運用5E教學模式發展學生生物學學科核心素養的策略與路徑

馬建興

摘要 結合教學實踐，探討如何在課堂教學中合理運用5E教學模式發展學生的生物學學科核心素養的策略與路徑，最終達成促進學生核心素養形成與發展的教育愿景。

關鍵詞 5E教學模式 核心素養 生物學學科核心素養 概念教學 教學策略

中圖分類號 G633.91

文獻標志碼 B

1 問題的提出

5E教學模式是美國生物學課程研究所（BSCS）開發出的一種基于建構主義教學理論和概念轉變理論的教學模式，在科學教育領域受到了高度的關注。5E教學模式包括引入（engage）、探究（explore）、解釋（ex-plain）、精致（elaborate）和評價（evaluate）5個環節?！昂诵乃仞B為宗旨，內容聚焦大概念”是《普通高中生物學課程標準（2017年版）》（以下簡稱《課標》）的兩大理念。學科核心素養是學科育人價值的集中體現，生物學學科核心素養包括生命觀念、科學思維、科學探究和社會責任。在科學教育領域，“大概念”是指在一個學科領域中最精華、最有價值的內容?？茖W教育課程應盡可能用“大概念”來統整學科知識。這里的“大概念”包括學科核心概念和跨學科的共通概念。生命科學領域的大概念包括“從分子到生命體：結構和功能”“生態系統：相互作用、能量和動力”“遺傳：性狀的傳遞和變異”“生物進化：統一性和多樣性”4個方面。

那么，在高中生物學課程實踐中，如何合理運用5E教學模式，發展學生的生物學學科核心素養呢？下面結合具體實踐，談談筆者的看法。

2 合理運用5E教學模式，發展學生生物學學科核心素養的策略與路徑

生物學學科核心素養是核心素養在生物學課程中的具體體現，是聯系核心素養與課程實踐間的紐帶，也為教學策略的選擇指明了方向。

2.1 巧用5E教學模式，凝練生命觀念

生命觀念是指對觀察到的生命現象及相互關系或特性進行解釋后的抽象，是人們經過實證后的觀點，是能夠理解或解釋生物學相關事件和現象的意識、觀念和思想方法，也可指系統觀、生態觀、進化觀與適應觀，以及生命的復雜性、獨特性、多樣性與統一性，而非專指“結構與功能觀”“進化與適應觀”“穩態與平衡觀”“物質與能量觀”。概念具有抽象性的特點，很多時候學生可能了解一些具體事例，但對抽象的概念往往難以理解掌握。教學中，教師可以充分利用5E教學模式，合理創設引入環節的問題情境，激起學生對前概念的懷疑與不滿，激發學生的探究興趣，同時也是修正前概念的基礎。后續的解釋和精致環節，通過對相關事實、證據進行歸納與概括、演繹與推理、模型與建模，促進概念轉變，建構科學概念;再通過對不同的學科核心概念及跨學科核心概念的歸納與概括、演繹與推理，幫助學生形成諸如“生物體的結構與功能是相適應的”“物質循環中伴隨著能量流動，存在多向的信息傳遞”“生物是進化而來的，是長期自然選擇的產物，能適應環境，也會影響環境”“生命具有復雜性，同一生命現象可能存在不同的機理及原因”等生命觀念。

《課標》要求學生“能夠用生命觀念認識生物的多樣性、統一性、獨特性和復雜性，形成科學的自然觀和世界觀，并以此指導探究生命活動規律，解決實際問題”。這就意味著基于素養立意的生命觀念，不僅是要掌握“是什么”的事實性知識以及“為什么”的概念性知識，還要掌握“怎么做”的程序性知識，在此基礎上，凝練概念形成生命觀念，能用生命觀念認識生命世界，解釋生命現象，并運用生命規律和原理解決真實生活中的劣構問題。

