5E 教學(xué)模式下的高中生物學(xué)STEM 教育
——以“生長(zhǎng)素的生理作用”教學(xué)為例

施茂慶

（晉江市養(yǎng)正中學(xué)，福建 泉州 362216）

5E 教學(xué)模式強(qiáng)調(diào)課堂教學(xué)的情境性、親歷性、嘗試性、遷移性及應(yīng)用性，一般包括吸引（engagement）、探 究（exploration)、解 釋?zhuān)╡xplanation）、遷 移（elaboration）及評(píng)價(jià)（evaluation）等5 個(gè)教學(xué)環(huán)節(jié)，對(duì)學(xué)生形成生命觀念及社會(huì)責(zé)任意識(shí)、發(fā)展科學(xué)思維及科學(xué)探究能力具有積極的意義。STEM 教育強(qiáng)調(diào)科學(xué)、技術(shù)、工程和數(shù)學(xué)的有機(jī)結(jié)合，有助于學(xué)生提高學(xué)習(xí)興趣，多角度、深度地挖掘客觀事實(shí)和現(xiàn)象，開(kāi)展意義學(xué)習(xí)，提升綜合運(yùn)用知識(shí)能力和創(chuàng)新能力。筆者嘗試將5E 教學(xué)模式與STEM 教育理念有機(jī)結(jié)合，開(kāi)展高中生物學(xué)教學(xué)，旨在促進(jìn)學(xué)生深度學(xué)習(xí)生物學(xué)知識(shí)、思想觀點(diǎn)及研究方法，把握生物學(xué)科的本質(zhì)?，F(xiàn)以“生長(zhǎng)素的生理作用”教學(xué)為例，探討基于5E 教學(xué)模式下的高中生物學(xué)STEM 教育。

一、呈現(xiàn)真實(shí)情境，引發(fā)學(xué)生思考

真實(shí)情境是與符號(hào)情境、虛擬情境相對(duì)的情境，是聯(lián)系書(shū)本知識(shí)與具體實(shí)際的紐帶。高中學(xué)生對(duì)事實(shí)和問(wèn)題的思考經(jīng)常出現(xiàn)“思而不全”“全而不深”的現(xiàn)象，有必要遵循STEM 教育理念，重視創(chuàng)設(shè)真實(shí)情境，激發(fā)學(xué)生主動(dòng)學(xué)習(xí)的欲望，引導(dǎo)學(xué)生對(duì)周邊事實(shí)或生活經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行觀察、思考及提問(wèn)，開(kāi)展科學(xué)探究活動(dòng)，尋求解決問(wèn)題的方法與答案。

例如，“生長(zhǎng)素的生理作用”教學(xué)時(shí)，教師用竹簽豎插在教室窗臺(tái)上的銅錢(qián)草花盆中作為參照，用紙條標(biāo)明窗內(nèi)側(cè)和窗外側(cè)，隨后將花盆搬到教室的講臺(tái)上，利用實(shí)物投影儀投放在大屏幕上，學(xué)生觀察、“頭腦風(fēng)暴”討論后提出問(wèn)題：①銅錢(qián)草植株向窗外生長(zhǎng)的可能原因是什么？②為什么靠窗外側(cè)的銅錢(qián)草葉面呈凹型，而靠窗內(nèi)側(cè)的部分葉面呈凸型？③如果將這盆銅錢(qián)草的靠窗內(nèi)外側(cè)對(duì)調(diào)放置，一段時(shí)間后是否仍按原來(lái)的方向生長(zhǎng)？④同樣放置于窗臺(tái)的仙人掌為什么沒(méi)有發(fā)現(xiàn)與銅錢(qián)草一樣的長(zhǎng)勢(shì)？

學(xué)生通過(guò)先前“植物生長(zhǎng)素的發(fā)現(xiàn)”一節(jié)的學(xué)習(xí)，已知銅錢(qián)草向光生長(zhǎng)的原因是：銅錢(qián)草胚芽鞘尖端下面一段的生長(zhǎng)素分布受到光的影響，向光一側(cè)生長(zhǎng)素分布較少，背光側(cè)一側(cè)生長(zhǎng)素較多，導(dǎo)致背光側(cè)生長(zhǎng)比向光側(cè)快，使得銅錢(qián)草向光生長(zhǎng)。學(xué)生進(jìn)一步思考與討論后達(dá)成共識(shí)：光是影響銅錢(qián)草生長(zhǎng)狀態(tài)多樣性的重要外因。但對(duì)于“生長(zhǎng)素的如何發(fā)揮作用”感到疑惑。教師拋出解決問(wèn)題的“支架”：不同濃度的生長(zhǎng)素對(duì)植物的生長(zhǎng)皆具有促進(jìn)作用嗎？如果植物的根部受到同樣的光照，是否也具有向光生長(zhǎng)的特性？

