基于5E模式的STEM教育项目

周建中

摘 要 在STEM项目式学习中，运用5E模式的5个环节：引入、探究、解释、迁移、评价，进行生态瓶稳定性探究的案例设计，突出在实践活动中教师的教学引领、学生的自主学习，以期学生能够构建并应用科学概念。

关键词 5E模式 STEM 生态瓶 案例设计

0 引言

5E模式是由美国生物学课程研究会开发的一种基于建构主义教学理论和概念转变的教学方法，在科学教育领域受到了高度的关注[1]。这一模式主要由引入（Engagement）、探究（Exploration）、解释（Explanation）、迁移（Elaboration）和评价（Evaluation）构成，通过探究式教学，将这5个环节有效地整合到学习过程中。而5E模式与STEM教育的融合，则为项目式学习提供了极好的实践方法和手段。从某种意义上讲，5E为STEM教育而准备，STEM教育因5E而得到滋养。两者的结合，使学生进行探究式学习、问题式学习这一主动建构的过程有章可循、清晰明了，有利于学生将先前概念向科学概念的转化。

本文以针对10～14岁学生实施的生物学小课题“生态瓶稳定性探究的案例设计”为例，分析和展示基于5E模式的STEM教学项目及其理念在指导学生进行科学探究中的具体应用。

1 引入（Engagement）

电影《狼图腾》中有这样一个场景：人们赶到大雪湖去寻找狼贮备的食物，发现了一只活的小黄羊，比利格阿爸却要求把那只黄羊放了。看到这里，或许你会问，当时食物那么匮乏，为什么还要把那只和绵羊争夺食物的黄羊放了呢？其实这里面蕴含着生态学的道理：如果狼的食物都被人取走了，狼就会攻击更多的绵羊；如果黄羊种群同时存在的话，那么绵羊被狼攻击的可能性就会减少。这就是生态平衡，即在草原上，草、食草动物（黄羊、旱獭、野兔、草原鼠）、人类饲养的动物（绵羊）、食肉动物（狼），以及它们所处的环境之间达到一个相对稳定的动态平衡状态。下面，我们就通过制作一个生态瓶来探究一下这种平衡。

引入是5E模式的起始环节。[2]在这个过程中，学生已有的知识和教师创设的情境之间产生冲突，这是实现概念转变的重要策略之一，为下一阶段的实践奠定基础。[3]以电影《狼图腾》为线索展开探究，目的是通过影片的相关情节这一生活中的资料来设计问题，从“为什么要放走黄羊”、“草原中的生物之间有一条怎样的食物链”，进而引出“什么是生态平衡”的核心问题。学生在思考的过程中可能会一知半解、可能会困惑不已，好奇心、求知欲得到极大激发，这也为探究内容——“生态瓶的设计研究”作了铺垫。

2 探究（Exploration）

在探究环节，我们希望学生通过梳理电影《狼图腾》中的食物链关系，分析良好的生态系统所具备的要素，设计一个模拟的微小生态系统。教师首先向学生介绍处于平衡状态下生态系统的例子，引导学生自主设计实验方案。如图1所示，教师可根据实际情况提供制作生态瓶的部分材料（如玻璃瓶、沙子、水草、水生动物、凡士林、捞鱼网、一次性杯子、镊子等），其余部分可由学生自己准备。本环节将通过2个紧密相扣的实验活动，引导学生按梯度进行探究。

（1）生态瓶的初步制作。在教师的指导下，制作一个“入门级”的生态瓶，使得学生形成一个初步认识，大致了解生态瓶所需的基本要素：环境（阳光、温度等）、实验对象、实验装置等。

（2）生态瓶的优化设计。保证生态瓶中的生物数量能够达到相对稳定。要求学生分组讨论，分享自己的创意构思或模型草图，并总结最优方案。在这个过程中，教师可以顺势导出单因子变量的概念。如何在生态瓶中找出最合适的植物数量、动物数量？最有效的方法是固定一个变量如植物数量，再来探究不同动物数量的变化对生态瓶稳定性的影响，反之亦然。

探究是5E模式的中心环节。[2]学生针对特定的内容进行探究活动，通过动手实践、动脑思考、观察现象，建立事物间的联系、发现规律、识别变量和质疑判断，这也是新概念引入的重要前提。[3]在这一环节，学生根据原有知识表达对“生态系统”、“生态平衡”的认识，再结合教师提出的科学概念，自由地设计实验方案；在分组讨论时，择其优而融入完善，并最终实施自己的设想。本环节强调“自由”、“分享”、“实践”，学生对原有知识或保留或修正，并不断生成新概念，掌握基本的探究方法，综合技能得到发展。

3 解释（Explanation）

学生通过实验观察，并以现象描述、数据记录等呈现方式，就可以一目了然地得出实验结果，即达成本次活动的最佳方案——生态瓶的制作方法。在这个环节，学生的解释和探讨可以在3个层次上进行。

