基于STEAM教育理念的5E教學模式在高中生物學教學中的實踐

摘 要：5E教學模式是一種新型的探究式教學模式，其強調以學生為主體，構建真實問題情境，引導學生進行合作探究，注重通過動手實踐，解決實際問題的方式并獲得新知識。本文以“DNA的結構”一節教學為例，基于STEAM教育理念，采用5E教學模式，通過“引入、探究、解釋、遷移和評價”五個教學環節，將物理、化學、數學等跨學科知識與生物學教學融合在一起，促進學生跨學科思維的形成，有利于學生核心素養的培養。

關鍵詞：STEAM教育理念；5E教學模式；DNA的結構；核心素養

文章編號：1003-7586（2024）06-0033-04 中圖分類號：G633.91 文獻標識碼：B

《普通高中生物學課程標準（2017版2020年修訂版）》（以下簡稱《課程標準》）提出生物學學科核心素養包括生命觀念、科學思維、科學探究、社會責任幾個方面，并在“實施建議（一）”中提到：組織以探究為特點的主動學習是落實生物學學科核心素養的關鍵。

注重學科間的聯系，有利于學生理解科學的本質、科學的思想方法和跨學科的科學概念。這與整合科學、技術、工程、藝術及數學等多學科融合的STEAM教育理念相符合。5E教學模式強調學生的自主探究性學習以及小組間的交流與合作，從而培養學生的動手實踐能力和科學探究精神，這與STEAM教育理念存在較多契合。本文基于STEAM教育理念，選擇人教版普通高中教科書《生物學·必修2·遺傳與進化》中“DNA的結構”這一內容，采用5E教學模式，融入多樣化的探究活動，有效提升學生的生物學學科核心素養。

1 STEAM教育理念與5Ｅ教學模式內涵

STEAM教育理念是以科學（Science）、技術（Technology）、工程（Engineering）、藝術（Art）和數學（Mathematics）等多科學領域為基礎開展的融合性教學。^［1］其強調學科間的多元融合，營造真實問題情境，以學生活動為中心，引導學生帶著問題主動探究，培養學生跨學科、重探究、創新思維和動手操作的能力。

5E教學模式是由美國生物學課程研究會（BSCS）提出的一種基于建構主義理論的探究式教學模式，包括“引入（Engagement）、探究（Exploration）、解釋（Explanation）、遷移（Elaboration）、評價（Evaluation）”五個教學步驟。^［2］引入是起始環節，通過創設真實問題情境，引發新舊知識的認知沖突，激發學生的探索欲和求知欲。探究是核心環節，教師以問題為導向，制定探究任務，引導學生進行自主探究和合作性探究，構建科學知識概念。解釋是關鍵環節，學生嘗試對實驗現象和結果進行演繹和推理，歸納核心概念，教師對學生總結的規律進行規范化表述，幫助學生內化概念本質。遷移是延伸環節，學生運用所學的新知識解決生活中實際問題，拓展知識應用，培養自身學以致用的能力。評價是貫穿環節，學生在活動的各環節中形成指導性評價，了解自身對新知識的掌握情況。^［3］

通過對STEAM教育理念和5E教學模式的分析，發現二者都重視學生的主體地位，強調對學生跨學科思維的培養，二者的結合促使學生進行探究式學習和啟發式學習，培養學生解決問題的能力。^［4］

2 基于STEAM教育理念下的5Ｅ教學模式實踐

本文選取“DNA的結構”一節內容，在STEAM教育理念指導下，依托5E教學模式為載體的教學設計取得了較好的效果。以《課程標準》為基礎，本節課的教學目標如表1所示。

2.1 引入：創設問題情境、激發科學探究動力

教師播放懸疑影視劇的精彩片段，創設問題情境：一個塵封十三年的舊案，因為關鍵性證據的出現，讓撲朔迷離的案件有了轉機。教師提問：案件中所指的關鍵性證據是什么？這種物質為什么可以鑒定犯罪嫌疑人？DNA具有這樣的特性與其結構密不可分，DNA分子具有怎樣的結構？DNA又是如何儲存生物的遺傳信息的？

設計說明：STEAM教育理念聚焦真實問題情境，通過案件情境引發學生好奇心。學生在之前就已經了解DNA是大部分生物的遺傳物質，通過回顧舊知，引發認知沖突，激發學生的求知欲。

