周建中

摘 要 在STEM項目式學(xué)習(xí)中，運用5E模式的5個環(huán)節(jié)：引入、探究、解釋、遷移、評價，進(jìn)行生態(tài)瓶穩(wěn)定性探究的案例設(shè)計，突出在實踐活動中教師的教學(xué)引領(lǐng)、學(xué)生的自主學(xué)習(xí)，以期學(xué)生能夠構(gòu)建并應(yīng)用科學(xué)概念。

關(guān)鍵詞 5E模式 STEM 生態(tài)瓶 案例設(shè)計

0 引言

5E模式是由美國生物學(xué)課程研究會開發(fā)的一種基于建構(gòu)主義教學(xué)理論和概念轉(zhuǎn)變的教學(xué)方法，在科學(xué)教育領(lǐng)域受到了高度的關(guān)注[1]。這一模式主要由引入（Engagement）、探究（Exploration）、解釋（Explanation）、遷移（Elaboration）和評價（Evaluation）構(gòu)成，通過探究式教學(xué)，將這5個環(huán)節(jié)有效地整合到學(xué)習(xí)過程中。而5E模式與STEM教育的融合，則為項目式學(xué)習(xí)提供了極好的實踐方法和手段。從某種意義上講，5E為STEM教育而準(zhǔn)備，STEM教育因5E而得到滋養(yǎng)。兩者的結(jié)合，使學(xué)生進(jìn)行探究式學(xué)習(xí)、問題式學(xué)習(xí)這一主動建構(gòu)的過程有章可循、清晰明了，有利于學(xué)生將先前概念向科學(xué)概念的轉(zhuǎn)化。

本文以針對10～14歲學(xué)生實施的生物學(xué)小課題“生態(tài)瓶穩(wěn)定性探究的案例設(shè)計”為例，分析和展示基于5E模式的STEM教學(xué)項目及其理念在指導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行科學(xué)探究中的具體應(yīng)用。

1 引入（Engagement）

電影《狼圖騰》中有這樣一個場景：人們趕到大雪湖去尋找狼貯備的食物，發(fā)現(xiàn)了一只活的小黃羊，比利格阿爸卻要求把那只黃羊放了。看到這里，或許你會問，當(dāng)時食物那么匱乏，為什么還要把那只和綿羊爭奪食物的黃羊放了呢？其實這里面蘊(yùn)含著生態(tài)學(xué)的道理：如果狼的食物都被人取走了，狼就會攻擊更多的綿羊；如果黃羊種群同時存在的話，那么綿羊被狼攻擊的可能性就會減少。這就是生態(tài)平衡，即在草原上，草、食草動物（黃羊、旱獺、野兔、草原鼠）、人類飼養(yǎng)的動物（綿羊）、食肉動物（狼），以及它們所處的環(huán)境之間達(dá)到一個相對穩(wěn)定的動態(tài)平衡狀態(tài)。下面，我們就通過制作一個生態(tài)瓶來探究一下這種平衡。

引入是5E模式的起始環(huán)節(jié)。[2]在這個過程中，學(xué)生已有的知識和教師創(chuàng)設(shè)的情境之間產(chǎn)生沖突，這是實現(xiàn)概念轉(zhuǎn)變的重要策略之一，為下一階段的實踐奠定基礎(chǔ)。[3]以電影《狼圖騰》為線索展開探究，目的是通過影片的相關(guān)情節(jié)這一生活中的資料來設(shè)計問題，從“為什么要放走黃羊”、“草原中的生物之間有一條怎樣的食物鏈”，進(jìn)而引出“什么是生態(tài)平衡”的核心問題。學(xué)生在思考的過程中可能會一知半解、可能會困惑不已，好奇心、求知欲得到極大激發(fā)，這也為探究內(nèi)容——“生態(tài)瓶的設(shè)計研究”作了鋪墊。

