基于5E教學模式的機能實驗學教學實踐
--以家兔呼吸運動調節為例

周 華 方 瓊 姜文濤

安徽醫學高等專科學校基礎醫學院生理學教研室 安徽合肥 230601

醫學機能實驗學是整個醫學教學過程中不可缺少的橋梁課程,它通過基本知識技能、基礎性實驗、綜合性實驗、設計性實驗的“四階段遞進式”教學體系,目的是使學生掌握動物或人體的機能活動規律及其在病理狀態或藥物干預下的變化,有助于幫助學生理論聯系實際,提高學生綜合科學素質,培養學生創新意識和能力,主動構建科學的知識體系等[1]。

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在傳統的課堂教學中,授課教師首先對實驗目的、實驗原理及實驗操作步驟進行簡單介紹,組織學生觀看實驗教學視頻;之后,將學生分組進行實踐操作,學生通過“菜譜式”實驗操作流程進行操作;課后,學生按要求書寫實驗報告。在這樣的課堂教學模式下,實驗成功率較低,學生無體驗感、參與感及成就感。另外,即使實驗成功,學生也是“知其然而不知其所以然”,不知實驗基于什么樣的原理,不知如何解釋出現的實驗結果,不知做這樣的實驗有什么實際意義,學生對整個實驗知識體系建構效果較差。在這樣的教學模式下培養出來的大學生不能適應社會需要,學非所用,這與培養高水平的醫學專業人才背道而馳。

教學方法對于促進有意義的學習和消除誤解具有重要意義[2]。5E教學模式是由美國生物科學課程(BSCS)研究者于1987年開發的一種科學教學和學習方法。5E教學模式是一種基于建構主義方法的教學模式,它促進了概念上的變革,它包括五個環節:吸引(Engagement)、探究(Exploration)、解釋(Explanation)、遷移(Elaboration)、評價(Evaluation)。每個環節都有一個特殊的功能,總體目標是幫助教師提供連貫的指導,并幫助學習者參與適當的活動,以促進學生更好地理解和保留科學知識[3]。

一、教學內容分析及思路設計

“家兔呼吸運動調節”屬于機能實驗中較為復雜的一個實驗項目,理論性較強,操作步驟復雜。

知識目標:掌握血液PO2、PCO2、H+濃度變化對呼吸運動的調節。

教師:通過雨課堂發起討論,人在高海拔地區,為什么呼吸急促,甚至呼吸困難?

素養目標:通過實踐操作,培養嚴謹求實的科研態度;通過學習,深刻理解機體內、外環境緊密相連,“綠水青水,就是金山銀山”;幫助學生樹立正確的世界觀,“同呼吸,共命運”。

該實驗對大學一年級的醫學新生來說是個極大的挑戰。我們采用5E教學模式(圖1)對本節內容進行教學設計,探討如何幫助學生構建知識體系,主動、快速地掌握本節知識,并能用所學知識解決新的問題。

圖1 基于5E教學模式的教學思路

二、5E教學模式的教學設計

5E教學模式將整個教學過程分為課前(pre-class)、課中(in-class)和課后(after-class)三個部分,通過5E學習周期進行教學。

(一)環節一 吸引(Engagement)

吸引,5E學習周期的起始環節。目的:設置情境,促進好奇心,激發學習欲望。

[教師活動]:課前開放“家兔呼吸運動調節”虛擬實驗平臺,給每位學生分配賬號和密碼,課前通過雨課堂發放實驗操作視頻。

單因素試驗數據處理使用Excel 2016、Origin 8.5軟件進行，差異顯著性分析使用DPS 9.5軟件進行，P<0.05有統計學意義，中心組合法試驗數據處理使用Design Expert 8.0.5 軟件進行。

響應譜分析一般作為結構的抗震分析，在得知當地的地震響應譜曲線后，根據結構進行抗震計算，計算結構在指定的地震加速度曲線下是否存在較大的應力、彎矩及位移，從而通過對結構進行局部的加強來增加結構的穩定性。

解釋,5E學習周期的關鍵環節。目的:教師引導,解決疑難困惑。

[學生活動]:學生結合日常生活現象,進行總結,并通過教材、網絡查找資源,積極參與討論。

[教師活動]:通過雨課堂發放短視頻,向學生展示人在安靜時,劇烈運動/勞動時,疾病狀態(如支氣管哮喘)時,呼吸運動的情況(呼吸頻率、胸廓起伏的幅度及其他表現)。發起討論:在不同的生理或病理情況下,呼吸運動形式發生什么樣的變化?影響呼吸運動的因素有哪些?