2.2 探究：重溫探索之路，引導科學探究過程

創設情境，角色扮演：假設全班是一個“DNA的結構”課題研究組，學生是研究員，老師是課題組負責人，全班根據此情境展開探究活動。

2.2.1 探究任務一： DNA基本組成單位的構建

教師課前布置預習任務，由“研究員”們自主收集生物學家沃森（J.Watson）和物理學家克里克（F.Crick）探索DNA結構的相關故事，教師邀請“研究員”們進行角色扮演，分享收集到的故事。學生回顧已有知識，掌握DNA的基本組成單位是脫氧核苷酸，并在平板上構建脫氧核苷酸的結構示意圖，再由學生之間進行點評。

2.2.2 探究任務二： 脫氧核苷酸鏈單鏈的構建

脫氧核苷酸是怎樣連接成為單鏈的？相鄰的脫氧核苷酸之間是通過什么化學鍵連接的？學生類比氨基酸脫水縮合形成蛋白質的過程，總結出兩個脫氧核苷酸之間通過脫去一分子水，形成磷酸二酯鍵的過程。通過分組討論，構建模型，學生以小組為單位動手組裝由脫氧核苷酸連接成的DNA單鏈。

2.2.3 探究任務三： DNA平面結構的構建

教師提出問題，兩條DNA單鏈是通過什么方式連接的？引導學生先提出合理假說。假說一：DNA的兩條單鏈由位于內側的堿基連接而成。假說二：DNA的兩條單鏈由“脫氧核糖－磷酸”的基本骨架連接而成。

教師提供資料：嘌呤和嘧啶堿基具有疏水性，脫氧核糖和磷酸具有親水性；生物膜的流動鑲嵌模型顯示，磷脂雙分子層頭部親水位于外側，尾部疏水位于內側；細胞內部是一個液體環境，DNA的周圍充滿組織液。“研究員”們展開探究，分析資料，類比細胞膜磷脂雙分子層結構，得出正確結論：DNA中排列在外側的脫氧核糖和磷酸交替連接構成其基本骨架，內側由堿基排列連接，形成穩定的結構。

學生繼續探究兩條單鏈之間的堿基如何進行連接。通過閱讀教師提供的資料，了解科學家研究DNA分子結構的探索歷程。學生分析資料提出假說“嘌呤和嘧啶連接”，教師啟發學生根據生物學家查哥夫（E.Chargaff）對DNA做化學定量分析的數據，根據不同生物DNA中四種堿基之間的數量關系比，發現DNA堿基之間組成存在數學規律，嘌呤總量和嘧啶總量相等，體會數學計算之美。

2.2.4 探究任務四：DNA立體結構的構建

教師精心引導“研究員”們利用課前收集的資料分析DNA雙鏈的方向性，研究員（甲）和研究員（乙）進行角色扮演物理學家富蘭克林（R.Franklin）和威爾金斯（M.Wilkims），講述二人利用X射線衍射技術得出DNA 衍射圖譜，他們結合物理學知識對X射線衍射原理進行分析，得出DNA分子呈螺旋結構，并且發現翻轉180°后的DNA衍射圖譜與未翻轉的衍射圖譜保持一致（學生進行圖片展示），因此推測出DNA兩條單鏈的中軸在兩個方向上呈中心對稱，于是得出DNA的兩條鏈反向平行的穩定雙螺旋結構。小組成員合作完成DNA立體結構模型，學生通過親手制作，化抽象概念為具體模型，感受DNA雙螺旋結構模型的藝術之美，教學過程融合STEAM教育理念。

設計說明：在探究階段，教師設置探究問題，引導學生自主收集生命科學史，訓練學生用跨學科知識解決實際問題的能力。在探究活動中，各學科交叉的成果輔助驗證，層層推理，培養學生的科學思維和探究能力，體會學科交叉在科學發展中的作用。學生通過小組合作，動手實踐制作DNA的結構模型，體現了STEAM 的工程、數學、技術、藝術的理念。

2.3 解釋：深入交流總結，培養歸納總結能力

各小組派代表交流展示自己制作的DNA雙螺旋結構模型，并根據模型用語言總結DNA雙螺旋結構的特點。每個小組觀察自己的DNA模型在結構上與其他小組有什么異同？教師進行補充，促進新知識構建，培養學生邏輯思維能力。^［5］學生通過觀察比較不同小組的模型，發現各小組DNA結構模型的特點類似，具有相同的基本骨架，都遵循堿基互補配對原則。不同DNA結構模型中的堿基排列順序是不同的，且是特定的，體現了DNA結構的特異性。DNA模型中不同堿基對的排列順序儲存著大量的遺傳信息，回應開篇課堂導入破案的真相，激發學生進一步的探索欲望。

