基于STEAM教育理念的5E教學設計
——以“DNA的結構”為例

◇安慶師范大學生命科學學院 李思悅 潘美敬 范志強

本文以“DNA的結構”為例，嘗試采用5E教學模式，在具體的教學過程中滲透STEAM教育理念。通過“參與、探究、解釋、遷移和評價”五個教學環節，引導學生形成跨學科的思維，提升學生科學探究能力。

《普通高中生物課程標準（2017版2020年修訂版）》中明確指出教材內容的選擇要充分考慮與其他學科的銜接，這對培養學生的創新意識、綜合素質和科學探究能力提出了新的要求[1]。這與整合科學、技術、工程、藝術、數學等多科融合的STEAM教育理念相一致。5E教學模式是美國生物學課程研究（BSCS）開發的一種基于建構主義教學理論的模式，由吸引（engagement）、探究（exploration）、解釋（explanation）、遷移（elaboration）和評價（evaluation)五個環節組成，因為首字母都是“E”，所以被稱為“5E”[2]。

在“DNA的結構”一節的教學中，教師將STEAM教育理念融入教學過程中，采用5E教學模式，設計探究活動引發學生對DNA的具體結構進行探索，從而幫助學生深入理解生物學學科知識，激發學習興趣，全面落實學科核心素養。

1 教材分析及學情分析

本節是人教版高中生物學必修二《遺傳與進化》第三章第二節的內容，涉及的知識點包括DNA雙螺旋模型的構建、DNA的結構和特點等內容。其中，DNA結構的主要特點是本節課的教學重難點。掌握好本節內容有助于幫助學生進一步理解核酸是遺傳信息的攜帶者、DNA是主要的遺傳物質等前期所學的課程內容，同時又為后面學習DNA的復制、基因指導蛋白質的合成、基因表達等章節打下堅實的基礎，促使學生對生命科學的學習實現從細胞水平走向分子水平的跨越。

學生通過前期的學習，打下較好的生物基礎。同時，高二年級的學生已經具備一定的邏輯推理能力，能夠基于相關的生命科學史，靈活運用模型與建模的方法解決問題。

2 教學目標

基于生物學課程標準、學業要求和學業質量標準，同時參考學生核心素養的要求，制訂了如下教學目標。

（1）分析DNA分子的結構模型，概述DNA的結構特點，解釋該結構與其儲存遺傳信息的功能之間的關系，形成結構與功能相統一的生命觀念。

（2）通過親手搭建DNA雙螺旋結構模型，從基本結構到雙鏈結構，最后到空間結構的構建，培養學生形成邏輯思維和模型思維的科學思維意識。

（3）學習科學家積極探索DNA雙螺旋結構模型的構建歷程，掌握科學探究的基本過程和方法，提高動手實踐能力。

（4）通過相關科學史的學習，感悟科學發現離不開科學合作、多學科的交叉融合以及科學家鍥而不舍的探究精神，同時關注DNA在生活中的應用，積極運用科學知識解釋生活現象。

3 教學過程

3.1 參與：創設真實情境，激發學習興趣

參與環節是5E教學模式的起始環節，目的是導入新課。建構主義認為學習是學習者新舊知識經驗之間相互聯系，最后將其調整為新的認知結構的過程[3]。同時STEAM教育理論強調綜合運用多學科的知識解決基于真實情境中的問題，當創設的情境和學生原有知識經驗相關時，有利于激發學生的學習興趣，提升科學探究能力。

教師播放2004年雅典奧運會開幕式的截取片段，展示開幕式中出現的DNA雙螺旋結構。引導學生思考：視頻中出現了一個非常完美的結構，是什么結構呢？而這種結構為什么能夠出現在奧運會這樣重要的場合中，具有什么意義呢？學生思考回答后，教師進一步提問：上節課我們通過幾位科學家的實驗知道了DNA是主要的遺傳物質，那DNA是如何發揮功能的呢？我們知道結構決定功能，那DNA在起遺傳作用時對應的結構是怎樣的呢？通過觀看具有藝術美感的視頻，設置真實的問題情境，同時通過問題串銜接新舊知識，引發學生對DNA結構的關注與思考。

3.2 探究：重溫科學歷程，深入探索實踐

探究環節是5E教學模式的核心環節，也是整個學習過程的關鍵部分。在這個階段，學生處于主體地位，學生針對具體的問題進行探究活動，通過團隊合作和歸納分析，獲得新知。

探究一：構建脫氧核苷酸。

教師帶領學生復習必修一中DNA的相關內容：中文名稱、元素組成、基本單位。教師請學生上臺用身體模擬脫氧核苷酸，并讓學生說出脫氧核苷酸的基本組成部分。

教師在課前下發模型教具，白色小球代表磷酸，藍色小球是脫氧核糖，四種顏色的方塊代表四種堿基，細棒連接磷酸與脫氧核糖，粗棒連接堿基與脫氧核糖。要求學生四人為一學習小組，用所給材料制作一個含四種脫氧核苷酸的DNA片段，五分鐘內完成。完成后，請小組代表展示并介紹四種脫氧核苷酸的名稱。

