“5E”教學模式在中學生物學教學中的應用
——以“生態系統的能量流動和物質循環”為例

曹 菁

(上海華旭雙語學校 上海 201805)

“5E”教學模式是1989年由美國生物學課程研究會提出來的基于建構主義的探究式教學,共由五步組成,包括吸引(Engagement)、探究(Exploration)、解釋(Explanation)、遷移(Elaboration)和評價(Evaluation),強調激發學生的學習興趣、以學生為主體、注重學生動手操作和讓學生主動建構新知識等。義務教育階段的生物學課程注重探究和實踐,而“5E”教學模式中的關鍵部分也是探究,因此,這種教學模式與生物學的學習模式不謀而和。教師以“生態系統的能量流動和物質循環”為例探究了“5E”教學模式在中學生物學教學中的應用。

1 教學分析

“生態系統的功能”是滬教版初中《生命科學》第五章第二節“生態系統的結構與功能”的第二課時,是在生態系統組成的基礎上,進一步說明生態系統的功能——能量流動和物質循環,使學生認識生態系統能量流動和物質循環的特點,同時也為學生后續學習“生態系統的穩定性”打下良好的基礎,起到了承上啟下的作用。本節課內容在《上海市初中生命科學學科教學基本要求》中屬于B 級要求,強調能說明生態系統能量流動和物質循環的功能。

在學情方面,學生已經掌握了光合作用、生態系統的組成和食物鏈與食物網的定義,并且具備了一定的讀圖分析能力、小組合作能力和動手能力,此外,學生對如何踐行低碳生活有了一定的認識,對搭建模型比較有興趣。

2 教學目標

《義務教育生物學課程標準(2022年版)》強調學生生物學核心素養的培育,體現學科的育人價值?！渡虾Ｊ谐踔猩茖W學科教學基本要求》提倡探究式學習和自主式學習,關注學生學習過程中的實踐經歷,強調學生的學習過程是主動參與的過程,力求使學生在學習基礎知識的同時,逐步提升分析和解決問題的能力。教師以此為基礎,確立了本課的教學目標:

(1)說明生態系統能量流動和物質循環的過程和特點,認識生態系統的物質循環與能量流動是相互依賴、相互依存、密不可分的統一整體。

(2)經歷“生態系統能量流動模型”的搭建過程,提升自主學習能力和科學思維能力。

(3)分析“自然界中的碳循環”過程,關注相關環境問題,增強低碳生活意識和社會責任感。

3 設計思路

本節課采用“5E”教學法的模式(圖1),首先利用上海市野生動物園白虎的相關剪輯視頻來引入新課。由于學生對野生動物園比較熟悉,且上一節課教師剛提過老虎,因此,這種引入方式更容易激發學生的興趣。接下來,教師以視頻中的畫面與信息為情境貫穿整節課的教學內容,增加教學的趣味性;再通過小組合作的方式,引導學生共同搭建生態系統能量流動的模型,讓學生經歷合作探究和建構模型的過程,不僅使學生理解了能量流動的特點,更重要的是提升了學生的科學思維能力。

圖1 “5E”教學模式圖

在教授物質循環這一部分內容時,教師通過問題探究和自主學習的方式,組織學生結合“自然界的碳循環”示意圖閱讀教材,并引導學生通過對一系列問題的思考和討論分析來逐步構建自然界中的碳循環過程。教師利用多媒體課件和視頻以便于學生直觀理解,師生共同歸納出物質循環的特點。學生學完物質循環后,教師要求學生分析大氣中二氧化碳含量折線圖和氣溫變化圖,以增強學生的低碳生活意識,使學生初步具有一定的社會責任感。最后,教師總結生態系統能量流動和物質循環的關系,使學生認識生態系統的能量流動與物質循環是相互依賴、相互依存、密不可分的統一整體。

4 教學過程

4.1 吸引(Engagement):創設情境,激發興趣

首先,上海市野生動物園是一個學生比較熟悉的地方,學生不僅在假期可能會去參觀,而且每年春游學校也可能會組織去野生動物園。此外,在上一節課學習“生態系統的組成”時,學生也以老虎為例進行過學習,因此,教師通過播放上海野生動物園白虎的相關剪輯視頻,可以激發學生的興趣和引發學生思考。在視頻結束后,教師提出問題:視頻中提到“一山不容二虎”,這是為什么呢? 教師引發學生思考進而進入下一個教學環節。

