融合STEM理念的5E教學模式在高中生物教學中的應用

張瀚月 雍麗娟 朱麗 閆秋潔

摘? ?要：在新高考課程教學改革的大背景下，高中生物教學需要能培養學生創新能力和社會責任感的教學模式。文章結合STEM理念和5E教學模式，以高中生物“探究影響酶活性的條件”一課為例，從實踐角度闡述融合STEM理念的5E教學的應用方法，說明了以5E教學作為載體，將STEM理念與高中生物教學深度融合，能有效培養學生的批判思維達到提高綜合素質的目標。

關鍵詞：高中生物；STEM教育理念；5E教學模式

1? 高中生物教學模式的改善措施

《中國教育現代化2035》指出要強化學生實踐動手能力，創新能力的培養?！镀胀ǜ咧姓n程方案》要求進一步提升學生綜合素質，培養社會責任感，促進學生自主，探究的學習。在目前的高中生物教學模式中，經過設計的探究式[ 1 ]、情境化[ 2 ]、分組討論[ 3 ]、自主式[ 4 ]、問題引導式[ 5 ]等教學模式被逐漸引入，極大改善了傳統填鴨式教學的不足。胡波以探究式的教學模式引導學生主動構建生物學概念，提高了學生解決問題的能力[ 6 ]；余國文的自主學習模式教學達到了培養學生合作探究能力的目標[ 7 ]。探究式和自主式教學能夠引導學生建立探究式思維，促進學生自主學習的能力，但在培養學生創新能力和社會責任感方面還未能充分發揮作用。為了完全達到培養學生創新能力，提高學生綜合素質的目標，就應博采眾長，綜合運用多種先進的教學模式。

STEM教育理念以學生為主體，讓學生在參與課堂的過程中形成自學意識。注重培養學生的社會責任感，通過教學互動啟發學生獨立思考、積極動手操作的能力[ 8 ]。而5E教學模式強調學生主動獲取知識的探究性學習，較傳統教學模式更能激發學生的興趣[ 9 ]。在當下的課程改革中，5E教學模式是一個非常適用于生物教學的教學模式，它有助于課程理念的落實，有助于培養學生的生命觀念，科學思維，科學探究以及社會責任，更有利于提升學生的創新能力[ 10 ]。實施STEM教育理念和5E教學模式的特點符合目前的教學目標，因此，將融合了STEM教育理念的5E教學模式應用于高中生物教學課堂，探索能夠更好地滿足《普通高中課程方案》和《中國教育現代化2035》培養要求的教學模式，達到培養學生的探究性思維、創新能力，提高綜合素質的目的。

2? STEM教育理念和5E教學法概念

2.1? STEM教育理念

STEM是科學、技術、工程和數學這4個詞英文首字母縮寫?？茖W教育（S）在高中生物的教學中是要通過教師對知識的引導來幫助學生建立對一些現象的框架理解，找到生物生命活動規律。技術教育（T）融合生物學科的教學來看，就是能夠應用一些創新的實驗技術，培養學生的創新能力，更深層面地理解生物知識。工程教育（E）在高中生物教學中就是讓學生明確問題，制定實驗方案再優化改進，培養科學思維。數學教育（M）放在高中生物中就是對數據的分析，在得到實驗結果之后學生自己分析結果，培養學生的科學思維和解決問題的能力。

2.2? 5E教學模式

5E教學模式是一種基于建構主義的探究式教學模式，包括吸引、探究、解釋、遷移和評價5個主要的教學環節。吸引：是指教師恰當的引用實例吸引學生的學習興趣，學生再結合引導進行思考；探究：是指學生要針對特定的內容進行探究活動，如生物教學中的實驗部分，學生自己設計操作實驗，觀察現象，得出結論，教師給予學生引導，培養學生的科學探究能力；解釋：是指學生自己分析實驗結果得出初步解釋，教師再綜合學生的解釋給出科學概念，此環節主要培養學生的科學思維；遷移：是指教師將本節內容遷移到現實中，幫助學生理解一些常見現象，同時講授一些知識，加強學生的社會責任感；評價：是指教師運用一定的方法評價學生對新知識的理解以及應用能力，以便教師能夠及時了解學生的情況并做出調整。