例如，在“物質跨膜運輸的實例”一節的教學中，在“引入”環節，教師可以向學生展示滲透系統的模型及相關實驗現象——長頸漏斗內液面逆重力勢能上升——這與學生原有生活經驗之間出現了強烈的認知沖突。繼而，分別以“紗布”“半透膜”“蛋殼膜”等為實驗材料，探究滲透作用與膜的關系，并采用“功能一結構一材料”的思維方法解釋滲透現象的機理，以幫助學生地更好理解滲透系統的作用條件和原理，建構滲透作用的概念，這就是“探究”和“解釋”環節。在“延伸”環節，教師分別以哺乳動物成熟紅細胞以及紫色洋蔥鱗片葉外表皮細胞作為實驗材料，引導學生探究動、植物細胞的失水和吸水的機理。學生在設計實驗、實施操作、觀察現象、分析數據、得出結論的過程中，進一步理解了細胞滲透作用吸水、失水的原理，即存在原生質層，在原生質層兩側存在溶液的濃度差。這樣可以使學生進一步明確“生物體的結構是與其功能相適應”的這一生命觀念。在“評價”環節，學生選擇材料構建滲透模型的過程有利于其進一步理解STEM的“材料一結構一功能”相統一的思想，進而有助于學生學會運用生命觀念去分析、解釋具體的生命現象，發展自我認知以及對世界的認知。

實踐表明：正確運用5E教學模式，是能促進對概念群的建構聚合與理解的，并通過歸納與概括、演繹與推理、模型與建模等科學思維方法，促進生命觀念的形成與發展。

2.2 活用5E教學模式，助推科學思維發展

科學思維是出于“崇尚真知，追求科學知識、原理和方法”的認知動機，基于事實和證據基礎上的認識事物、解決問題的習慣及方法，需要思維者采用“正確的邏輯分析和推理”，運用質疑和批判的精神去認識事物與事物間的聯系，進而建構科學概念，凝練生命觀念?？茖W思維應聚焦于“懷疑是審視的出發點，實證是鑒別的尺度，邏輯是辯論的武器，是科學的美”。中學生物學課程中主要的科學思維方法是邏輯思維，包括比較與分類、歸納與演繹、分析與綜合、抽象與概括、批判性思維，是形成概念、建構模型的重要思維方法?？茖W思維是形成生命觀念的重要途徑，也是科學探究的重要組成部分。

例如，在“植物生長素的發現”一節教學中，對于生長素發現過程中的經典實驗現象與結論之間關系的探究，就是對學生科學思維的最好訓練。為什么在黑暗環境或均勻散射光照條件下的胚芽鞘是直立生長，而單側光照射的胚芽鞘會向光彎曲生長？為什么切去尖端的胚茅鞘既不生長也不彎曲？為什么用錫箔紙套在胚茅鞘尖端只生長不彎曲？為什么接觸過尖端的瓊脂塊放在切去尖端的胚芽鞘一側，會向對側彎曲生長？為什么用單側光照射透明水槽中水稻的根尖，發會現其背光生長？這些問題的解答均需以事實為證據，通過邏輯推理尋找自變量與因變量之間的因果關系，嘗試建立模型，去解釋相關實驗現象，再通過“不同濃度的NAA對于插條生根的影響”等探究實驗形成的結論，最終得出“生長素從產生部位運輸至作用部位，產生促進細胞伸長的生理效應，生長素的生理作用具有兩重性的特點”的結論，并構建生長素的合成、運輸、作用機理及其特點的模型。這種運用科學思維的方法展開生物學問題探討、審視或論證的過程，形成了真正意義上的深度學習，提升了學生歸納與概括、演繹與推理、模型與建模及批判性思維等科學思維能力水平。

科學思維是形成概念的重要途徑與方法，而概念也是一種重要的模型。概念的形成過程就是建立模型的過程。從5E教學模式本身來看，探究、解釋和精致的環節中都充分體現了對學生科學思維能力的要求。在探究與解釋環節中，需要學生針對特定內容進行探究活動，建立事物之間的聯系，運用演繹與推理、模型與建模、批判性思維與直覺等思維方法，概括復雜生命現象背后的一般規律，作出科學合理的解釋。精致（延伸）環節則強調讓學生運用概念去嘗試解決問題或解釋新的現象，驗證并強化對概念的理解，促進科學思維習慣的養成與能力的提升。

