學習DNA的組成和結構;在教師組織下，參與DNA身體建模活動，強化對DNA的認識。③解釋階段：依據DNA身體模型，教師解釋脫氧核糖核苷酸的組成、DNA單鏈的形成、堿基互補配對、DNA反向平行的特點。④遷移階段：新知活用，學生使用毛條玩具自主制作DNA模型。⑤評價階段：學生進行口頭測試或紙筆測驗，教師進行評價或學生互評。

2教學模式分析

從教學模式的角度，分析“5E”教學模式適用于STEM教育的原因以及“5E”教學模式對促進學生STEM素養形成的影響。

2.1“5E”教學模式適用于STEM教育的原因分析

STEM教育一般基于工程設計來進行教學設計。以上3個STEM教育案例均以工程設計作為課程的抓手。學生在工程設計中，自主進行科學探究，潛移默化地提高STEM素養。基于“5E”教學模式，學生能夠更有效地開展工程設計。表1展示了“5E”教學模式各步驟與工程設計過程的對應關系。

“吸引”環節，學生產生興趣，發現問題，確定工程設計的目標及限制因素。如案例二中，在“吸引”環節，開展心臟解剖實驗，播放機器人微創手術視頻，了解冠狀動脈阻塞的后果及血管支架手術。當面對模擬堵塞冠狀動脈時，確定目標為取得動脈最大血液流量，限制條件為防止斑塊流動到其他位置，危害病人健康。“探究”環節中，學生廣泛搜集信息，研究和開發可能的設計方案。建立模型在工程設計中非常關鍵，模型能夠使設計者更好地掌握設計問題特征，分析解決方案要素，預測設計效果，指導解決方案開發。測試模型得到的數據，可用來優化設計。如案例一中，學生制作減少兼捕的物理模型進行捕撈，記錄及分析模擬捕撈的數據，改進模型。在“解釋”環節，學生論證設計方案的可行性，分享交流。如案例二中，學生測量“血液”（水）通過透明塑料管所需時間，用客觀數據證明設計方案的可行性。在“遷移”環節，學生依據現實因素、用戶需求等，選擇最優設計解決方案。如案例一中，學生考慮現實因素，如成本、安全性、制作難度、可靠性等，選擇最佳設計方案。在“評價”環節，學生交流與反思，以多種方式從多維度評價。3個案例中，評價都是貫穿于整個課程，教師、學生共同評價。

綜上所述，“5E”教學模式的各步驟與STEM教育中工程設計的過程相輔相成，因此“5E”教學模式適用于STEM教育。

2.2“5E”教學模式對促進學生STEM素養形成的影響分析

成功的STEM教育能夠提高學生的STEM素養。STEM素養由STEM知識、STEM能力、STEM思維、STEM態度等要素構成。教師在STEM教育中應用“5E”教學模式可以提高學生的STEM素養。表2展示“5E”教學模式的各環節對STEM素養各要素分別產生的影響。

學生在STEM活動的過程中，可以建構相關的STEM知識。例如，案例一中，學生獲得兼捕、漁業可持續發展、漁具制作等原理和知識;案例二中，學生獲得心臟結構、血液循環系統、動脈堵塞修復等生物醫學知識;案例三中，學生獲得DNA結構與功能的生物學知識。

教師采用5E教學模式開展STEM教學，可以在各個環節培養學生的STEM能力和思維。例如，“吸引”環節，如案例一中，模擬捕撈后，教師提出問題，促進學生思考，培養學生的問題分析能力和善于思考的科學思維。“探究”環節，案例一、二學生搜集信息，研究和開發可能的設計方案，建立、測試和優化模型的過程中，相關能力在無形中具備。探究時，學生綜合運用多學科知識、用工程的眼光解決問題、靈活運用模型、進行認真嚴謹的實證，分別發展了跨學科思維、工程思維、建模思維及科學思維。“解釋”環節，學生分享設計方案，證明方案的可行性，發展了交流協作能力、語言表達能力等，提高了科學思維，具有實證意識。“遷移”環節，學生考慮現實因素優化設計，挑選最佳設計方案，需運用各項能力和思維來綜合考量，期間各項能力和思維得到提升。“評價”環節，學生客觀分析和判斷，反思自身不足，有針對性地進行修正和提高，鍛煉分析判斷能力、反思能力等以及科學思維。

“5E”教學模式各環節的特征以學生為中心、教師為引導者和幫助者的理念等，幫助學生養成良好的STEM態度。

綜上所述，“5E”教學模式適合應用于STEM教育中，它能夠保證STEM教育的開展，從而全面提高學習者的STEM素養。

3對我國生物學教學的啟示

我國生物學教學發展STEM教育時，應該注重教學模式的使用，“5E”教學模式是一個不錯的選擇，目前國內外還有一些基于不同理念設計的教學模式，如“6E”教學模式、UIRDE模式、QIEIE模式。教師可以根據具體課程情況選擇或改進教學模式，保證STEM教育的實施。