基于STEAM教育理念的5E教学模式在高中生物学教学中的实践

摘 要：5E教学模式是一种新型的探究式教学模式，其强调以学生为主体，构建真实问题情境，引导学生进行合作探究，注重通过动手实践，解决实际问题的方式并获得新知识。本文以“DNA的结构”一节教学为例，基于STEAM教育理念，采用5E教学模式，通过“引入、探究、解释、迁移和评价”五个教学环节，将物理、化学、数学等跨学科知识与生物学教学融合在一起，促进学生跨学科思维的形成，有利于学生核心素养的培养。

关键词：STEAM教育理念；5E教学模式；DNA的结构；核心素养

文章编号：1003-7586（2024）06-0033-04 中图分类号：G633.91 文献标识码：B

《普通高中生物学课程标准（2017版2020年修订版）》（以下简称《课程标准》）提出生物学学科核心素养包括生命观念、科学思维、科学探究、社会责任几个方面，并在“实施建议（一）”中提到：组织以探究为特点的主动学习是落实生物学学科核心素养的关键。

注重学科间的联系，有利于学生理解科学的本质、科学的思想方法和跨学科的科学概念。这与整合科学、技术、工程、艺术及数学等多学科融合的STEAM教育理念相符合。5E教学模式强调学生的自主探究性学习以及小组间的交流与合作，从而培养学生的动手实践能力和科学探究精神，这与STEAM教育理念存在较多契合。本文基于STEAM教育理念，选择人教版普通高中教科书《生物学·必修2·遗传与进化》中“DNA的结构”这一内容，采用5E教学模式，融入多样化的探究活动，有效提升学生的生物学学科核心素养。

1 STEAM教育理念与5Ｅ教学模式内涵

STEAM教育理念是以科学（Science）、技术（Technology）、工程（Engineering）、艺术（Art）和数学（Mathematics）等多科学领域为基础开展的融合性教学。^［1］其强调学科间的多元融合，营造真实问题情境，以学生活动为中心，引导学生带着问题主动探究，培养学生跨学科、重探究、创新思维和动手操作的能力。

5E教学模式是由美国生物学课程研究会（BSCS）提出的一种基于建构主义理论的探究式教学模式，包括“引入（Engagement）、探究（Exploration）、解释（Explanation）、迁移（Elaboration）、评价（Evaluation）”五个教学步骤。^［2］引入是起始环节，通过创设真实问题情境，引发新旧知识的认知冲突，激发学生的探索欲和求知欲。探究是核心环节，教师以问题为导向，制定探究任务，引导学生进行自主探究和合作性探究，构建科学知识概念。解释是关键环节，学生尝试对实验现象和结果进行演绎和推理，归纳核心概念，教师对学生总结的规律进行规范化表述，帮助学生内化概念本质。迁移是延伸环节，学生运用所学的新知识解决生活中实际问题，拓展知识应用，培养自身学以致用的能力。评价是贯穿环节，学生在活动的各环节中形成指导性评价，了解自身对新知识的掌握情况。^［3］

通过对STEAM教育理念和5E教学模式的分析，发现二者都重视学生的主体地位，强调对学生跨学科思维的培养，二者的结合促使学生进行探究式学习和启发式学习，培养学生解决问题的能力。^［4］

2 基于STEAM教育理念下的5Ｅ教学模式实践

本文选取“DNA的结构”一节内容，在STEAM教育理念指导下，依托5E教学模式为载体的教学设计取得了较好的效果。以《课程标准》为基础，本节课的教学目标如表1所示。

2.1 引入：创设问题情境、激发科学探究动力

教师播放悬疑影视剧的精彩片段，创设问题情境：一个尘封十三年的旧案，因为关键性证据的出现，让扑朔迷离的案件有了转机。教师提问：案件中所指的关键性证据是什么？这种物质为什么可以鉴定犯罪嫌疑人？DNA具有这样的特性与其结构密不可分，DNA分子具有怎样的结构？DNA又是如何储存生物的遗传信息的？

设计说明：STEAM教育理念聚焦真实问题情境，通过案件情境引发学生好奇心。学生在之前就已经了解DNA是大部分生物的遗传物质，通过回顾旧知，引发认知冲突，激发学生的求知欲。