2.3 實用5E教學模式，提升科學探究能力

生物學學科核心素養中的科學探究，要求學生能夠針對日常生產和生活中的真實情境，提出明確的、有價值的生物學問題，設計并實施恰當可行的方案，開展探究實踐，并運用科學原理、規律和理論闡釋實驗的現象。這些要求與5E教學模式的理念不謀而合。5E教學模式倡導以學生為中心組織探究性學習活動，尤其是探究和精致兩個環節更加注重學生探究性學習的設計與組織。學生要在與自然現象、教師及其他學習者等周圍環境因素的互動中，不斷修正、重組和細化他們的最初想法。這種互動過程不僅僅是動手活動，更包括動腦思考活動。這正是科學探究的主要形式。

例如，在探究“酵母細胞的固定化實驗”一節的教學中，在學生已掌握利用海藻酸鈉固定化酵母細胞的基本操作步驟后，在精致環節，教師可引導學生如何通過“誤操作”探究實驗變量對結果的影響。如，設立海藻酸鈉濃度過高、過低，CaCl2濃度過高、過低的材料對照;還可嘗試注射器推進過快、滴定液面距離較近的操作對照，通過觀察凝膠珠的大小、性狀、顏色等特征，以小組形式進行對比分析。這樣的活動設計及實施，幫助學生熟練掌握了實驗的操作技能，豐富了科學探究的思路和方法，是對學生的發現問題、作出假設、設計實驗、實施操作及交流表達等能力素養的全面提升。

科學探究的形式是多樣的，除實驗探究外，文本分析、模擬實驗、科學調查、模型建構等也是科學探究的重要形式，體現了科學探究的一般原則和思路。5E教學模式將“探究”作為學習的關鍵環節。在探究、精致和解釋等環節中，學生或開展實驗與實踐以獲取事實與證據，或收集、分析、整理資料，根據邏輯嘗試對生命現象或特定問題進行推理、分析或解釋，在合作、交往過程中也在不斷錘煉表達和交流的能力。

2.4 利用5E教學模式，助推社會責任意識提升

從教學環節來看，似乎5E教學模式并沒有直接促進學生“社會責任”的提升。但生物學學科核心素養的四個方面之間是立體交錯、彼此依存而非簡單并列的線性關系。某一維度上素養發展將促進其他維度上素養的提升。社會責任是通過生物學概念的學習逐漸滲入到學生的思維和意識之中的，生命觀念、科學探究和科學思維是培育學生責任擔當意識的“搖籃”，社會責任意識的提升也進一步促進了學生其他三個維度學科核心素養的發展。

例如，在“獲得純凈的微生物培養物是發酵工程的基礎”這部分內容的教學中，學生通過微生物的分離、培養、純化和計數實驗，認識到：無菌技術除了用來保持無菌物品與無菌區域不被外來微生物污染外，還能有效避免操作者自身被微生物污染：同時，為了避免培養物污染環境，對廢棄的培養物必須做滅菌處理及無害化處理，防止微生物的擴散導致生態問題或健康安全問題的發生。了解微生物與人類的關系，正確看待微生物在工農業生產、醫療衛生以及科學研究等領域的價值，不僅有助于理解和掌握微生物的分離、純化、培養和計數，更有助于提升學生形成正確的價值觀。

從5E教學模式的結構來看，其引入和評價環節可以直接融入社會責任要素，而在探究、精致和解釋環節中也可間接滲透社會責任意識。在5E教學模式的實踐過程中，當學生具備了相應的生命觀念以及科學思維、科學探究的能力時，還應該引導學生鑒別并自覺地抵制不良的生活習慣，辨別迷信和偽科學，根據科學知識和正確的價值觀作出合理的決策，樹立綠色的生態意識和正確的生物學倫理道德觀，通過這種“潤物細無聲”的方式發展生物學學科核心素養，提升社會責任意識。

3 結語

學生的核心素養發展是一個長期、曲折和協同發展的過程。在教學中，教師惟有堅持核心素養為宗旨、教學過程重實踐等課程理念，始終將提升學生的學科核心素養而非單一的應試技巧作為課堂教學的目標，始終堅持“以學為中心”，而非“以教為中心”來設計教學，合理運用5E教學模式的各個環節，才能達成發展學生學科核心素養的課程愿景，并發展學生的終身學習能力。

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