5E 教学模式下的高中生物学STEM 教育——以“生长素的生理作用”教学为例

施茂庆

（晋江市养正中学，福建 泉州 362216）

5E 教学模式强调课堂教学的情境性、亲历性、尝试性、迁移性及应用性，一般包括吸引（engagement）、探 究（exploration)、解 释（explanation）、迁 移（elaboration）及评价（evaluation）等5 个教学环节，对学生形成生命观念及社会责任意识、发展科学思维及科学探究能力具有积极的意义。STEM 教育强调科学、技术、工程和数学的有机结合，有助于学生提高学习兴趣，多角度、深度地挖掘客观事实和现象，开展意义学习，提升综合运用知识能力和创新能力。笔者尝试将5E 教学模式与STEM 教育理念有机结合，开展高中生物学教学，旨在促进学生深度学习生物学知识、思想观点及研究方法，把握生物学科的本质。现以“生长素的生理作用”教学为例，探讨基于5E 教学模式下的高中生物学STEM 教育。

一、呈现真实情境，引发学生思考

真实情境是与符号情境、虚拟情境相对的情境，是联系书本知识与具体实际的纽带。高中学生对事实和问题的思考经常出现“思而不全”“全而不深”的现象，有必要遵循STEM 教育理念，重视创设真实情境，激发学生主动学习的欲望，引导学生对周边事实或生活经验进行观察、思考及提问，开展科学探究活动，寻求解决问题的方法与答案。

例如，“生长素的生理作用”教学时，教师用竹签竖插在教室窗台上的铜钱草花盆中作为参照，用纸条标明窗内侧和窗外侧，随后将花盆搬到教室的讲台上，利用实物投影仪投放在大屏幕上，学生观察、“头脑风暴”讨论后提出问题：①铜钱草植株向窗外生长的可能原因是什么？②为什么靠窗外侧的铜钱草叶面呈凹型，而靠窗内侧的部分叶面呈凸型？③如果将这盆铜钱草的靠窗内外侧对调放置，一段时间后是否仍按原来的方向生长？④同样放置于窗台的仙人掌为什么没有发现与铜钱草一样的长势？

学生通过先前“植物生长素的发现”一节的学习，已知铜钱草向光生长的原因是：铜钱草胚芽鞘尖端下面一段的生长素分布受到光的影响，向光一侧生长素分布较少，背光侧一侧生长素较多，导致背光侧生长比向光侧快，使得铜钱草向光生长。学生进一步思考与讨论后达成共识：光是影响铜钱草生长状态多样性的重要外因。但对于“生长素的如何发挥作用”感到疑惑。教师抛出解决问题的“支架”：不同浓度的生长素对植物的生长皆具有促进作用吗？如果植物的根部受到同样的光照，是否也具有向光生长的特性？

通过创设真实的问题情境、搭建学习“支架”，引发学生思考及探究的欲望，帮助学生基于已有的知识和经验，针对生活中常见的生物学现象，提出有探究价值的问题。

二、融合学科知识，开展实验探究

实验是人们认识自然现象、自然规律及其本质的基本方法。STEM 教育打破学科壁垒，强调学科融合，将技术作为推进科学发展的重要支持。生物学是自然科学重要组成部分，是客观事实、理性思维和实验技术相结合的科学。生物学是建立在实验技术革命的基础上，融合不同领域科学知识，在继承中不断开拓、修正和发展的。

“探索生长素类似物促进插条生根的最适浓度”实验涉及生物学、化学、物理、数学、工程学及植物扦插水培技术的学习与应用，指导学生利用物理学的测量技术选择茎干粗细程度相同的、生长旺盛的一年生枝条作为插条，根据误差技术要求，枝条随机分组、每组10 支。根据化学方法按照成分、比例配制培养液及系列浓度的萘乙酸溶液，需要应用数学知识测量插条根长，应用工程学知识设计实验操作流程。

学生能否综合应用化学、物理、数学、工程学等多学科知识以及植物扦插水培技术，是“探索生长素类似物促进插条生根的最适浓度”实验取得成功的关键。通过实验促进学生学习与掌握插条的选择、制作、培养、培养液成分及比例的配制、萘乙酸（一种生长素类似物）溶液系列浓度的配制、插条根长的测量等技术与操作技能，提高科学探究能力。

三、解释实验结果，得出科学结论

实验结果是通过实验观察、数据统计分析得到的实验事实信息，实验事实是对生命现象解释的重要依据，实验结果是实验结论的依据。实验结论是对实验现象和实验结果进行概括、分析、推导得出的普遍事实或规律。生物学实验数据的统计、分析、表征形式转换等，需要综合、迁移应用STEM 多学科知识及能力。