2 探究（Exploration）

在探究環(huán)節(jié)，我們希望學(xué)生通過梳理電影《狼圖騰》中的食物鏈關(guān)系，分析良好的生態(tài)系統(tǒng)所具備的要素，設(shè)計一個模擬的微小生態(tài)系統(tǒng)。教師首先向?qū)W生介紹處于平衡狀態(tài)下生態(tài)系統(tǒng)的例子，引導(dǎo)學(xué)生自主設(shè)計實驗方案。如圖1所示，教師可根據(jù)實際情況提供制作生態(tài)瓶的部分材料（如玻璃瓶、沙子、水草、水生動物、凡士林、撈魚網(wǎng)、一次性杯子、鑷子等），其余部分可由學(xué)生自己準(zhǔn)備。本環(huán)節(jié)將通過2個緊密相扣的實驗活動，引導(dǎo)學(xué)生按梯度進(jìn)行探究。

（1）生態(tài)瓶的初步制作。在教師的指導(dǎo)下，制作一個“入門級”的生態(tài)瓶，使得學(xué)生形成一個初步認(rèn)識，大致了解生態(tài)瓶所需的基本要素：環(huán)境（陽光、溫度等）、實驗對象、實驗裝置等。

（2）生態(tài)瓶的優(yōu)化設(shè)計。保證生態(tài)瓶中的生物數(shù)量能夠達(dá)到相對穩(wěn)定。要求學(xué)生分組討論，分享自己的創(chuàng)意構(gòu)思或模型草圖，并總結(jié)最優(yōu)方案。在這個過程中，教師可以順勢導(dǎo)出單因子變量的概念。如何在生態(tài)瓶中找出最合適的植物數(shù)量、動物數(shù)量？最有效的方法是固定一個變量如植物數(shù)量，再來探究不同動物數(shù)量的變化對生態(tài)瓶穩(wěn)定性的影響，反之亦然。

探究是5E模式的中心環(huán)節(jié)。[2]學(xué)生針對特定的內(nèi)容進(jìn)行探究活動，通過動手實踐、動腦思考、觀察現(xiàn)象，建立事物間的聯(lián)系、發(fā)現(xiàn)規(guī)律、識別變量和質(zhì)疑判斷，這也是新概念引入的重要前提。[3]在這一環(huán)節(jié)，學(xué)生根據(jù)原有知識表達(dá)對“生態(tài)系統(tǒng)”、“生態(tài)平衡”的認(rèn)識，再結(jié)合教師提出的科學(xué)概念，自由地設(shè)計實驗方案；在分組討論時，擇其優(yōu)而融入完善，并最終實施自己的設(shè)想。本環(huán)節(jié)強(qiáng)調(diào)“自由”、“分享”、“實踐”，學(xué)生對原有知識或保留或修正，并不斷生成新概念，掌握基本的探究方法，綜合技能得到發(fā)展。

3 解釋（Explanation）

學(xué)生通過實驗觀察，并以現(xiàn)象描述、數(shù)據(jù)記錄等呈現(xiàn)方式，就可以一目了然地得出實驗結(jié)果，即達(dá)成本次活動的最佳方案——生態(tài)瓶的制作方法。在這個環(huán)節(jié)，學(xué)生的解釋和探討可以在3個層次上進(jìn)行。

（1）直接觀察到的實驗現(xiàn)象。生態(tài)瓶中的各種生物經(jīng)過一段時間，生長情況保持正常，說明基本達(dá)到了穩(wěn)定狀態(tài)。通過細(xì)心觀察，我們能夠發(fā)現(xiàn)判斷生態(tài)瓶中生物生長情況的依據(jù)，如水草的顏色與狀態(tài)（綠色、伸展為存活，發(fā)黃、下沉為死亡）、螺螄的顏色與狀態(tài)（外殼灰綠、運動為存活，外殼變白、浮起為死亡）等。