4.2 探究—解釋(Exploration-Explanation):合作探究,總結歸納

4.2.1 分析能量流動的來源和渠道

在提出“一山不容二虎是什么原因”這個問題后,教師通過組織學生討論和讓學生作答,總結出根本原因是為了保證維持生存所必須的能量不被其他生物搶奪,從而引出生態系統的第一個功能——能量流動。在分析能量流動的來源和渠道這一環節,教師主要通過問題鏈的形式引導學生進行小組探究。教師設置的問題一為“假設生活在野外的白虎通過捕食上一級獵物狼來獲取能量,狼再捕食上一級獵物羊,羊又通過吃草獲取能量,那么草的能量是如何來的呢?”教師引導學生聯系到光合作用,總結出能量的根本來源是太陽能。教師設置的問題二為“那么能量是如何在生物之間流動的呢?”教師用PPT 展示幾種生物,學生通過小組討論可以總結出“生產者固定光能并將能量儲存在含碳有機物中,能量沿食物鏈在生物體之間流動”。至此,教師可以進行小結:能量流動的根本來源是太陽的光能,渠道是食物鏈。

4.2.2 組織學生小組合作,搭建生態系統的能量流動模型。

首先,教師用PPT 展示“草→羊→狼→白虎”這樣的一條食物鏈,緊接著提出問題:①食物鏈中每個營養級獲得的能量全部用于自身的生命活動了嗎? ②每個營養級獲得的能量一定會流入下一營養級嗎? ③能量會有哪些去向? 學生很快就可以給出第一個問題的答案,但是第二個和第三個問題對學生而言稍有難度,在教師的引導下,師生共同分析第一和第二營養級的能量流動,歸納能量流動的去向。

接下來教師請學生以小組為單位合作探究,讓學生動手構建完整的生態系統能量流動模型,教師會為學生提供搭建素材(圖2)。在搭建的過程中,學生就可以思考:箭頭的粗細代表什么? 箭頭的方向又代表什么? 不同顏色的箭頭會有不同的意義嗎? 學生帶著這些問題來搭建模型,教師可以請一組學生利用希沃白板來進行搭建,其余小組的學生利用小組的平板電腦各自在組內完成。模型搭建完成后,請小組展示模型,教師將其搭建結果投屏到電視上,小組學生嘗試依據模型描述能量流動的過程,其余學生補充或糾正錯誤之處。最后,教師用PPT 展示正確的能量流動模型圖(圖3),師生共同總結得出每個營養級的能量流動通常都有三個去向:通過呼吸作用散失、被下一營養級攝取和被分解者利用。

圖2 生態系統能量流動模型搭建素材

圖3 生態系統能量流動模型圖

教師繼續以圖3 為例,提出以下問題:①生產者固定的能量會再轉化為光能嗎? ②流入消費者體內的能量會再重新流回生產者嗎? 例如,羊被狼吃掉后能量由羊流入到狼的體內,那么可以反過來羊吃掉狼,能量從狼流動到羊的體內嗎? ③箭頭的粗細有什么含義? ④隨著營養級的升高,能量如何變化?⑤能量從草沿著食物鏈到白虎,箭頭粗細有怎樣的變化? 能量發生了什么變化呢? 經歷了自主搭建“生態系統能量流動”模型的過程后,學生的自主學習能力和科學思維能力都得到了提升,以上問題對學生而言就較為簡單了,在學生回答問題后,師生共同總結得出能量流動的特點是:①單方向流動。②逐級遞減。

4.2.3 分析自然界碳循環

教師提出:在視頻中有一個畫面是兩只白虎為了爭奪食物而展開斗爭,假如其中一只白虎死亡,它的遺體會去向哪里? 學生會想到遺體被分解者分解了。此時,教師可以繼續提出:那被分解之后的物質呢?從而引導學生想到:白虎遺體被分解后又回歸到環境中,然后被草吸收,使其又進入了食物鏈。學生進而可以推斷任何一種生物的組成物質—碳、氫、氧、氮等都可以在生物和環境之間周而復始地被反復利用,即物質循環。接下來教師以碳循環為例來引導學生理解物質循環的過程,教師組織學生以小組為單位,要求學生觀看視頻并結合教材第87 頁“自然界的碳循環”圖思考并完成活動單(圖4)。