进行“探索生长素类似物促进插条生根的最适浓度”的预实验后，课外兴趣小组得到下列实验数据（如表1）。要求全体学生根据实验数据以萘乙酸溶液浓度为横坐标，以根的均长为纵坐标，绘制不同时间段插条生根长度的曲线图，进行实验数据表征形式的转换，并讨论、解释下列问题：①各组萘乙酸溶液浓度设置有何规律？这样设置有什么好处？②实验1 组的作用是什么？③实验3 组的浓度是否是促进迎春花枝条的生根的最适浓度？请说明理由。④实验5 组的浓度是否能促进迎春花枝条生根？⑤实验6、7 组迎春花枝条的平均生根数为0，这说明了什么？⑥请分析迎春花枝条生根长度曲线图，并说明萘乙酸溶液浓度对迎春花枝条的生根影响有何规律？⑦生长素的作用是否只有促进生长的作用？⑧如果要确定促进迎春花枝条生根的萘乙酸溶液最适浓度，应如何设计实验？

教师是探究活动的指导者、学生科学思维发展的引导者，不要急于直接给学生实验结论，要善于结合学生实验结果创设问题情境，引导学生观察现象、识别变量、分析数据、建构数学模型，促进学生深入思考与讨论，透过事实与现象寻找规律与本质。

表1 不同浓度的萘乙酸溶液处理后迎春花枝条的平均生根长度

四、迁移应用知识，提高解决问题能力

学生一般是在特定的学习环境下获得新的认知的，可能存在“以偏概全”“断章取义”的认知局限性，需要教师提供具有新的、挑战性的问题情境，引导学生有意识地应用习得的知识解决新情境的问题，在解决问题过程中修正错误认识，全面、深刻地理解新知识。

学生分析“探索生长素类似物促进插条生根的最适浓度”实验结果，得出实验结论：不同浓度萘乙酸溶液处理对迎春花枝条生根的影响是不同的，低浓度促进生根，高浓度抑制生根，体现了两重性。此时，教师提出新问题：①萘乙酸溶液对丁香花枝条的生根是否也有两重性？②不同浓度萘乙酸溶液处理迎春花枝条的发芽是否同样有两重性？③促进迎春花枝条生根的萘乙酸溶液最适浓度是否也是促进迎春花枝条发芽的最适浓度？④萘乙酸溶液对迎春花枝条的生根具有两重性，能否说明其他生长素同样具有两重性？⑤铜钱草的向光生长是生长素两重性的体现吗？有何证据呢？

教师从实验药品、材料选择、作用部位等方面提出新的研究情境，引导学生深入探究生长素浓度对植物生理作用，鼓励学生设计“探究不同浓度萘乙酸溶液对迎春花枝条的侧芽发芽是否有两重性”实验方案，提示学生要科学处理“顶芽产生的生长素对侧芽发芽的影响”这一无关变量，指导学生分组讨论，相互启发、补充完善实验方案。

创设新的问题情境，使得学生认知角度发生变化。当新的刺激纳入已有概念体系，引起原有概念认知的改组和修正，使得学习成为“思维中的具体”，从而迁移到具体的应用中。在此过程中，教师要不断地点拨启发，帮助学生发现新的问题或现象，鼓励学生勇于质疑与尝试，改进实验设计，强化迁移应用，达到巩固提升概念学习的作用。

五、进行综合评价，检验学习效果

应用“工程设计”作为综合评价，帮助学生发现问题，修正认识，深化概念的理解，促进学生互帮互学，改变思维定势，调整学习策略，达成学习目标。

本节教学结束时要求学生设计栽培方案：假如你是一名农业技术人员，现有5 株番茄苗，一定量的2000mg/L 萘乙酸，蒸馏水及种植番茄的适宜的环境条件，请应用生长素的生理作用知识，设计“10 株番茄植株长出数量较多的无籽果实”栽培方案。提醒学生注意：①使用书面语简明扼要地表述。②操作过程的逻辑顺序。③科学设计植物栽培过程。④要设计观察日记，随时记载研究过程。要求学生设计完成后同桌相互指正、修改完善。

以栽培方案设计进行综合评价，有利于促进学生融会贯通、综合应用所学的多领域科学、技术、工程和数学知识，解决生产生活中的实际问题；学会“争鸣而不争执”“争论而不争吵”，通过“思想碰撞”激发“智慧火花”，养成科学思维习惯，有效落实STEM 教育理念。

5E 教学模式下的高中生物学教学，应根据具体教学内容、学生学习水平及教学目标，有机渗透STEM 教育理念。注重创设真实的学习情境，激发学生发现问题、提出问题的探究欲望；要综合STEM 教育中的科学、技术、工程和数学等知识，提高生物学实验操作技术的准确性和实验分析的科学性；指导学生综合应用STEM 多学科研究方法，解决生活生产中的实际问题，促进深入理解与应用所学知识；同时进行形成性综合评价，提升学生知识应用能力，增强解决实际问题的社会责任意识，发展生物学学科素养。