通過(guò)創(chuàng)設(shè)真實(shí)的問(wèn)題情境、搭建學(xué)習(xí)“支架”，引發(fā)學(xué)生思考及探究的欲望，幫助學(xué)生基于已有的知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)，針對(duì)生活中常見(jiàn)的生物學(xué)現(xiàn)象，提出有探究?jī)r(jià)值的問(wèn)題。

二、融合學(xué)科知識(shí)，開(kāi)展實(shí)驗(yàn)探究

實(shí)驗(yàn)是人們認(rèn)識(shí)自然現(xiàn)象、自然規(guī)律及其本質(zhì)的基本方法。STEM 教育打破學(xué)科壁壘，強(qiáng)調(diào)學(xué)科融合，將技術(shù)作為推進(jìn)科學(xué)發(fā)展的重要支持。生物學(xué)是自然科學(xué)重要組成部分，是客觀事實(shí)、理性思維和實(shí)驗(yàn)技術(shù)相結(jié)合的科學(xué)。生物學(xué)是建立在實(shí)驗(yàn)技術(shù)革命的基礎(chǔ)上，融合不同領(lǐng)域科學(xué)知識(shí)，在繼承中不斷開(kāi)拓、修正和發(fā)展的。

“探索生長(zhǎng)素類(lèi)似物促進(jìn)插條生根的最適濃度”實(shí)驗(yàn)涉及生物學(xué)、化學(xué)、物理、數(shù)學(xué)、工程學(xué)及植物扦插水培技術(shù)的學(xué)習(xí)與應(yīng)用，指導(dǎo)學(xué)生利用物理學(xué)的測(cè)量技術(shù)選擇莖干粗細(xì)程度相同的、生長(zhǎng)旺盛的一年生枝條作為插條，根據(jù)誤差技術(shù)要求，枝條隨機(jī)分組、每組10 支。根據(jù)化學(xué)方法按照成分、比例配制培養(yǎng)液及系列濃度的萘乙酸溶液，需要應(yīng)用數(shù)學(xué)知識(shí)測(cè)量插條根長(zhǎng)，應(yīng)用工程學(xué)知識(shí)設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)操作流程。

學(xué)生能否綜合應(yīng)用化學(xué)、物理、數(shù)學(xué)、工程學(xué)等多學(xué)科知識(shí)以及植物扦插水培技術(shù)，是“探索生長(zhǎng)素類(lèi)似物促進(jìn)插條生根的最適濃度”實(shí)驗(yàn)取得成功的關(guān)鍵。通過(guò)實(shí)驗(yàn)促進(jìn)學(xué)生學(xué)習(xí)與掌握插條的選擇、制作、培養(yǎng)、培養(yǎng)液成分及比例的配制、萘乙酸（一種生長(zhǎng)素類(lèi)似物）溶液系列濃度的配制、插條根長(zhǎng)的測(cè)量等技術(shù)與操作技能，提高科學(xué)探究能力。

三、解釋實(shí)驗(yàn)結(jié)果，得出科學(xué)結(jié)論

實(shí)驗(yàn)結(jié)果是通過(guò)實(shí)驗(yàn)觀察、數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析得到的實(shí)驗(yàn)事實(shí)信息，實(shí)驗(yàn)事實(shí)是對(duì)生命現(xiàn)象解釋的重要依據(jù)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果是實(shí)驗(yàn)結(jié)論的依據(jù)。實(shí)驗(yàn)結(jié)論是對(duì)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象和實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行概括、分析、推導(dǎo)得出的普遍事實(shí)或規(guī)律。生物學(xué)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)、分析、表征形式轉(zhuǎn)換等，需要綜合、遷移應(yīng)用STEM 多學(xué)科知識(shí)及能力。

