“5E”教学模式在中学生物学教学中的应用——以“生态系统的能量流动和物质循环”为例

曹 菁

(上海华旭双语学校 上海 201805)

“5E”教学模式是1989年由美国生物学课程研究会提出来的基于建构主义的探究式教学,共由五步组成,包括吸引(Engagement)、探究(Exploration)、解释(Explanation)、迁移(Elaboration)和评价(Evaluation),强调激发学生的学习兴趣、以学生为主体、注重学生动手操作和让学生主动建构新知识等。义务教育阶段的生物学课程注重探究和实践,而“5E”教学模式中的关键部分也是探究,因此,这种教学模式与生物学的学习模式不谋而和。教师以“生态系统的能量流动和物质循环”为例探究了“5E”教学模式在中学生物学教学中的应用。

1 教学分析

“生态系统的功能”是沪教版初中《生命科学》第五章第二节“生态系统的结构与功能”的第二课时,是在生态系统组成的基础上,进一步说明生态系统的功能——能量流动和物质循环,使学生认识生态系统能量流动和物质循环的特点,同时也为学生后续学习“生态系统的稳定性”打下良好的基础,起到了承上启下的作用。本节课内容在《上海市初中生命科学学科教学基本要求》中属于B 级要求,强调能说明生态系统能量流动和物质循环的功能。

在学情方面,学生已经掌握了光合作用、生态系统的组成和食物链与食物网的定义,并且具备了一定的读图分析能力、小组合作能力和动手能力,此外,学生对如何践行低碳生活有了一定的认识,对搭建模型比较有兴趣。

2 教学目标

《义务教育生物学课程标准(2022年版)》强调学生生物学核心素养的培育,体现学科的育人价值。《上海市初中生命科学学科教学基本要求》提倡探究式学习和自主式学习,关注学生学习过程中的实践经历,强调学生的学习过程是主动参与的过程,力求使学生在学习基础知识的同时,逐步提升分析和解决问题的能力。教师以此为基础,确立了本课的教学目标:

(1)说明生态系统能量流动和物质循环的过程和特点,认识生态系统的物质循环与能量流动是相互依赖、相互依存、密不可分的统一整体。

(2)经历“生态系统能量流动模型”的搭建过程,提升自主学习能力和科学思维能力。

(3)分析“自然界中的碳循环”过程,关注相关环境问题,增强低碳生活意识和社会责任感。

3 设计思路

本节课采用“5E”教学法的模式(图1),首先利用上海市野生动物园白虎的相关剪辑视频来引入新课。由于学生对野生动物园比较熟悉,且上一节课教师刚提过老虎,因此,这种引入方式更容易激发学生的兴趣。接下来,教师以视频中的画面与信息为情境贯穿整节课的教学内容,增加教学的趣味性;再通过小组合作的方式,引导学生共同搭建生态系统能量流动的模型,让学生经历合作探究和建构模型的过程,不仅使学生理解了能量流动的特点,更重要的是提升了学生的科学思维能力。

图1 “5E”教学模式图

在教授物质循环这一部分内容时,教师通过问题探究和自主学习的方式,组织学生结合“自然界的碳循环”示意图阅读教材,并引导学生通过对一系列问题的思考和讨论分析来逐步构建自然界中的碳循环过程。教师利用多媒体课件和视频以便于学生直观理解,师生共同归纳出物质循环的特点。学生学完物质循环后,教师要求学生分析大气中二氧化碳含量折线图和气温变化图,以增强学生的低碳生活意识,使学生初步具有一定的社会责任感。最后,教师总结生态系统能量流动和物质循环的关系,使学生认识生态系统的能量流动与物质循环是相互依赖、相互依存、密不可分的统一整体。

4 教学过程

4.1 吸引(Engagement):创设情境,激发兴趣

首先,上海市野生动物园是一个学生比较熟悉的地方,学生不仅在假期可能会去参观,而且每年春游学校也可能会组织去野生动物园。此外,在上一节课学习“生态系统的组成”时,学生也以老虎为例进行过学习,因此,教师通过播放上海野生动物园白虎的相关剪辑视频,可以激发学生的兴趣和引发学生思考。在视频结束后,教师提出问题:视频中提到“一山不容二虎”,这是为什么呢? 教师引发学生思考进而进入下一个教学环节。