3? 融合STEM教育理念的5E教學模式應用

5E教學模式和STEM理念具有相同的目標，這使得在實際生物教學過程中能自然地將STEM理念融入到5E教學模式的課堂中，發揮二者優勢解決實際教學問題。下面將以人教版高中生物必修一第五章第一節實驗——探究影響酶活性的條件為例，闡述整個融合的教學過程。

3.1? 融合S的5E之吸引——創設情境

情境創設：教師以洗衣粉和洗衣液讓學生觀察兩者的相同之處，引導學生得出二者都加了酶，且要用溫水浸泡的結論。然后提出3個問題引導學生思考溫度會影響加酶洗衣粉的活性：（1）浸泡洗衣粉時水的溫度越高越好嗎？（2）你還能提出哪些影響酶活性的條件？（3）你提出這些假設的依據是什么？通過問題的串聯講解完成STEM教育理念中的S層面教育：溫度，pH會破壞蛋白質結構，酶大多是蛋白質組成。

這樣的情境學生親身參與，體現了學生的主體性，達到了吸引學生興趣的目的，且培養了學生的生命觀念：理解過酸過堿或溫度過高會使蛋白質的結構被破壞，從而影響酶活性的概念。

3.2? 融合T的5E之探究——設計操作

根據“pH會影響酶活性”的假設，教師引導學生通過實驗來驗證pH是如何影響酶活性的，由學生自己設計實驗方案。學生因思維固化大多會采用書上的建議方案用過氧化氫酶來探究pH對酶活性的影響；教師再根據學生設計方案修改補充，帶領學生一起操作實驗：實驗材料是20%的肝臟研磨液，3%的過氧化氫溶液，以及不同pH的溶液（pH為5，6，7，8，9），蒸餾水，試管架，試管，膠頭滴管。準備5個相同的試管，在5個試管里加入2 mL 3%的過氧化氫溶液；再向5個試管里分別加入1 mL pH為5-9的溶液搖勻；然后在5個試管內均加入兩滴肝臟研磨液輕輕震蕩；最后觀察氣泡產生量。結果發現：加入了pH為8的溶液試管中，氣體產生量最多。

在整個實驗過程中，學生操作的每一步都是STEM理念中技術教育T的體現，實驗要成功地得出結果，每一步都需要正確的技術，在這個過程中學生動手能力得到鍛煉。且該實驗是由學生合作完成的，學生的協作能力得到培養，這也是一種培養技術的教育。

3.3? 融合M的5E之解釋——分析結果

在得到實驗結果后，帶領學生分析結果，依據得到的數據制作曲線圖，結合數學知識分析得結論：過酸過堿都會影響酶活性。在整個分析過程中培養了學生的科學思維，提高了學生分析問題、解決問題的能力。用數學去解決分析生物的問題，不僅解答了問題，更能培養學生全面發展。

3.4? 融合E的5E之探究——創新實驗

在第一個實驗操作完成后，教師引導學生思考其存在的問題：肉眼不好觀察相近pH條件下產生的氣泡量差異，即不好判斷酶活性的差異；學生明確問題后再改進方案，這是STEM理念中的工程教育。教師進一步語言引導：“淀粉遇碘變藍，淀粉酶分解淀粉，新方案可考慮用碘作鑒定試劑”。學生制定新方案：準備5個大小一樣的小濾紙片；將5個小濾紙片分別放入5個不同pH的淀粉酶溶液中浸泡；一段時間后將小濾紙片移入淀粉瓊脂培養基；再等待一段時間后移走小濾紙片往淀粉瓊脂培養基中加入鑒定試劑碘；一段時間后觀察小濾紙片上分解圈大小，以分解圈大小判斷酶活性。分解圈大小可以用尺子或更精確的儀器測量比肉眼更準確，這個方案有效解決了肉眼不好觀察相近pH對酶活性影響的問題：分解圈越大，酶活性越強。

