翻转课堂后，生物课堂上如何结合模型开展STEM教学

乔伊·丹尼尔·迈尔斯

我们认为有效教学的关键，并不是将重点放在教学上，而是应更多地放在学生自我参与上。我很荣幸为大家介绍我们如何在生物课堂中应用“模型”。那么，模型教学对学生来说有哪些益处呢？我认为主要有以下几点。

第一，利用教学模型，学生会很积极主动地参与到互动的教学环境中。第二，可以帮助提高学生的系统性思维能力。第三，学生可以在学习过程中进行定量化、可视化分析，进而掌握这项技能。第四，允许学生开展细致的研究。第五，帮助学生对真实生活的事态演化做出预测。第六，学生在获得知识以后可以将其迁移到其他学科。我们需要启发学生思考“为什么”“什么时间”“什么地点”“谁”以及“下一步该怎么做”。

我们采用了翻转课堂来实施STEM教学，如图1所示，翻转课堂包括两部分：图表上半截是需要师生同步的部分，图表的下半截则是非同步的部分。

其中，左上部是课上的演示与应用环节。整个过程中贯穿着学生的创造性项目和课堂展示。左下部是课后的意义建构环节，学生可以写博客、发布播客视频以及参加考试等，最终这些都会成为评价学生的依据。右上部是课上学生参与实验体验环节，学生将通过自己动手参与活动、游戏以及实验等开展学习活动，教师则会给予及时的反馈。右下部主要是课后知识探究环节，包括网上视频授课、音频授课以及网络互动等。

我将重点介绍我们在生物课堂中（也就是图表上半截需要师生同步的部分）是如何使用模型，以使学生参与创造性活动的。作为一名生物老师，在我的教学生涯中，我发现有些主题，如基因遗传、细胞吞噬、DNA 折纸术、蛋白质合成、有丝分裂、自然选择，是我们课堂教学中少数真正复杂的生物学过程。

以“龙”为例，如果要用语言来解释龙是怎样从它的父母那里遗传来外貌特征和行为方式的，会相当复杂，学生理解起来也很困难。我们不妨换种思路，采用比较浅显的方式来展示。在生物课堂上，我会拿一些相关的材料，比如两个龙蛋的模型，来展示它基因遗传的原理。延伸这个主题，学生还会问关于DNA的问题，那我就让学生通过龙蛋这个模型，学习DNA是如何结合到一起的。同样，学生还发现龙是长脖子还是短脖子的原因是由基因決定的，以此类推到，人类为什么有的是卷发，有的是直发。

我们还可以在课堂上跟学生玩脑筋急转弯游戏。比如，我先给学生一个白色塑料袋，再给他们一些他们真正想要的东西，比如糖果。白色塑料袋代表的是细胞，学生要想出办法，怎样让细胞把糖果“吃”进去。这就解释了细胞的吞噬过程。

关于蛋白质合成，我们则可以使用乐高积木作为模型来展示。我们知道，很多我们接触到的事物都是由蛋白质组成的，但学生们并不明白为什么蛋白质的组成是不一样的。我会让学生在课堂上站在一起演示蛋白质组成的方式。一个学生代表着DNA，一个学生代表着mRNA，还有一个学生代表着细胞合成的另外一个角色。接下来，乐高积木就派上用场了。这些乐高积木代表的就是组成DNA的元素，组合以后出来就是氨基酸（如图2）。

图2 用积木模拟蛋白质合成

我们会把学生分为几组，每一组都会将积木组合成不同的模型。如果有小组组合出了蛋白质，那么他们就需要演示自己是如何把它们构成不同的DNA的。这就是课堂上研究合成蛋白质的一种教学方法。不同的学生会产生自己不同的研究路径。我在跟学生聊的时候发现，学生在组合不同的小积木方面会有所选择，这也可以当成一个深入研究的方向，即解释自然选择的过程是怎样进行的。接下来，我们还可以借助模型让学生参与活动。如，让学生使用工具把种子从容器里取出来。有些学生会选择用镊子，有些学生会选择用勺子。这个过程展示了我们如何让学生的研究思路更加深入。这就是模型在我的课堂教学中的应用，我会用这些工具辅助我的教学，让教学变得更直观。

专家点评

王晶莹（首都师范大学物理系副教授）：中美教师案例的对比展示是STEM教育东西文化的一个有益对话，美国的STEM教育从早期对科学方法的重视，到科学探究，再到今天的STEM教育，给我们最大的启示是科学教育研究的实证性以及研究的可持续性。在我看来，这个案例有四个主要特点：第一，在模型教学的框架下整合了生物学不同主题的教学，如基因遗传等。科学模型本身是具有解释性和预测性的，所以也会让学生学会建模，而建模是问题解决的基础。Modeling Theory in Science Education一书提出了整合模型教学的五个阶段：关于探索、模型引用、模型形成、模型调试和范例综合。这个案例就运用了该模型的五个阶段。第二，有学者研究美国近20年中小学STEM教育的案例发现，美国STEM课堂大概有三种类型：一是应用延伸型，二是工程设计型，三是设计探究型。按这一分类，这位老师更倾向于设计探究型，结合模型教学设计了翻转课堂四个环节，强调利用计算机技术和网络技术来设计STEM课程。第三，我们知道，对于教学中的核心概念，是需要模型来达成的，理性方法也是需要通过建模的过程来实现的，这个案例体现了模型和建模是学习核心概念最有效的方法。第四，体现出了以学生为中心的形成性评价，这也是STEM教育当中最常用的一种评价。这个案例也让我们看到，STEM教育不仅仅是四个学科的简单叠加，而是将这四个学科的不同素养融合到一起。