STEM教育中6E設計型學習模式在高中生物教學中的應用

徐建

摘要 通過構建STEM教育的情景整合模型框架，指出6E設計型學習模式是生物學教學融入SrIEM教育比較合適的形式，并以“加酶洗衣粉的洗滌效果”為例，給出了具體的課程設計案例，以期為更多的案例研究提供參考。

關鍵詞 STEM教育 6E設計型學習模式 高中生物

中圖分類號C633. 91

文獻標志碼B

STEM是Science（科學）、Technology（技術）、Engi-neenng（工程）、Mathematics（數學）的簡稱，最早由美國國家科學基金會（NSF）于20世紀90年代提出，旨在將原本分散的科學、技術、工程、數學4門課程集合成一個新的整體。這個整體不是四要素的簡單相加，而是把學生學習到的某一學科（尤其是理科）的零碎知識與機械工程相結合，讓學生體會知識間的相互聯(lián)系，強調在“雜亂無章”的學習情境中提升學生的設計能力、合作能力、問題解決能力和實踐創(chuàng)新能力。STEM教育更注重科學與工程學實踐的結合，對學生實踐能力的要求更高，這也是21世紀高素質創(chuàng)新性人才所必備品格和關鍵能力。

1 STEM教育的整合性理念

STEM教育將原本分散的4門學科（科學、技術、工程、數學）集合成一個整體。其整合過程也是隨著STEM教育運動的發(fā)展和推進而逐漸發(fā)展起來的。教育者逐漸認識到“整合”的重要性，并提出了STEM教育整合性理念，該理念強調在真實情境中培養(yǎng)學生設計與解決問題的能力。摩爾和史密斯在其研究中提出了STEM教育的兩種模式：①情境整合（context in-tegration），意在將工程設計當做科學和數學教學中的學習情境和動力要素。其中，工程設計并不是學習目標，而是一種教學方法，用以加強學生對知識的聯(lián)結和掌握;②內容整合（ context integration）重點將工程設計看作是學習目標之一，將相關的工程知識與科學和數學知識進行整合。從目前基礎教育的教學現(xiàn)狀和教學目標設置來看，將工程技能定為教學目標尚有一段距離，因此情境整合應成為實施STEM教育的主要參考模式。

2 融入STEM教育理念的生物課程設計

2.1 6E設計型學習模式

6E設計型學習模式最早是由美國國際技術與工程教育學會（ITEEA）于2010年提出，該模式結合了“科學探究”的思維和“工程設計”的實踐，讓學生在“重要了解”和“需要做”的過程中感知和洞察真實情景中的問題，解決挑戰(zhàn)性任務。該模式是落實STEM教育整合性理念的有效設計模式。6E模式表現(xiàn)為參與（Engage）、探索（Explore）、解釋（Explain）、工程（En-gineer）、深化（Enrich）、評價（Evaluate）這六個環(huán)節(jié)。下面以“加酶洗衣粉的洗滌效果”這一節(jié)為例，具體闡述6E模式在生物教學中的應用。

2.1.1參與

參與指以真實情境為導入，激發(fā)學生的興趣和動機，提升他們的學習參與度。教師從社會生活情境引入，以某洗衣連鎖店準備采購一批洗衣粉作為洗衣用品作為教學背景，引起學生注意，激發(fā)學生興趣。教師假設這個洗衣店需要采購一批高效環(huán)保的新產品作為選擇對象，請學生設計幾組實驗以確定對于污染程度相同的衣物使用不同洗衣粉后所需洗衣粉用量的變化情況，從而來采購更高效的產品。這種以社會生活為情境背景的教學設計，提高了學生課堂參與的積極性。

2.1.2 探索

探索指為學生提供構建自我知識體系，開展基于問題或項目的研究。本課題中，主要探究關于加酶洗衣粉的以下問題：①普通洗衣粉和加酶洗衣粉對衣物污漬的洗滌效果有什么不同？②在什么樣的溫度下使用加酶洗衣粉效果最好？③添加不同種類酶的洗衣粉其洗滌效果有哪些區(qū)別？教師利用這三個問題引導學生思考并設計相關探究實驗，根據實驗數據進行分析。