設計說明：本環節重在展示探究思路，學生的解釋體現了對DNA結構特點的理解，教師鼓勵其他學生提問以推動小組交流，通過深化核心概念，培養學生歸納總結能力。師生交流總結，層層深入，幫助學生突破難點，建立系統性的知識框架。

2.4 遷移：拓展知識應用，形成解決問題能力

師生重溫科學家們探索DNA結構的過程，教師提問：沃森和克里克兩位科學家揭示了DNA的雙螺旋結構，這給予你哪些啟示？學生各抒己見，了解學科交叉是科學研究的重要途徑，善于與人合作，敢于質疑和探索是科學成功的必經之路。學生形成知識框架后，教師設置真實的問題情境，促使學生遷移和拓展知識應用。教師提問：如果身邊有走失的兒童，如何幫助其找到親生父母？2019年中國政府采取積極的疫情防控政策，為什么核酸檢測能夠快速發現感染者？ 教師設置開放性問題，學生能夠利用 DNA分子特性解決實際問題，從而落實社會責任。

設計思路：學生體會到多學科交叉對科學研究的重要意義，認同交流與合作在學科發展中的作用，滲透STEAM教育理念，培養學生探索求真、與人合作的精神。學生將所學知識運用到實際生活中，解決真實問題情境，從而認識到生物學與社會發展緊密相連，提升生物學學科核心素養。

2.5 評價：檢測課堂效果，實施多元評價方式

評價貫穿在教學各個環節中，評價的目的是促進師生共同反思，共同進步，有利于提高今后的教學。^［6］學生進行自我評價，小組成員在構建模型過程中設置疑問展開互評；教師對各組每一個環節表現進行評價，給學生發放評價量表，并說明各階段的評價指標，如表2所示。通過不同的評價環節和評價方式，檢測課堂教學效果。

設計說明：通過采用自評、互評和教師評價的方式，根據評價量表，注重過程性評價，關注結果性評價，從而檢測學生的學習效果。注重對學生科學探究能力、創新思維能力、動手實踐能力和解決問題能力的評價，符合STEAM教育理念，使學生體會科學知識源于生活又應用于生活的理念。

3 結語

將STEAM教育理念融合到中學生物學教學中是一種必然的課程趨勢，也是一種教育方式的革新。STEAM教育理念提供了基于學科融合的理念，淡化學科界限，將真實的問題情境與科學探究、工程設計、數學推理相結合，從而解決生活中實際問題。本節課采用5E教學模式，五個環節充分融合STEAM教育理念，體現了學生的主體地位，注重培養學生的探究和實踐能力。學生課前收集有關探索DNA結構的故事，課堂動手組建模型，在探索構建模型的過程中落實學科核心素養。學生對于教學中涉及多學科交叉的部分比較陌生，教師適當提供橋梁知識和少而精的問題引導、讓學生能有充裕的時間自主學習和深度思考，小組合作交流，通過自評和互評得出模型結構，在評價中總結DNA的結構特點。

5E教學模式的五個環節并不是割裂進行，而是相互包含，相輔相成。教師在實際教學中靈活運用該教學模式，融合STEAM教育理念，進而讓學生運用多學科知識解決現實生活中的問題，培養學生的綜合能力，發展學生的核心素養。

參考文獻

［1］ 肖安慶.例談6E學習模式在高中生物STEAM教學中的應用—以“遺傳信息的翻譯”教學為例［J］.中學生物學， 2022， 38（5）：15-17．

［2］ 王健， 李秀菊. 5E 教學模式的內涵及其對我國理科教育的啟示［J］.生物學通報， 2012，47 （3）：39-42．

［3］ 何黨連，何志靈，朱巧萍.基于STEM理念5E教學模式的活動設計——以“楞次定律”為例［J］.湖南中學物理， 2022，37（12）：4-8．

［4］ 周建中.基于5E 模式的 STEM 教育項目——生態瓶穩定性探究的案例設計［J］.科學教育與博物館， 2018，4（1）：22-25．

［5］ 李德偉.以“細胞的能量貨幣ATP”為例，構建高效5E課堂［J］.生物學教學，2019，44（11）：34-36．

［6］ 楊杰妮，伍權，譚芮. 6E教學模型在初中STEM課程中的應用——以“天塹變通途”為例［J］.教育觀察，2023，12（8）：59-62．