2.2 探究：重温探索之路，引导科学探究过程

创设情境，角色扮演：假设全班是一个“DNA的结构”课题研究组，学生是研究员，老师是课题组负责人，全班根据此情境展开探究活动。

2.2.1 探究任务一： DNA基本组成单位的构建

教师课前布置预习任务，由“研究员”们自主收集生物学家沃森（J.Watson）和物理学家克里克（F.Crick）探索DNA结构的相关故事，教师邀请“研究员”们进行角色扮演，分享收集到的故事。学生回顾已有知识，掌握DNA的基本组成单位是脱氧核苷酸，并在平板上构建脱氧核苷酸的结构示意图，再由学生之间进行点评。

2.2.2 探究任务二： 脱氧核苷酸链单链的构建

脱氧核苷酸是怎样连接成为单链的？相邻的脱氧核苷酸之间是通过什么化学键连接的？学生类比氨基酸脱水缩合形成蛋白质的过程，总结出两个脱氧核苷酸之间通过脱去一分子水，形成磷酸二酯键的过程。通过分组讨论，构建模型，学生以小组为单位动手组装由脱氧核苷酸连接成的DNA单链。

2.2.3 探究任务三： DNA平面结构的构建

教师提出问题，两条DNA单链是通过什么方式连接的？引导学生先提出合理假说。假说一：DNA的两条单链由位于内侧的碱基连接而成。假说二：DNA的两条单链由“脱氧核糖－磷酸”的基本骨架连接而成。

教师提供资料：嘌呤和嘧啶碱基具有疏水性，脱氧核糖和磷酸具有亲水性；生物膜的流动镶嵌模型显示，磷脂双分子层头部亲水位于外侧，尾部疏水位于内侧；细胞内部是一个液体环境，DNA的周围充满组织液。“研究员”们展开探究，分析资料，类比细胞膜磷脂双分子层结构，得出正确结论：DNA中排列在外侧的脱氧核糖和磷酸交替连接构成其基本骨架，内侧由碱基排列连接，形成稳定的结构。

学生继续探究两条单链之间的碱基如何进行连接。通过阅读教师提供的资料，了解科学家研究DNA分子结构的探索历程。学生分析资料提出假说“嘌呤和嘧啶连接”，教师启发学生根据生物学家查哥夫（E.Chargaff）对DNA做化学定量分析的数据，根据不同生物DNA中四种碱基之间的数量关系比，发现DNA碱基之间组成存在数学规律，嘌呤总量和嘧啶总量相等，体会数学计算之美。

2.2.4 探究任务四：DNA立体结构的构建

教师精心引导“研究员”们利用课前收集的资料分析DNA双链的方向性，研究员（甲）和研究员（乙）进行角色扮演物理学家富兰克林（R.Franklin）和威尔金斯（M.Wilkims），讲述二人利用X射线衍射技术得出DNA 衍射图谱，他们结合物理学知识对X射线衍射原理进行分析，得出DNA分子呈螺旋结构，并且发现翻转180°后的DNA衍射图谱与未翻转的衍射图谱保持一致（学生进行图片展示），因此推测出DNA两条单链的中轴在两个方向上呈中心对称，于是得出DNA的两条链反向平行的稳定双螺旋结构。小组成员合作完成DNA立体结构模型，学生通过亲手制作，化抽象概念为具体模型，感受DNA双螺旋结构模型的艺术之美，教学过程融合STEAM教育理念。

设计说明：在探究阶段，教师设置探究问题，引导学生自主收集生命科学史，训练学生用跨学科知识解决实际问题的能力。在探究活动中，各学科交叉的成果辅助验证，层层推理，培养学生的科学思维和探究能力，体会学科交叉在科学发展中的作用。学生通过小组合作，动手实践制作DNA的结构模型，体现了STEAM 的工程、数学、技术、艺术的理念。

2.3 解释：深入交流总结，培养归纳总结能力

各小组派代表交流展示自己制作的DNA双螺旋结构模型，并根据模型用语言总结DNA双螺旋结构的特点。每个小组观察自己的DNA模型在结构上与其他小组有什么异同？教师进行补充，促进新知识构建，培养学生逻辑思维能力。^［5］学生通过观察比较不同小组的模型，发现各小组DNA结构模型的特点类似，具有相同的基本骨架，都遵循碱基互补配对原则。不同DNA结构模型中的碱基排列顺序是不同的，且是特定的，体现了DNA结构的特异性。DNA模型中不同碱基对的排列顺序储存着大量的遗传信息，回应开篇课堂导入破案的真相，激发学生进一步的探索欲望。