這樣應用創新實驗手段，發現問題不斷優化方案，能培養學生的創新能力，改變學生思維被固化的現象，學生不再是被動的接受知識，而是能舉一反三有效改變了應試教育的弊端。

3.5? 融合S的5E之遷移——聯系實際

學生通過實驗已掌握過酸過堿會影響酶活性，教師再引導和實際生活聯系起來。如海洋酸化就是海洋的pH值下降，這會導致海洋動物的呼吸代謝酶活性下降，造成海洋酸化的原因就是工業污染導致二氧化碳濃度升高。從而引導學生思考綠色生活，保護海洋動物，保護環境，這也是STEM理念中的S。將S融進遷移，這樣的設計可培養學生的社會責任感，將學到的知識用于實際和實際聯系，這樣的學習才有意義。

3.6? 5E之評價——實驗再設計

學生已經學習了兩種探究pH對酶活性影響的實驗，但溫度對酶活性的影響還沒有探究，為了檢測學生的理解情況以及對所學知識的應用，讓學生延伸再設計一個探究溫度對酶活性影響的實驗。

4? 模式應用結果分析

4.1問卷調查

4.1.1問卷調查方案

為了驗證融合STEM理念的5E教學模式效果如何，針對該節課對三個班采用不同教學模式，再設計問卷對三個班學生展開調查。調查對象為攀枝花市十五中高一十五班42位學生（采用融合STEM理念的5E教學模式）和高一十二班44位學生（只采用探究式教學模式）和高一十三班46位學生（采用填鴨式教學模式）。

問卷共設置5個題目，每一題有5個選項：A、B、C、D、E。A代表完全贊同，B代表贊同，C代表中立，D代表不太贊同，E代表完全不贊同。設置的題目為：（1）這節課我的動手能力得到了很大鍛煉。（2）這節課拓展了我的知識面。（3）通過這節課的學習提高了我的探究能力。（4）這節課我的參與感很強。（5）這節課對我思維的拓展有很大啟發。

4.1.2數據收集及信度檢驗

以上問卷共發放132份，共回收問卷132份，故有效率為100%。問卷的信度分析見表1。

調查結果顯示，十五班每道題選A的大于70%;十二班選擇出現了較大差異;十三班每道題選E的最多。說明比起填鴨式教學，單一教學模式在一些方面有促進作用，但不全面；融合STEM理念的5E教學模式效果較填鴨式和單一教學模式好，對學生解決分析問題，創新能力等綜合素質的提高以及科學思維和社會責任感的培養有促進作用，更符合《普通高中課程方案》和《中國教育現代化2035》的要求。

5? 小結

綜合以上教學應用設計來看，在整個教學過程中，教師沒有直接給學生灌輸知識，而是通過日常生活中常見的實例帶領學生觀察分析做假設，再以問題串的形式引導學生往本節內容“影響酶活性的條件有哪些”上思考，做到了在學生認識事物的教學過程融入科學知識；學生結合書上的提示自己設計操作實驗，培養學生的動手能力；教師引導學生根據實驗結果運用數學思維做出分析，培養學生的科學思維；再點撥學生思考實驗的不足，設計新實驗創新，培養學生的創新思維以及拓展學生的視野啟發學生在學習過程中要舉一反三多思考；在學生得到結論之后，教師應適時地給學生拓展知識面，聯系實際，既能讓學生意識到生物學的有趣，又能在教學過程中培養學生的社會責任感。整個教學過程很好地解決了“填鴨式”教學的不足和單一教學模式不完善的問題，學生的參與感強，同時學生的綜合素質也能在這個過程得到提升。說明融合了STEM教育理念的5E教學模式既能提高學生的綜合素質，也能實現學生的主體性，達到了自主學習的目的。

參考文獻：

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