2.1.3 解釋

解釋給予學生反思、解釋、修改和精細化所學知識的機會。在本課題中，很多學生忽略了科學探究是一個嚴肅和嚴謹的過程，簡單地認為洗滌時間、洗滌效果和溫度都是顯而易見的。剛開始探究實驗時，很多學生粗略地設計了一些實驗，導致無法得出確切的結論;一些學生沒有意識到控制變量對實驗的重要性，如水量、攪拌次數和力度等，從而大大降低了實驗的精確性;還有一些學生在設計溫度時，只有冷（0℃）和熱（90-100℃）之分，既不符合生活中的實際情況，也無法得出正確的實驗結論。針對上述出現(xiàn)的種種問題，筆者并沒有急著去糾正這些問題。而是引導學生自己想辦法尋求解釋或解決。教師引導學生分析前期試驗設計和實驗過程，由學生自己來描述問題，并解釋出現(xiàn)這些問題的原因以及避免這些問題的措施。學生經過激烈的討論，對前期出現(xiàn)的問題都提出了解決辦法，各小組修改自己的實驗設計方案，并對實驗中用水量、水溫設置、洗衣粉加入量、污漬大小、攪拌時間和力度等進行了探討，重新設計和完善了實驗方案。學生經歷了這一過程，對科學探究了有了深入的認識。這時，教師可以進一步總結：科學的探究過程應嚴格考慮控制實驗變量，同時要結合生活實際，考慮實驗設計的邏輯性和現(xiàn)實性。

2.1.4工程

工程指向學生提供將所學知識和技術應用到實踐中的機會，使學生更加深入了解問題的核心。此過程包括可能的裝置的設計和測試。在本課題的第二課時開始時，各小組根據第一課時各小組修改的實驗方案，重新進行實驗操作。在實驗過程中，針對實驗變量的控制，學生動手實踐改進實驗操作過程，除了選用的洗衣粉不同外，洗衣粉用量、水溫、水量、布料污染度及材質保持一致外，洗滌相同時間后，布料上的污染度發(fā)生了變化，統(tǒng)計測量結果，得出去污百分比，說明加酶洗衣粉的洗滌效果好于普通洗衣粉。在此基礎上，學生繼續(xù)探究洗滌的最適溫度以及洗衣粉的用量問題。學生探討設置梯度溫度，如20℃、25℃、30℃、35℃、40℃等不同的溫度，在保持其他變量不變的情況下找出最適溫度，并以同樣的方法找出最合適的洗滌用量。在學生實驗討論的基礎上，教師提出問題：根據實驗結論與所學知識，請思考在工業(yè)流水線上如酒店、飯店、洗衣店等需要大規(guī)模洗滌物品的地方，應如何根據本節(jié)課所得數據，設計相關生物工程實驗。教師給出在大規(guī)模流水化洗滌衣物時對洗衣粉用量及洗滌溫度應如何設定和控制的意見，引導學生課后收集相關資料，設計工業(yè)化洗滌的合理方案。

2.1.5 深化

這一環(huán)節(jié)讓學生對所學知識進行深度探索，通過工程概念在復雜問題中的應用實現(xiàn)知識和技能的遷移。本課題中，針對上一節(jié)課提出的大規(guī)模流水線洗滌衣物的實驗方案設計，有一些小組設計時既考慮了洗衣物量的問題，又考慮洗滌機器的功效等。這說明學生已經將學科知識與工程化過程結合起來，各小組面向全班展示自己小組的設計方案，同時結合生產生活實際，與其他小組進行討論比較，全班分享交流成果并總結所分析討論的結果。在此基礎上，教師還組織了實地去調研某一洗衣店和酒店場所的洗滌衣物所采取的具體措施和方法，讓學生實地調研后結合實驗設計給這些洗衣店和酒店提供更合理化的建議。

2.1.6 評價

評價是指依據評價標準，教師和學生一起對學習的效果進行檢測。對于這一課題研究的評價，教師可以采用過程性評價和目的性評價相結合的方式。在結合通過紙質測試方式的同時，教師要考慮學生在設計實驗方案、操作實驗過程和小組交流分享過程中的表現(xiàn)，給予恰當的評價。此外，也要考慮和引入組內互評和學生個體自評的方式，將評價的功能真正體現(xiàn)在鼓勵學生發(fā)現(xiàn)和思考問題，也讓他們更好地感知科學、技術、工程和數學之間的密切聯(lián)系，幫助他們更全面地掌握和運用知識。

2.2 6E設計型學習模式對生物教學的啟示

將STEM教育理念整合到中學生物學教學中是《普通高中生物學課程標準（2017年版）》中提出的教學必然趨勢。STEM教育不僅是一種整合性的教育理念，也是一種課程設置的趨勢，更是一種教學方式的革新。6E模式有效地將生物學和工程學、數學等其他學科有機整合，實現(xiàn)跨學科領域的培養(yǎng)方式的轉變，同時擴充延伸與其他學科或現(xiàn)實生活有關的實驗課題，增強了學生學習興趣與動手探究的能力。6E設計型學習模式的6個環(huán)節(jié)并不是截然分開的，而是互有包含，因此在實際教學過程中不一定要拘泥于6個環(huán)節(jié)，要根據不同的課程與章節(jié)而采取靈活運用的手段和教學設計，這樣才能更有效地體現(xiàn)STEM的教育理念。

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