美国STEM教育案例中的“5E”教学模式的分析及启示

顾文佳 曹志江

摘要：介绍了3个美国优秀的STEM教育案例，从两个角度分析了3個案例所采用的“5E”教学模式，分别是“5E”教学模式适用于STEM教育的原因以及“5E”教学模式对促进学生STEM素养形成的影响。

关键词：“5E”教学模式 STEM教育

中图分类号：G633.91 文献标志码：B

STEM是科学（Science）、技术（Technology）、工程（Engineering）和数学（Mathematics）的简称。STEM教育强调各学科内容自然融合成整体，而非简单叠加，关注科学知识的掌握、高阶思维的培养、素养能力的具备及科学态度的养成。美国STEM教育经过多年的发展，已经形成了一套成熟的体系，能为其他国家提供借鉴和参考。下面以3个美国优秀的STEM教育案例为例，进行分析。

1STEM教育案例介绍

1.1案例一：抓错了鱼

1.1.1案例背景及需要解决的问题

兼捕已成为维持渔业可持续发展和保护濒危物种的一个世界性挑战。兼捕是渔业中的常见现象，指在捕捞目标生物时，对非目标种类生物的附带捕获。

本案例的主要目的是让学生为金枪鱼捕捞业中的兼捕问题设计一个解决方案，并将此解决方案应用于现实生活。

1.1.2教学过程

在本课程中，学生以小组为单位，设计、测试解决兼捕问题的方案。学生使用数据来优化设计，并考虑模型的现实可行性。课程采用“5E”教学模式，包括吸引、探究、解释、迁移以及评价5个教学环节。

①吸引阶段——引入“兼捕”的含义及其对渔业可持续发展的影响：学生通过模拟捕捞的活动、阅读相关资料，讨论兼捕的含义及影响，比较不同渔具、捕鱼方式对兼捕的影响。②探究阶段——设计、测试和优化模型：学生设计、测试解决兼捕问题的方案，使用数据优化“新型渔网”设计。③解释阶段——分享和讨论：学生展示最终模型，分享设计和优化模型的过程，并选出最佳设计方案。④迁移阶段——考虑最佳设计方案的现实可行性，拓宽解决兼捕问题的思路：学生基于现实的限制条件，考虑最佳设计方案的现实可行性、实现方式及其他解决兼捕问题的切入点。⑤评价阶段：评估学生对兼捕问题以及渔业可持续发展的评价和观点。

1.2案例二：冠状动脉无小事

1.2.1案例背景及需要解决的问题

此案例主要研究心脏。冠状动脉为心脏提供营养，阻塞时会诱发心肌梗死。冠状动脉支架植入术能够将血管支架植入到阻塞的冠状动脉中，保持其管腔的开放。

美国《新一代科学教育标准》（NGSS）认为工程实践和科学内容的学习不可分割。此案例运用冠状动脉支架植入术，为学生提供参与工程实践的机会，加深学生对科学内容的理解。

1.2.2教学过程

在此案例中，学生将血管支架植入到模拟的阻塞冠状动脉中，恢复管腔开放。课程采用“5E"教学模式。

①吸引阶段——引入冠状动脉支架植入术：学生了解冠状动脉支架植入术能够有效修复堵塞动脉，并了解相关知识，明确项目目标和限制条件。②探究阶段——开展头脑风暴，设计、制作、测试和重新设计：学生头脑风暴，设计如何清理阻塞的冠状动脉的方案;并以自制的堵塞“冠状动脉”为材料，实施和测试设计方案，并改进优化。③解释阶段——分享和讨论：小组展示最终方案及改进过程，组间讨论、分析各组优缺点。④迁移阶段——考虑设计方案的现实可行性：学生进一步思考其设计方案在真实手术中是否可行，例如斑块能否移动、手术时长问题、从血管两端同时手术是否合理等。⑤评价阶段：学生制作海报或撰写报告，呈现最终方案，教师进行总结性评价。

1.3案例三：DNA建模——理解DNA的结构

1.3.1案例背景及需要解决的问题

DNA是生物体遗传信息的携带者，但由于分子很小，导致相关教学开展较困难。

此案例开展“我是一个脱氧核糖核苷酸”和制作DNA毛条模型的活动，为学生展示DNA的组成部分、结构和功能，帮助学生更好地理解有机体的生长和发展。

1.3.2教学过程

课程采用“5E”教学模式，通过层层递进的步骤引导学生学习。

①吸引阶段：学生了解DNA在现代社会问题解决中的应用、基因变异导致疾病等，对DNA产生兴趣。②探究阶段：学生开展DNA提取实验，直观感受DNA的客观存在，并自主学习DNA的组成和结构;在教师组织下，参与DNA身体建模活动，强化对DNA的认识。③解释阶段：依据DNA身体模型，教师解释脱氧核糖核苷酸的组成、DNA单链的形成、碱基互补配对、DNA反向平行的特点。④迁移阶段：新知活用，学生使用毛条玩具自主制作DNA模型。⑤评价阶段：学生进行口头测试或纸笔测验，教师进行评价或学生互评。