（1）直接观察到的实验现象。生态瓶中的各种生物经过一段时间，生长情况保持正常，说明基本达到了稳定状态。通过细心观察，我们能够发现判断生态瓶中生物生长情况的依据，如水草的颜色与状态（绿色、伸展为存活，发黄、下沉为死亡）、螺蛳的颜色与状态（外壳灰绿、运动为存活，外壳变白、浮起为死亡）等。

（2）透过现象看本质。此阶段的解释是学生经过思考和分析后得出的观点：在生态瓶中，生物的数量需要维持在一定的水平上，某种生物的增多或减少势必会影响到另一种生物的生存，同时生物的生存状态与外界环境密切相关。教师可以综合学生的解释，给出一个全面而科学的总结。

（3）经历实验后进行深入反思。此階段的解释是学生进行头脑风暴、深度反思后提出更为深入的建议。如针对不理想的实验结果，从多方面寻找原因，是水质的问题？温度的问题？光照的问题？还是动物植物选择的问题？由此进一步展开对研究方案的完善和修正。在教学活动中，这种不期而遇极具创生性的教学资源自然地呈现出来了。

解释是5E模式的关键环节。[2]这一环节，教师要提供机会让学生表达对概念的理解，帮助学生将前两个环节的经历与新概念建立关联。[3]在教师的指导下，学生的注意力集中在对探究过程中所出现的问题和现象，并按由浅至深、由表及里、由实践进而反思的逻辑顺序进行分析。

4 迁移（Elaboration）

这个环节学生已经基本理解涉及生态学的相关概念，掌握了课题研究控制变量的方法，能制作简单的生态瓶。教师可以稍加深入，引入一些实际案例。例如20世纪80年代，美国在亚利桑那州建立了一座微型人工生态循环系统，称之为“生物圈2号”（见图2）。它以地球北回归线和南回归线间的生态系统为样板，设有5个野生生物群落（热带雨林、热带草原、海洋、沼泽、沙漠）和2个人工生物群落（集约农业区和居住区）。“生物圈2号”虽然“与世隔绝”，但可以通过电信和计算机与外部取得联系。1991年，8名科学家进入“生物圈2号”，他们原计划在这里生活两年，为今后人类登陆其他星球建立居住基地进行探索。然而，一年多后，“生物圈2号”的生态状况急转直下，这个實验以失败而告终。氧气与二氧化碳的大气组成比例，无法自行达到平衡；水泥建筑物影响到正常的碳循环；多数动植物无法正常生长或生殖，其灭绝的速度比预期的还要快。由此得出结论：在已知的科学技术条件下，人类离开了地球将难以永续生存。在茫茫宇宙中，人类只有地球这一处家园，因此我们要加倍珍惜它、爱护它。

迁移是5E模式的拓展环节。学生获得新概念后，通过新的经历，如新的问题或现象，挑战并且扩展他们的概念理解和技能。[3]本阶段还可以根据学生对实验过程的反思、质疑，鼓励他们持续改进实验设计，并进行实验探究的准备（包括方案设计、实验环境、材料准备等方面）。

5 评价（Evaluation）

为了评估学生的学习情况，可以通过形成性评测和总结性评测的方式进行。实验开始前，用前测问题了解他们的知识储备。在整个案例的教学过程中，教师应及时观察学生在课堂讨论中与同伴的互动情况。在实验完成总结时，可以通过问答的形式评估学生的学习效果，如自然因素是造成生态平衡失调的主要原因吗？在生态系统中，盲目增加一个物种，会不会使生态平衡遭受破坏？如果采伐量超过生长量，会引起森林衰退吗？

评价是5E模式的总结环节。这一阶段鼓励学生评价自身的概念理解和能力，同时也为教师提供机会了解学生的探究效果，以便了解教学目标的达成情况。[3]

6 结语

在“生态瓶稳定性探究的案例设计”中，STEM主要表现为：S，食物链、生态系统、生态平衡的概念；T，设计控制单因子变量，进行生态瓶中各种生物稳定性的探究；E，动手制作简易生态瓶；M，根据实验结果，用数据直观反映各组方案的优劣。看似分割成四个方面的知识或能力，却有机地融合在5E模式中，因此，5E模式也是实践STEM项目式学习、问题式学习的重要方法和有效途径。

参考文献

[1]王健，李秀菊.5E教学模式的内涵及其对我国理科教育的启示[J].生物学通报，2012（3）：39-41.

[2]吴成军，张敏.美国生物学“5E”教学模式的内涵、实例及其本质特征[J].课程·教材·教法，2010（6）：108-112.

[3]刘欣颜，麦纪青，刘恩山.运用5E教学模式发展学生的核心素养：聚焦生物学核心素养的教学取向[J].教育导刊，2017（11）：48-53.