探究二：構建一條脫氧核苷酸鏈。

教師啟發學生思考：我們已經知道了一個脫氧核苷酸如何連接，那兩個脫氧核苷酸如何進行連接呢？教師請學生自主討論兩條脫氧核苷酸如何進行連接，嘗試利用手中的材料搭建一條脫氧核苷酸鏈。小組代表展示搭建成果，各小組之間進行評價，教師進行總結評價。教師通過類比蛋白質之間的脫水縮合反應，幫助學生理解脫氧核糖和堿基之間脫去一分子水，最后形成一個新的化學鍵磷酸二酯鍵。通過分組討論、模型構建、生生評價和師生評價等活動高效突破脫氧核苷酸之間的連接方式這一難點。

探究三：構建DNA平面結構模型。

學生自主閱讀教材，了解科學家研究DNA分子結構的探索歷程，同時補充閱讀鮑林等其他科學家的研究過程。教師請學生歸納總結不同的科學家對于DNA分子的結構的研究的貢獻，感悟科學研究的精神。

學習完相關科學史后，教師請學生思考以下問題：一個DNA分子由幾條脫氧核苷酸構成？假設你是沃森和克里克，你認為DNA的兩條鏈有幾種排列方式？沃森和克里克曾嘗試將堿基位于螺旋外部，磷酸位于內部的雙螺旋結構，你認為合理嗎？位于DNA內部的堿基如何配對，通過什么化學鍵進行配對呢？

教師提示學生含氮堿基疏水，磷酸基團親水，并播放水溶性EGCG擋脂分子無法穿過細胞膜的動畫，提示學生可以類比磷脂雙分子層的結構。學生推測堿基位于DNA螺旋結構的內側，磷酸在外側。同時根據查哥夫的研究推測腺嘌呤和胸腺嘧啶配對，鳥嘌呤和胞嘧啶配對。小組討論交流，嘗試利用手中的材料搭建DNA平面結構模型。學生自己動手實踐驗證猜想，激發學生的學習興趣。通過學生模型構建和不斷修正的過程，幫助學生深入理解DNA分子的結構，培養學生的科學探究能力。

探究四：構建DNA立體結構模型。

小組合作，嘗試制作立體的DNA結構模型，各小組之間進行展示和交流。通過親手制作和展示講解，化抽象為具體，學生直觀地感受DNA立體結構之美的同時提高了學生的語言表達能力。

3.3 解釋：梳理重點知識，培養科學思維

在解釋環節，教師提供學生展示探究結果的機會，引導學生在已有知識的基礎上解釋觀察結果。教師對學生觀點進行點評，促進其知識建構，培養學生的邏輯思維能力[4]。

教師鼓勵學生結合模型思考DNA分子的結構特點，回答以下問題：①DNA分子由幾條鏈組成的，兩條鏈的方向如何？②位于DNA外側的是什么結構，排列有什么規律？③DNA中的堿基是如何連接在一起的，遵循什么原則？

小組合作討論，各小組派代表回答問題。

對于問題①，小組代表1：DNA分子是由兩條鏈組成的，這兩條鏈按反向平行方式盤旋成雙螺旋結構。對于問題②，小組代表1：DNA分子中的脫氧核糖和磷酸交替連接，排列在外側，構成基本骨架；堿基排列在內側。對于問題③，小組代表3：兩條鏈上的堿基通過氫鍵連接起來，形成堿基對，且遵循堿基互補配對原則。

老師進行點評講解，最后用一首小詩小結，讓學生朗誦并記憶：反向平行雙螺旋，脫氧核糖磷酸連。堿基在內相配對，A T C G氫鍵間。

3.4 遷移：深入學習討論，突破重點難點

在遷移環節，要求學生利用多學科知識，深入學習和討論，對學習的知識進行拓展延伸，并且能夠運用新知識解決新問題，獲得新技能[5]。

教師啟發學生根據查哥夫的研究發現，總結DNA分子中嘧啶與嘌呤數量的規律，并嘗試和學生一起推導互補堿基和非互補堿基之和的比例在DNA兩條鏈中的規律。教師在黑板上畫出DNA兩條鏈，借助圖形幫助學生清楚直觀地理解堿基之間的數量關系，解決相關數學問題。

3.5 評價：設計多元評價，鞏固學習效果

評價是5E教學模式的結束環節，但是評價在教學活動的各個階段都可以進行。評價方式也是多種多樣的，包括教師評價、學生自評和小組互評。通過不同時期的評價和不同的評價方式，能夠更加客觀地反應學生的學習效果。

教師在課程結束前，引導學生思考，從DNA結構的探索歷程，能夠得到什么樣的啟發與感悟呢？教師對學生的回答進行點評，總結出偉大的科學發現離不開科學合作，離不開多學科的交叉融合，離不開研究者們鍥而不舍的科學精神。同時啟發學生這種探究精神不僅僅在科學研究中用到，在日常的學習生活中也應該持有這種探索求知的精神。

4 教學反思

本節課采用5E教學模式，在教學過程的各個環節滲透STEAM教育理念，從播放奧運會開幕式視頻激發學生興趣，引入概念；通過四種模型構建的探究活動幫助學生具體學習DNA分子的結構；在解釋環節梳理重點概念，培養學生的科學思維；從遷移環節借助圖形建構幫助學生突破難點問題，解決數學問題；最后在評價環節啟發學生感悟生命觀念和社會責任。本節課的教學特點是，通過層層遞進的探究活動，使抽象概念具體化，有利于學生深入理解DNA分子的結構。