4.2 探究—解释(Exploration-Explanation):合作探究,总结归纳

4.2.1 分析能量流动的来源和渠道

在提出“一山不容二虎是什么原因”这个问题后,教师通过组织学生讨论和让学生作答,总结出根本原因是为了保证维持生存所必须的能量不被其他生物抢夺,从而引出生态系统的第一个功能——能量流动。在分析能量流动的来源和渠道这一环节,教师主要通过问题链的形式引导学生进行小组探究。教师设置的问题一为“假设生活在野外的白虎通过捕食上一级猎物狼来获取能量,狼再捕食上一级猎物羊,羊又通过吃草获取能量,那么草的能量是如何来的呢?”教师引导学生联系到光合作用,总结出能量的根本来源是太阳能。教师设置的问题二为“那么能量是如何在生物之间流动的呢?”教师用PPT 展示几种生物,学生通过小组讨论可以总结出“生产者固定光能并将能量储存在含碳有机物中,能量沿食物链在生物体之间流动”。至此,教师可以进行小结:能量流动的根本来源是太阳的光能,渠道是食物链。

4.2.2 组织学生小组合作,搭建生态系统的能量流动模型。

首先,教师用PPT 展示“草→羊→狼→白虎”这样的一条食物链,紧接着提出问题:①食物链中每个营养级获得的能量全部用于自身的生命活动了吗? ②每个营养级获得的能量一定会流入下一营养级吗? ③能量会有哪些去向? 学生很快就可以给出第一个问题的答案,但是第二个和第三个问题对学生而言稍有难度,在教师的引导下,师生共同分析第一和第二营养级的能量流动,归纳能量流动的去向。

接下来教师请学生以小组为单位合作探究,让学生动手构建完整的生态系统能量流动模型,教师会为学生提供搭建素材(图2)。在搭建的过程中,学生就可以思考:箭头的粗细代表什么? 箭头的方向又代表什么? 不同颜色的箭头会有不同的意义吗? 学生带着这些问题来搭建模型,教师可以请一组学生利用希沃白板来进行搭建,其余小组的学生利用小组的平板电脑各自在组内完成。模型搭建完成后,请小组展示模型,教师将其搭建结果投屏到电视上,小组学生尝试依据模型描述能量流动的过程,其余学生补充或纠正错误之处。最后,教师用PPT 展示正确的能量流动模型图(图3),师生共同总结得出每个营养级的能量流动通常都有三个去向:通过呼吸作用散失、被下一营养级摄取和被分解者利用。

图2 生态系统能量流动模型搭建素材

图3 生态系统能量流动模型图

教师继续以图3 为例,提出以下问题:①生产者固定的能量会再转化为光能吗? ②流入消费者体内的能量会再重新流回生产者吗? 例如,羊被狼吃掉后能量由羊流入到狼的体内,那么可以反过来羊吃掉狼,能量从狼流动到羊的体内吗? ③箭头的粗细有什么含义? ④随着营养级的升高,能量如何变化?⑤能量从草沿着食物链到白虎,箭头粗细有怎样的变化? 能量发生了什么变化呢? 经历了自主搭建“生态系统能量流动”模型的过程后,学生的自主学习能力和科学思维能力都得到了提升,以上问题对学生而言就较为简单了,在学生回答问题后,师生共同总结得出能量流动的特点是:①单方向流动。②逐级递减。

4.2.3 分析自然界碳循环

教师提出:在视频中有一个画面是两只白虎为了争夺食物而展开斗争,假如其中一只白虎死亡,它的遗体会去向哪里? 学生会想到遗体被分解者分解了。此时,教师可以继续提出:那被分解之后的物质呢?从而引导学生想到:白虎遗体被分解后又回归到环境中,然后被草吸收,使其又进入了食物链。学生进而可以推断任何一种生物的组成物质—碳、氢、氧、氮等都可以在生物和环境之间周而复始地被反复利用,即物质循环。接下来教师以碳循环为例来引导学生理解物质循环的过程,教师组织学生以小组为单位,要求学生观看视频并结合教材第87 页“自然界的碳循环”图思考并完成活动单(图4)。

