喬伊·丹尼爾·邁爾斯

我們認(rèn)為有效教學(xué)的關(guān)鍵，并不是將重點(diǎn)放在教學(xué)上，而是應(yīng)更多地放在學(xué)生自我參與上。我很榮幸為大家介紹我們?nèi)绾卧谏镎n堂中應(yīng)用“模型”。那么，模型教學(xué)對(duì)學(xué)生來(lái)說(shuō)有哪些益處呢？我認(rèn)為主要有以下幾點(diǎn)。

第一，利用教學(xué)模型，學(xué)生會(huì)很積極主動(dòng)地參與到互動(dòng)的教學(xué)環(huán)境中。第二，可以幫助提高學(xué)生的系統(tǒng)性思維能力。第三，學(xué)生可以在學(xué)習(xí)過(guò)程中進(jìn)行定量化、可視化分析，進(jìn)而掌握這項(xiàng)技能。第四，允許學(xué)生開展細(xì)致的研究。第五，幫助學(xué)生對(duì)真實(shí)生活的事態(tài)演化做出預(yù)測(cè)。第六，學(xué)生在獲得知識(shí)以后可以將其遷移到其他學(xué)科。我們需要啟發(fā)學(xué)生思考“為什么”“什么時(shí)間”“什么地點(diǎn)”“誰(shuí)”以及“下一步該怎么做”。

我們采用了翻轉(zhuǎn)課堂來(lái)實(shí)施STEM教學(xué)，如圖1所示，翻轉(zhuǎn)課堂包括兩部分：圖表上半截是需要師生同步的部分，圖表的下半截則是非同步的部分。

其中，左上部是課上的演示與應(yīng)用環(huán)節(jié)。整個(gè)過(guò)程中貫穿著學(xué)生的創(chuàng)造性項(xiàng)目和課堂展示。左下部是課后的意義建構(gòu)環(huán)節(jié)，學(xué)生可以寫博客、發(fā)布播客視頻以及參加考試等，最終這些都會(huì)成為評(píng)價(jià)學(xué)生的依據(jù)。右上部是課上學(xué)生參與實(shí)驗(yàn)體驗(yàn)環(huán)節(jié)，學(xué)生將通過(guò)自己動(dòng)手參與活動(dòng)、游戲以及實(shí)驗(yàn)等開展學(xué)習(xí)活動(dòng)，教師則會(huì)給予及時(shí)的反饋。右下部主要是課后知識(shí)探究環(huán)節(jié)，包括網(wǎng)上視頻授課、音頻授課以及網(wǎng)絡(luò)互動(dòng)等。

我將重點(diǎn)介紹我們?cè)谏镎n堂中（也就是圖表上半截需要師生同步的部分）是如何使用模型，以使學(xué)生參與創(chuàng)造性活動(dòng)的。作為一名生物老師，在我的教學(xué)生涯中，我發(fā)現(xiàn)有些主題，如基因遺傳、細(xì)胞吞噬、DNA 折紙術(shù)、蛋白質(zhì)合成、有絲分裂、自然選擇，是我們課堂教學(xué)中少數(shù)真正復(fù)雜的生物學(xué)過(guò)程。

以“龍”為例，如果要用語(yǔ)言來(lái)解釋龍是怎樣從它的父母那里遺傳來(lái)外貌特征和行為方式的，會(huì)相當(dāng)復(fù)雜，學(xué)生理解起來(lái)也很困難。我們不妨換種思路，采用比較淺顯的方式來(lái)展示。在生物課堂上，我會(huì)拿一些相關(guān)的材料，比如兩個(gè)龍蛋的模型，來(lái)展示它基因遺傳的原理。延伸這個(gè)主題，學(xué)生還會(huì)問(wèn)關(guān)于DNA的問(wèn)題，那我就讓學(xué)生通過(guò)龍蛋這個(gè)模型，學(xué)習(xí)DNA是如何結(jié)合到一起的。同樣，學(xué)生還發(fā)現(xiàn)龍是長(zhǎng)脖子還是短脖子的原因是由基因決定的，以此類推到，人類為什么有的是卷發(fā)，有的是直發(fā)。

我們還可以在課堂上跟學(xué)生玩腦筋急轉(zhuǎn)彎游戲。比如，我先給學(xué)生一個(gè)白色塑料袋，再給他們一些他們真正想要的東西，比如糖果。白色塑料袋代表的是細(xì)胞，學(xué)生要想出辦法，怎樣讓細(xì)胞把糖果“吃”進(jìn)去。這就解釋了細(xì)胞的吞噬過(guò)程。