[教師活動]:教師概述整個實驗流程:動物準備,儀器準備,搭建實驗平臺→記錄正常呼吸運動→觀察實驗項目→記錄實驗結果→分析實驗現象→書寫實驗報告(圖2);將學生分小組,提供所需的實驗儀器;強調實驗注意事項。并要求學生觀察并總結以下問題:家兔呼吸運動形式發生怎樣的變化?該實驗證明有哪些因素影響呼吸運動?教師引導和促進學生思維。

[學生活動]:根據已學知識,在移動學習平臺積極參與討論。

根據計算目的的不同，可結合工程實際靈活選取，一般選取實測大壩最大橫斷面；已形成變形破壞的，則在相應破壞壩段內進行選取，即選取已出現裂縫或滑坡的壩段橫斷面進行分析計算。計算斷面邊界、材料分區根據地質勘探揭示的地層界線、原設計資料以及實測的斷面數據確定。

設計意圖:先驗知識(prior knowledge)的激活在記憶更新中起著關鍵作用。激活先驗知識是觸發動機原因導致的概念變化的關鍵[4]。當學習者意識到他們不能用當前的概念來解釋新問題時,產生認知沖突,基于好奇心,激起學生的學習欲望,為小組討論和合作學習提供了有趣的機會,并能導致更富有成效的教學和學習環境。參與階段,旨在提供一個激勵性推動。

(二)環節二 探究(Exploration)

探究,5E學習周期的中心環節。目的:合作探究,探索知識和技能。

在封建社會當中，女性的地位一直非常低下，她們的一言一行通常都受到整個社會的制約，封建思想將她們變成奴隸，強迫她們服從，無論是她們的婚姻、感情還是生命，都很大程度上受到封建思想的束縛。祥林嫂原本是一個淳樸善良的女子，她只想在社會當中尋一處安身之所，本本分分地過自己的生活，但是殘酷的社會現實連這樣的機會都不給她，一步步將她逼上死路。祥林嫂年輕時也曾反抗過，但漸漸開始迷茫，開始將自己所有的遭遇歸結于命運。

圖2 家兔呼吸運動實驗流程

[學生活動]:認真記錄實驗流程,理清邏輯;組內成員協商進行工作分配;檢查器械、試劑的完整性;按照實驗流程進行探究,記錄實驗結果,討論機制;總結教師提出的問題。

設計意圖:探究階段為學生提供通過從新的經歷和觀察中推斷并重新建構概念的機會;為學生提供基于自身的理解提出新的解釋,并進行實證檢驗的機會;為學生提供抓取與學習目標相關的特殊信息的機會。當學生被提示以有意義的方式連接信息時,學生可以更好地學習和記憶。在此過程中,教師仔細地指導和廣泛地引導,確保學生通過建立彼此的知識,通過提出問題進行解釋,通過推動團隊實現其目標的途徑,互相幫助解決問題。探究階段,旨在促進學生的先驗知識和需要學習的新信息之間的聯系[5]。

(三)環節三 解釋(Explanation)

[教師活動]:通過雨課堂,發起討論--呼吸的意義?呼吸的過程是什么?呼吸過程的起始環節是肺通氣,肺通氣的動力是什么?

[教師活動]:讓各實驗小組對實驗結果進行整理、實驗組結果與正常呼吸運動曲線對比并分析,各小組派代表說明呼吸運動曲線發生什么變化?讓學生思考為什么各實驗組呼吸運動曲線發生變化,并派出代表基于所學的知識以及課前查找的資料進行解釋?

[學生活動]:各實驗小組整理實驗結果,觀察實驗組與正常呼吸運動曲線區別,討論呼吸運動變化機制。小組代表發言回答問題,其他同學進行補充。

[教師活動]:教師點評學生的回答。向學生解釋呼吸運動調節的化學感受性反射,血液中PO2、PCO2、H+濃度引起呼吸運動發生改變的機制;肺牽張反射的途徑。

[學生活動]:學生認真聽講,記錄筆記,整理各實驗組呼吸運動曲線發生變化的機制。

設計意圖:當學生理解新信息的必要性及與他們探索的實踐相關時,及時的解釋可以促進知識構建,使其能夠在相關環境中使用。在解釋階段,為教師提供直接和正式介紹這些概念的機會,以有利于檢索的方式幫助學生組織他們的新知識[6]。