進(jìn)行“探索生長(zhǎng)素類(lèi)似物促進(jìn)插條生根的最適濃度”的預(yù)實(shí)驗(yàn)后，課外興趣小組得到下列實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)（如表1）。要求全體學(xué)生根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)以萘乙酸溶液濃度為橫坐標(biāo)，以根的均長(zhǎng)為縱坐標(biāo)，繪制不同時(shí)間段插條生根長(zhǎng)度的曲線圖，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表征形式的轉(zhuǎn)換，并討論、解釋下列問(wèn)題：①各組萘乙酸溶液濃度設(shè)置有何規(guī)律？這樣設(shè)置有什么好處？②實(shí)驗(yàn)1 組的作用是什么？③實(shí)驗(yàn)3 組的濃度是否是促進(jìn)迎春花枝條的生根的最適濃度？請(qǐng)說(shuō)明理由。④實(shí)驗(yàn)5 組的濃度是否能促進(jìn)迎春花枝條生根？⑤實(shí)驗(yàn)6、7 組迎春花枝條的平均生根數(shù)為0，這說(shuō)明了什么？⑥請(qǐng)分析迎春花枝條生根長(zhǎng)度曲線圖，并說(shuō)明萘乙酸溶液濃度對(duì)迎春花枝條的生根影響有何規(guī)律？⑦生長(zhǎng)素的作用是否只有促進(jìn)生長(zhǎng)的作用？⑧如果要確定促進(jìn)迎春花枝條生根的萘乙酸溶液最適濃度，應(yīng)如何設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)？

教師是探究活動(dòng)的指導(dǎo)者、學(xué)生科學(xué)思維發(fā)展的引導(dǎo)者，不要急于直接給學(xué)生實(shí)驗(yàn)結(jié)論，要善于結(jié)合學(xué)生實(shí)驗(yàn)結(jié)果創(chuàng)設(shè)問(wèn)題情境，引導(dǎo)學(xué)生觀察現(xiàn)象、識(shí)別變量、分析數(shù)據(jù)、建構(gòu)數(shù)學(xué)模型，促進(jìn)學(xué)生深入思考與討論，透過(guò)事實(shí)與現(xiàn)象尋找規(guī)律與本質(zhì)。

表1 不同濃度的萘乙酸溶液處理后迎春花枝條的平均生根長(zhǎng)度

四、遷移應(yīng)用知識(shí)，提高解決問(wèn)題能力

學(xué)生一般是在特定的學(xué)習(xí)環(huán)境下獲得新的認(rèn)知的，可能存在“以偏概全”“斷章取義”的認(rèn)知局限性，需要教師提供具有新的、挑戰(zhàn)性的問(wèn)題情境，引導(dǎo)學(xué)生有意識(shí)地應(yīng)用習(xí)得的知識(shí)解決新情境的問(wèn)題，在解決問(wèn)題過(guò)程中修正錯(cuò)誤認(rèn)識(shí)，全面、深刻地理解新知識(shí)。

學(xué)生分析“探索生長(zhǎng)素類(lèi)似物促進(jìn)插條生根的最適濃度”實(shí)驗(yàn)結(jié)果，得出實(shí)驗(yàn)結(jié)論：不同濃度萘乙酸溶液處理對(duì)迎春花枝條生根的影響是不同的，低濃度促進(jìn)生根，高濃度抑制生根，體現(xiàn)了兩重性。此時(shí)，教師提出新問(wèn)題：①萘乙酸溶液對(duì)丁香花枝條的生根是否也有兩重性？②不同濃度萘乙酸溶液處理迎春花枝條的發(fā)芽是否同樣有兩重性？③促進(jìn)迎春花枝條生根的萘乙酸溶液最適濃度是否也是促進(jìn)迎春花枝條發(fā)芽的最適濃度？④萘乙酸溶液對(duì)迎春花枝條的生根具有兩重性，能否說(shuō)明其他生長(zhǎng)素同樣具有兩重性？⑤銅錢(qián)草的向光生長(zhǎng)是生長(zhǎng)素兩重性的體現(xiàn)嗎？有何證據(jù)呢？

教師從實(shí)驗(yàn)藥品、材料選擇、作用部位等方面提出新的研究情境，引導(dǎo)學(xué)生深入探究生長(zhǎng)素濃度對(duì)植物生理作用，鼓勵(lì)學(xué)生設(shè)計(jì)“探究不同濃度萘乙酸溶液對(duì)迎春花枝條的側(cè)芽發(fā)芽是否有兩重性”實(shí)驗(yàn)方案，提示學(xué)生要科學(xué)處理“頂芽產(chǎn)生的生長(zhǎng)素對(duì)側(cè)芽發(fā)芽的影響”這一無(wú)關(guān)變量，指導(dǎo)學(xué)生分組討論，相互啟發(fā)、補(bǔ)充完善實(shí)驗(yàn)方案。