2教学模式分析

从教学模式的角度，分析“5E”教学模式适用于STEM教育的原因以及“5E”教学模式对促进学生STEM素养形成的影响。

2.1“5E”教学模式适用于STEM教育的原因分析

STEM教育一般基于工程设计来进行教学设计。以上3个STEM教育案例均以工程设计作为课程的抓手。学生在工程设计中，自主进行科学探究，潜移默化地提高STEM素养。基于“5E”教学模式，学生能够更有效地开展工程设计。表1展示了“5E”教学模式各步骤与工程设计过程的对应关系。

“吸引”环节，学生产生兴趣，发现问题，确定工程设计的目标及限制因素。如案例二中，在“吸引”环节，开展心脏解剖实验，播放机器人微创手术视频，了解冠状动脉阻塞的后果及血管支架手术。当面对模拟堵塞冠状动脉时，确定目标为取得动脉最大血液流量，限制条件为防止斑块流动到其他位置，危害病人健康。“探究”环节中，学生广泛搜集信息，研究和开发可能的设计方案。建立模型在工程设计中非常关键，模型能够使设计者更好地掌握设计问题特征，分析解决方案要素，预测设计效果，指导解决方案开发。测试模型得到的数据，可用来优化设计。如案例一中，学生制作减少兼捕的物理模型进行捕捞，记录及分析模拟捕捞的数据，改进模型。在“解释”环节，学生论证设计方案的可行性，分享交流。如案例二中，学生测量“血液”（水）通过透明塑料管所需时间，用客观数据证明设计方案的可行性。在“迁移”环节，学生依据现实因素、用户需求等，选择最优设计解决方案。如案例一中，学生考虑现实因素，如成本、安全性、制作难度、可靠性等，选择最佳设计方案。在“评价”环节，学生交流与反思，以多种方式从多维度评价。3个案例中，评价都是贯穿于整个课程，教师、学生共同评价。

综上所述，“5E”教學模式的各步骤与STEM教育中工程设计的过程相辅相成，因此“5E”教学模式适用于STEM教育。

2.2“5E”教学模式对促进学生STEM素养形成的影响分析

成功的STEM教育能够提高学生的STEM素养。STEM素养由STEM知识、STEM能力、STEM思维、STEM态度等要素构成。教师在STEM教育中应用“5E”教学模式可以提高学生的STEM素养。表2展示“5E”教学模式的各环节对STEM素养各要素分别产生的影响。

学生在STEM活动的过程中，可以建构相关的STEM知识。例如，案例一中，学生获得兼捕、渔业可持续发展、渔具制作等原理和知识;案例二中，学生获得心脏结构、血液循环系统、动脉堵塞修复等生物医学知识;案例三中，学生获得DNA结构与功能的生物学知识。

教师采用5E教学模式开展STEM教学，可以在各个环节培养学生的STEM能力和思维。例如，“吸引”环节，如案例一中，模拟捕捞后，教师提出问题，促进学生思考，培养学生的问题分析能力和善于思考的科学思维。“探究”环节，案例一、二学生搜集信息，研究和开发可能的设计方案，建立、测试和优化模型的过程中，相关能力在无形中具备。探究时，学生综合运用多学科知识、用工程的眼光解决问题、灵活运用模型、进行认真严谨的实证，分别发展了跨学科思维、工程思维、建模思维及科学思维。“解释”环节，学生分享设计方案，证明方案的可行性，发展了交流协作能力、语言表达能力等，提高了科学思维，具有实证意识。“迁移”环节，学生考虑现实因素优化设计，挑选最佳设计方案，需运用各项能力和思维来综合考量，期间各项能力和思维得到提升。“评价”环节，学生客观分析和判断，反思自身不足，有针对性地进行修正和提高，锻炼分析判断能力、反思能力等以及科学思维。

“5E”教学模式各环节的特征以学生为中心、教师为引导者和帮助者的理念等，帮助学生养成良好的STEM态度。

综上所述，“5E”教学模式适合应用于STEM教育中，它能够保证STEM教育的开展，从而全面提高学习者的STEM素养。

3对我国生物学教学的启示

我国生物学教学发展STEM教育时，应该注重教学模式的使用，“5E”教学模式是一个不错的选择，目前国内外还有一些基于不同理念设计的教学模式，如“6E”教学模式、UIRDE模式、QIEIE模式。教师可以根据具体课程情况选择或改进教学模式，保证STEM教育的实施。