设计说明：本环节重在展示探究思路，学生的解释体现了对DNA结构特点的理解，教师鼓励其他学生提问以推动小组交流，通过深化核心概念，培养学生归纳总结能力。师生交流总结，层层深入，帮助学生突破难点，建立系统性的知识框架。

2.4 迁移：拓展知识应用，形成解决问题能力

师生重温科学家们探索DNA结构的过程，教师提问：沃森和克里克两位科学家揭示了DNA的双螺旋结构，这给予你哪些启示？学生各抒己见，了解学科交叉是科学研究的重要途径，善于与人合作，敢于质疑和探索是科学成功的必经之路。学生形成知识框架后，教师设置真实的问题情境，促使学生迁移和拓展知识应用。教师提问：如果身边有走失的儿童，如何帮助其找到亲生父母？2019年中国政府采取积极的疫情防控政策，为什么核酸检测能够快速发现感染者？ 教师设置开放性问题，学生能够利用 DNA分子特性解决实际问题，从而落实社会责任。

设计思路：学生体会到多学科交叉对科学研究的重要意义，认同交流与合作在学科发展中的作用，渗透STEAM教育理念，培养学生探索求真、与人合作的精神。学生将所学知识运用到实际生活中，解决真实问题情境，从而认识到生物学与社会发展紧密相连，提升生物学学科核心素养。

2.5 评价：检测课堂效果，实施多元评价方式

评价贯穿在教学各个环节中，评价的目的是促进师生共同反思，共同进步，有利于提高今后的教学。^［6］学生进行自我评价，小组成员在构建模型过程中设置疑问展开互评；教师对各组每一个环节表现进行评价，给学生发放评价量表，并说明各阶段的评价指标，如表2所示。通过不同的评价环节和评价方式，检测课堂教学效果。

设计说明：通过采用自评、互评和教师评价的方式，根据评价量表，注重过程性评价，关注结果性评价，从而检测学生的学习效果。注重对学生科学探究能力、创新思维能力、动手实践能力和解决问题能力的评价，符合STEAM教育理念，使学生体会科学知识源于生活又应用于生活的理念。

3 结语

将STEAM教育理念融合到中学生物学教学中是一种必然的课程趋势，也是一种教育方式的革新。STEAM教育理念提供了基于学科融合的理念，淡化学科界限，将真实的问题情境与科学探究、工程设计、数学推理相结合，从而解决生活中实际问题。本节课采用5E教学模式，五个环节充分融合STEAM教育理念，体现了学生的主体地位，注重培养学生的探究和实践能力。学生课前收集有关探索DNA结构的故事，课堂动手组建模型，在探索构建模型的过程中落实学科核心素养。学生对于教学中涉及多学科交叉的部分比较陌生，教师适当提供桥梁知识和少而精的问题引导、让学生能有充裕的时间自主学习和深度思考，小组合作交流，通过自评和互评得出模型结构，在评价中总结DNA的结构特点。

5E教学模式的五个环节并不是割裂进行，而是相互包含，相辅相成。教师在实际教学中灵活运用该教学模式，融合STEAM教育理念，进而让学生运用多学科知识解决现实生活中的问题，培养学生的综合能力，发展学生的核心素养。

参考文献

［1］ 肖安庆.例谈6E学习模式在高中生物STEAM教学中的应用—以“遗传信息的翻译”教学为例［J］.中学生物学， 2022， 38（5）：15-17．

［2］ 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， 2012，47 （3）：39-42．

［3］ 何党连，何志灵，朱巧萍.基于STEM理念5E教学模式的活动设计——以“楞次定律”为例［J］.湖南中学物理， 2022，37（12）：4-8．

［4］ 周建中.基于5E 模式的 STEM 教育项目——生态瓶稳定性探究的案例设计［J］.科学教育与博物馆， 2018，4（1）：22-25．

［5］ 李德伟.以“细胞的能量货币ATP”为例，构建高效5E课堂［J］.生物学教学，2019，44（11）：34-36．

［6］ 杨杰妮，伍权，谭芮. 6E教学模型在初中STEM课程中的应用——以“天堑变通途”为例［J］.教育观察，2023，12（8）：59-62．