創(chuàng)設(shè)新的問(wèn)題情境，使得學(xué)生認(rèn)知角度發(fā)生變化。當(dāng)新的刺激納入已有概念體系，引起原有概念認(rèn)知的改組和修正，使得學(xué)習(xí)成為“思維中的具體”，從而遷移到具體的應(yīng)用中。在此過(guò)程中，教師要不斷地點(diǎn)撥啟發(fā)，幫助學(xué)生發(fā)現(xiàn)新的問(wèn)題或現(xiàn)象，鼓勵(lì)學(xué)生勇于質(zhì)疑與嘗試，改進(jìn)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，強(qiáng)化遷移應(yīng)用，達(dá)到鞏固提升概念學(xué)習(xí)的作用。

五、進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)，檢驗(yàn)學(xué)習(xí)效果

應(yīng)用“工程設(shè)計(jì)”作為綜合評(píng)價(jià)，幫助學(xué)生發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，修正認(rèn)識(shí)，深化概念的理解，促進(jìn)學(xué)生互幫互學(xué)，改變思維定勢(shì)，調(diào)整學(xué)習(xí)策略，達(dá)成學(xué)習(xí)目標(biāo)。

本節(jié)教學(xué)結(jié)束時(shí)要求學(xué)生設(shè)計(jì)栽培方案：假如你是一名農(nóng)業(yè)技術(shù)人員，現(xiàn)有5 株番茄苗，一定量的2000mg/L 萘乙酸，蒸餾水及種植番茄的適宜的環(huán)境條件，請(qǐng)應(yīng)用生長(zhǎng)素的生理作用知識(shí)，設(shè)計(jì)“10 株番茄植株長(zhǎng)出數(shù)量較多的無(wú)籽果實(shí)”栽培方案。提醒學(xué)生注意：①使用書(shū)面語(yǔ)簡(jiǎn)明扼要地表述。②操作過(guò)程的邏輯順序。③科學(xué)設(shè)計(jì)植物栽培過(guò)程。④要設(shè)計(jì)觀察日記，隨時(shí)記載研究過(guò)程。要求學(xué)生設(shè)計(jì)完成后同桌相互指正、修改完善。

以栽培方案設(shè)計(jì)進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)，有利于促進(jìn)學(xué)生融會(huì)貫通、綜合應(yīng)用所學(xué)的多領(lǐng)域科學(xué)、技術(shù)、工程和數(shù)學(xué)知識(shí)，解決生產(chǎn)生活中的實(shí)際問(wèn)題；學(xué)會(huì)“爭(zhēng)鳴而不爭(zhēng)執(zhí)”“爭(zhēng)論而不爭(zhēng)吵”，通過(guò)“思想碰撞”激發(fā)“智慧火花”，養(yǎng)成科學(xué)思維習(xí)慣，有效落實(shí)STEM 教育理念。

5E 教學(xué)模式下的高中生物學(xué)教學(xué)，應(yīng)根據(jù)具體教學(xué)內(nèi)容、學(xué)生學(xué)習(xí)水平及教學(xué)目標(biāo)，有機(jī)滲透STEM 教育理念。注重創(chuàng)設(shè)真實(shí)的學(xué)習(xí)情境，激發(fā)學(xué)生發(fā)現(xiàn)問(wèn)題、提出問(wèn)題的探究欲望；要綜合STEM 教育中的科學(xué)、技術(shù)、工程和數(shù)學(xué)等知識(shí)，提高生物學(xué)實(shí)驗(yàn)操作技術(shù)的準(zhǔn)確性和實(shí)驗(yàn)分析的科學(xué)性；指導(dǎo)學(xué)生綜合應(yīng)用STEM 多學(xué)科研究方法，解決生活生產(chǎn)中的實(shí)際問(wèn)題，促進(jìn)深入理解與應(yīng)用所學(xué)知識(shí)；同時(shí)進(jìn)行形成性綜合評(píng)價(jià)，提升學(xué)生知識(shí)應(yīng)用能力，增強(qiáng)解決實(shí)際問(wèn)題的社會(huì)責(zé)任意識(shí)，發(fā)展生物學(xué)學(xué)科素養(yǎng)。