乳腺癌是我國女性高發的惡性腫瘤之一，目前臨床上以手術、放療、化療、內分泌治療、生物靶向治療等作為治療乳腺癌的重要手段。雖然乳腺癌的治療水平日益提高，但其死亡率仍居高不下。而導致乳腺癌患者病情惡化和預后不良的主要原因就是腫瘤轉移。可以預見的是：有效抑制乳腺癌轉移，可以提高治療效果，延長生存時間。隨著免疫治療的逐漸興起，本課題組希望篩選特異性表達在乳腺癌細胞上、且與乳腺癌轉移密切相關的抗原作為靶點，開展免疫攻擊治療，從而達到抑制乳腺癌細胞浸潤和遷移的目的。

(四)環節四 遷移(Elaboration)

遷移,5E學習周期的應用環節。目的:進一步參與活動,應用/拓展知識和技能。

[學生活動]:學生登錄“家兔呼吸運動調節”虛擬實驗平臺,反復操作,尤其關注較難操作步驟,預測可能出現的實驗結果,觀看實驗操作視頻,熟悉操作步驟。

能力目標:掌握家兔耳緣靜脈麻醉、氣管插管、迷走神經分離術;呼吸運動曲線的描記;正確解釋呼吸運動變化機制。

1.4 統計學分析 采用SPSS 13.0統計軟件包進行數據分析。計量資料采用均數±標準差表示，采用t檢驗，率的比較采用χ2檢驗，P<0.05為差異有統計學意義。

學生:應用所學的知識,分析機制,繪制自己的思維導圖,在移動學習平臺積極討論。

設計意圖:要求學生應用他們所學的概念和程序在新的環境下解決新問題。遷移階段,為學生提供了將他們的新知識轉移到廣泛環境的機會,在這里,這些新概念將有機會證明它們是“富有成效的”。讓學生暴露在多種環境中促進更深層次的理解。遷移階段,旨在讓新知識被保留并轉移到新的情況中。

(五)環節五 評價(Evaluation)

評價,5E學習周期的反饋環節。目的:評估學習,提供及時反饋;檢索記憶,加強學習。

李瓊等［26］用樣品 10 g，萃取壓力 25 MPa，溫度60℃，配合劑二乙氨基二硫代甲酸鈉2 g，萃取時間3 h，帶劑乙醇用量10 mL，銅、鉛、砷離子的脫除率為53%～60%，萃取后重金屬的量可達到美國FDA標準。

教師:組織設計與本學習內容相關的測試題,課后通過雨課堂發放至移動學習平臺。

在科拉科夫斯基看來，所有可能的認識對象都限制在實踐的范圍之內，幻想擺脫實踐關系而認識“純粹的自我”或“純粹的‘外物’”，這根本是不可能的。因此，離開實踐而談論思維的現實性或非現實性是無意義的虛假問題。“實踐功效不是用以證實知識之獨立于人的真理性的工具，而是創造真理的東西。”[10]實踐是構成真理概念的因素。

2.3 艾滋病相關行為 不同職業間最近一次與配偶或同居者發生性行為時使用安全套的比例差異有統計學意義（P＜0.05），建筑工人的最低，餐飲賓館服務從業人員的最高。三種職業流動人口發生商業性行為、臨時性行為、肛交行為、吸毒的比例以及發生高危行為時安全套的使用比例、出現性病癥狀會到醫院接受正規治療的比例差異均無統計學意義（P＞0.05），見表1。

學生:通過所學知識認真答題,加深記憶。

設計意圖:5E教學模式的目標是促進具有理解性的學習,設計相應的評價活動,了解學生是否真正理解是必須的。評價階段為學生提供利用他們所獲得的知識,評估自己是否理解的機會。評價階段,旨在評估學習,提供及時的反饋;檢索記憶,加強學習[7]。

結語

與接受傳統教學的學生相比,接受5E教學模式的學生對概念理解的正確反應顯著增加[8]。研究表明,5E教學模式是有效的,因為它遵循以下原則[9]:(1)學習者應該要解決現實世界中的問題;(2)在先驗知識基礎上激活新知識;(3)新知識被展示給學習者,而不是被告知;(4)新知識被學習者應用;(5)新知識整合到學習者的世界中。學生得到時間、提示和機會來深入參與學習對象,促進先驗知識和新的知識之間的聯系;它基于建構主義的學習理論,學生從親身經歷中建構知識。

傳統的以講座為基礎的教學方法形成將記憶等同于學習的認知,而5E教學模式是基于一個自然的探究過程,人們探索資源來解決手頭的問題,它促進學生主動學習,促進同伴輔助學習,這些都已被證明可以提高學生在多個學科的表現[10]。