關(guān)于蛋白質(zhì)合成，我們則可以使用樂(lè)高積木作為模型來(lái)展示。我們知道，很多我們接觸到的事物都是由蛋白質(zhì)組成的，但學(xué)生們并不明白為什么蛋白質(zhì)的組成是不一樣的。我會(huì)讓學(xué)生在課堂上站在一起演示蛋白質(zhì)組成的方式。一個(gè)學(xué)生代表著DNA，一個(gè)學(xué)生代表著mRNA，還有一個(gè)學(xué)生代表著細(xì)胞合成的另外一個(gè)角色。接下來(lái)，樂(lè)高積木就派上用場(chǎng)了。這些樂(lè)高積木代表的就是組成DNA的元素，組合以后出來(lái)就是氨基酸（如圖2）。

圖2 用積木模擬蛋白質(zhì)合成

我們會(huì)把學(xué)生分為幾組，每一組都會(huì)將積木組合成不同的模型。如果有小組組合出了蛋白質(zhì)，那么他們就需要演示自己是如何把它們構(gòu)成不同的DNA的。這就是課堂上研究合成蛋白質(zhì)的一種教學(xué)方法。不同的學(xué)生會(huì)產(chǎn)生自己不同的研究路徑。我在跟學(xué)生聊的時(shí)候發(fā)現(xiàn)，學(xué)生在組合不同的小積木方面會(huì)有所選擇，這也可以當(dāng)成一個(gè)深入研究的方向，即解釋自然選擇的過(guò)程是怎樣進(jìn)行的。接下來(lái)，我們還可以借助模型讓學(xué)生參與活動(dòng)。如，讓學(xué)生使用工具把種子從容器里取出來(lái)。有些學(xué)生會(huì)選擇用鑷子，有些學(xué)生會(huì)選擇用勺子。這個(gè)過(guò)程展示了我們?nèi)绾巫寣W(xué)生的研究思路更加深入。這就是模型在我的課堂教學(xué)中的應(yīng)用，我會(huì)用這些工具輔助我的教學(xué)，讓教學(xué)變得更直觀。

專家點(diǎn)評(píng)

王晶瑩（首都師范大學(xué)物理系副教授）：中美教師案例的對(duì)比展示是STEM教育東西文化的一個(gè)有益對(duì)話，美國(guó)的STEM教育從早期對(duì)科學(xué)方法的重視，到科學(xué)探究，再到今天的STEM教育，給我們最大的啟示是科學(xué)教育研究的實(shí)證性以及研究的可持續(xù)性。在我看來(lái)，這個(gè)案例有四個(gè)主要特點(diǎn)：第一，在模型教學(xué)的框架下整合了生物學(xué)不同主題的教學(xué)，如基因遺傳等?？茖W(xué)模型本身是具有解釋性和預(yù)測(cè)性的，所以也會(huì)讓學(xué)生學(xué)會(huì)建模，而建模是問(wèn)題解決的基礎(chǔ)。Modeling Theory in Science Education一書提出了整合模型教學(xué)的五個(gè)階段：關(guān)于探索、模型引用、模型形成、模型調(diào)試和范例綜合。這個(gè)案例就運(yùn)用了該模型的五個(gè)階段。第二，有學(xué)者研究美國(guó)近20年中小學(xué)STEM教育的案例發(fā)現(xiàn)，美國(guó)STEM課堂大概有三種類型：一是應(yīng)用延伸型，二是工程設(shè)計(jì)型，三是設(shè)計(jì)探究型。按這一分類，這位老師更傾向于設(shè)計(jì)探究型，結(jié)合模型教學(xué)設(shè)計(jì)了翻轉(zhuǎn)課堂四個(gè)環(huán)節(jié)，強(qiáng)調(diào)利用計(jì)算機(jī)技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)來(lái)設(shè)計(jì)STEM課程。第三，我們知道，對(duì)于教學(xué)中的核心概念，是需要模型來(lái)達(dá)成的，理性方法也是需要通過(guò)建模的過(guò)程來(lái)實(shí)現(xiàn)的，這個(gè)案例體現(xiàn)了模型和建模是學(xué)習(xí)核心概念最有效的方法。第四，體現(xiàn)出了以學(xué)生為中心的形成性評(píng)價(jià)，這也是STEM教育當(dāng)中最常用的一種評(píng)價(jià)。這個(gè)案例也讓我們看到，STEM教育不僅僅是四個(gè)學(xué)科的簡(jiǎn)單疊加，而是將這四個(gè)學(xué)科的不同素養(yǎng)融合到一起。