小组完成讨论后,教师组织各小组学生分享自己组内讨论的结果,教师根据学生的答案总结碳循环的过程(图5),并归纳物质循环的特点:碳循环是具有全球性的,而且是以二氧化碳的形式进行的。在小组讨论的过程中,学生不仅认识了分解者在生态系统中的重要作用,而且对物质循环的概念理解得更加透彻。

图5 自然界碳循环过程图

4.3 迁移(Elaboration):迁移应用,知识升华

正常情况下,大气中二氧化碳的含量为0.03%,那么如果物质循环失调了,大气中二氧化碳的浓度升高,会发生什么呢? 教师提出这一问题引发学生思考,使学生将所学知识应用到解决真实问题的情境中。教师用PPT 展示两张图片——近几十年大气中二氧化碳含量变化的折线图和全球温度的变化图,继而陆续发出提问:①从图中你得到了什么信息?②你认为导致碳平衡被破坏的原因是什么? ③碳平衡被破坏会带来什么后果? ④我们可以通过哪些方式来改善全球变暖的现状呢? 教师组织学生小组讨论并让学生分享讨论结果。

通过这一环节的互动,教师不仅可以提升学生的信息提取能力和图文转换能力,而且可以加深学生对碳循环过程的认识,使学生更直观感受人类大量开采并燃烧化石燃料所带来的影响,增强学生的低碳生活意识和社会责任感。

接下来,教师通过问题探究的形式提出问题:在视频中展示的是生活在野生动物园的白虎,那么在大自然界中可能会存在只有一种物种的这样一个区域吗? 答案必然是否定的,白虎生存所需的能量需要从食物链的上一个营养级获得,而每一个营养级所需要的能量都来自于上一营养级,师生进而共同归纳出:物质作为能量的载体,使能量沿着食物链或食物网流动,能量作为动力使物质在生物和环境之间循环,物质循环与能量流动相互依赖、相互依存、密不可分。教师同时使用板书展示物质循环和能量流动的关系。

4.4 评价(Evaluation):多元考查,全面评估

每位学生都是独立的个体,个体之间的发展都有其独特的逻辑性、自主性和内生性。教师在对学生进行评价时也不能仅局限于知识层面的评价,需要进行深度的、多元的评价,如对学生学习技能、学习习惯、思考问题的逻辑性和在互动时反映出的态度和意识等进行评价,这些都可以作为评价的标准。

以“生态系统的能量流动和物质循环”一课为例,本节课设置了较多的学生活动,尤其是小组活动,那么教师除了要进行常规的终结性评价之外,还应带领学生运用批判性和辩证性的思维进行自评或互评,这也是“5E”教学法的内涵所在。例如,在小组讨论的环节,教师就可以观察学生在小组内担任了什么角色、组内讨论是否积极、思考问题是否全面等。教师还可以结合组间评价和组内评价的形式。例如,在某个小组分享完某个问题之后,其他小组的学生可以进行点评和补充,同组成员可以进行互评。

5 教学反思

本节课有以下两个优点,其中第一个是搭建模型来提升学生的科学思维能力。生态系统能量流动的特点是这节课的难点,教师通过课前准备的“搭建能量流动模型”的材料,引导学生小组合作共同搭建生态系统能量流动的模型,让学生经历思考讨论、合作探究和搭建模型的过程,并使学生在不断纠错和解析中完善“能量流动模型”,帮助学生从中理解生态系统能量流动的特点,提升学生的科学思维能力。第二个是注重培养学生分析图表的能力。在学习生态系统的物质循环时,教师以碳循环为例,组织学生以小组为单位,分析教材第87 页“自然界的碳循环”图,要求学生归纳碳循环的过程及特点。通过对近几十年大气中二氧化碳含量折线图的分析,学生提升了对数据的分析和处理能力,在此过程中增强了低碳生活的意识,初步具有了一定的社会责任感。

除此之外,教师利用野生动物园白虎的视频资源信息贯穿了整节课的教学,保持学生持续学习的兴趣。但是这节课也有一些需要改进的地方。例如,教师在最后总结能量流动和物质循环的关系时预留的时间较少,在以后的课程设计时,教师可以注意本环节的时间分配。