小組完成討論后,教師組織各小組學生分享自己組內討論的結果,教師根據學生的答案總結碳循環的過程(圖5),并歸納物質循環的特點:碳循環是具有全球性的,而且是以二氧化碳的形式進行的。在小組討論的過程中,學生不僅認識了分解者在生態系統中的重要作用,而且對物質循環的概念理解得更加透徹。

圖5 自然界碳循環過程圖

4.3 遷移(Elaboration):遷移應用,知識升華

正常情況下,大氣中二氧化碳的含量為0.03%,那么如果物質循環失調了,大氣中二氧化碳的濃度升高,會發生什么呢? 教師提出這一問題引發學生思考,使學生將所學知識應用到解決真實問題的情境中。教師用PPT 展示兩張圖片——近幾十年大氣中二氧化碳含量變化的折線圖和全球溫度的變化圖,繼而陸續發出提問:①從圖中你得到了什么信息?②你認為導致碳平衡被破壞的原因是什么? ③碳平衡被破壞會帶來什么后果? ④我們可以通過哪些方式來改善全球變暖的現狀呢? 教師組織學生小組討論并讓學生分享討論結果。

通過這一環節的互動,教師不僅可以提升學生的信息提取能力和圖文轉換能力,而且可以加深學生對碳循環過程的認識,使學生更直觀感受人類大量開采并燃燒化石燃料所帶來的影響,增強學生的低碳生活意識和社會責任感。

接下來,教師通過問題探究的形式提出問題:在視頻中展示的是生活在野生動物園的白虎,那么在大自然界中可能會存在只有一種物種的這樣一個區域嗎? 答案必然是否定的,白虎生存所需的能量需要從食物鏈的上一個營養級獲得,而每一個營養級所需要的能量都來自于上一營養級,師生進而共同歸納出:物質作為能量的載體,使能量沿著食物鏈或食物網流動,能量作為動力使物質在生物和環境之間循環,物質循環與能量流動相互依賴、相互依存、密不可分。教師同時使用板書展示物質循環和能量流動的關系。

4.4 評價(Evaluation):多元考查,全面評估

每位學生都是獨立的個體,個體之間的發展都有其獨特的邏輯性、自主性和內生性。教師在對學生進行評價時也不能僅局限于知識層面的評價,需要進行深度的、多元的評價,如對學生學習技能、學習習慣、思考問題的邏輯性和在互動時反映出的態度和意識等進行評價,這些都可以作為評價的標準。

以“生態系統的能量流動和物質循環”一課為例,本節課設置了較多的學生活動,尤其是小組活動,那么教師除了要進行常規的終結性評價之外,還應帶領學生運用批判性和辯證性的思維進行自評或互評,這也是“5E”教學法的內涵所在。例如,在小組討論的環節,教師就可以觀察學生在小組內擔任了什么角色、組內討論是否積極、思考問題是否全面等。教師還可以結合組間評價和組內評價的形式。例如,在某個小組分享完某個問題之后,其他小組的學生可以進行點評和補充,同組成員可以進行互評。

5 教學反思

本節課有以下兩個優點,其中第一個是搭建模型來提升學生的科學思維能力。生態系統能量流動的特點是這節課的難點,教師通過課前準備的“搭建能量流動模型”的材料,引導學生小組合作共同搭建生態系統能量流動的模型,讓學生經歷思考討論、合作探究和搭建模型的過程,并使學生在不斷糾錯和解析中完善“能量流動模型”,幫助學生從中理解生態系統能量流動的特點,提升學生的科學思維能力。第二個是注重培養學生分析圖表的能力。在學習生態系統的物質循環時,教師以碳循環為例,組織學生以小組為單位,分析教材第87 頁“自然界的碳循環”圖,要求學生歸納碳循環的過程及特點。通過對近幾十年大氣中二氧化碳含量折線圖的分析,學生提升了對數據的分析和處理能力,在此過程中增強了低碳生活的意識,初步具有了一定的社會責任感。

除此之外,教師利用野生動物園白虎的視頻資源信息貫穿了整節課的教學,保持學生持續學習的興趣。但是這節課也有一些需要改進的地方。例如,教師在最后總結能量流動和物質循環的關系時預留的時間較少,在以后的課程設計時,教師可以注意本環節的時間分配。