（2）透過現(xiàn)象看本質(zhì)。此階段的解釋是學(xué)生經(jīng)過思考和分析后得出的觀點：在生態(tài)瓶中，生物的數(shù)量需要維持在一定的水平上，某種生物的增多或減少勢必會影響到另一種生物的生存，同時生物的生存狀態(tài)與外界環(huán)境密切相關(guān)。教師可以綜合學(xué)生的解釋，給出一個全面而科學(xué)的總結(jié)。

（3）經(jīng)歷實驗后進(jìn)行深入反思。此階段的解釋是學(xué)生進(jìn)行頭腦風(fēng)暴、深度反思后提出更為深入的建議。如針對不理想的實驗結(jié)果，從多方面尋找原因，是水質(zhì)的問題？溫度的問題？光照的問題？還是動物植物選擇的問題？由此進(jìn)一步展開對研究方案的完善和修正。在教學(xué)活動中，這種不期而遇極具創(chuàng)生性的教學(xué)資源自然地呈現(xiàn)出來了。

解釋是5E模式的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。[2]這一環(huán)節(jié)，教師要提供機(jī)會讓學(xué)生表達(dá)對概念的理解，幫助學(xué)生將前兩個環(huán)節(jié)的經(jīng)歷與新概念建立關(guān)聯(lián)。[3]在教師的指導(dǎo)下，學(xué)生的注意力集中在對探究過程中所出現(xiàn)的問題和現(xiàn)象，并按由淺至深、由表及里、由實踐進(jìn)而反思的邏輯順序進(jìn)行分析。

4 遷移（Elaboration）

這個環(huán)節(jié)學(xué)生已經(jīng)基本理解涉及生態(tài)學(xué)的相關(guān)概念，掌握了課題研究控制變量的方法，能制作簡單的生態(tài)瓶。教師可以稍加深入，引入一些實際案例。例如20世紀(jì)80年代，美國在亞利桑那州建立了一座微型人工生態(tài)循環(huán)系統(tǒng)，稱之為“生物圈2號”（見圖2）。它以地球北回歸線和南回歸線間的生態(tài)系統(tǒng)為樣板，設(shè)有5個野生生物群落（熱帶雨林、熱帶草原、海洋、沼澤、沙漠）和2個人工生物群落（集約農(nóng)業(yè)區(qū)和居住區(qū)）。“生物圈2號”雖然“與世隔絕”，但可以通過電信和計算機(jī)與外部取得聯(lián)系。1991年，8名科學(xué)家進(jìn)入“生物圈2號”，他們原計劃在這里生活兩年，為今后人類登陸其他星球建立居住基地進(jìn)行探索。然而，一年多后，“生物圈2號”的生態(tài)狀況急轉(zhuǎn)直下，這個實驗以失敗而告終。氧氣與二氧化碳的大氣組成比例，無法自行達(dá)到平衡；水泥建筑物影響到正常的碳循環(huán)；多數(shù)動植物無法正常生長或生殖，其滅絕的速度比預(yù)期的還要快。由此得出結(jié)論：在已知的科學(xué)技術(shù)條件下，人類離開了地球?qū)㈦y以永續(xù)生存。在茫茫宇宙中，人類只有地球這一處家園，因此我們要加倍珍惜它、愛護(hù)它。

遷移是5E模式的拓展環(huán)節(jié)。學(xué)生獲得新概念后，通過新的經(jīng)歷，如新的問題或現(xiàn)象，挑戰(zhàn)并且擴(kuò)展他們的概念理解和技能。[3]本階段還可以根據(jù)學(xué)生對實驗過程的反思、質(zhì)疑，鼓勵他們持續(xù)改進(jìn)實驗設(shè)計，并進(jìn)行實驗探究的準(zhǔn)備（包括方案設(shè)計、實驗環(huán)境、材料準(zhǔn)備等方面）。

5 評價（Evaluation）

為了評估學(xué)生的學(xué)習(xí)情況，可以通過形成性評測和總結(jié)性評測的方式進(jìn)行。實驗開始前，用前測問題了解他們的知識儲備。在整個案例的教學(xué)過程中，教師應(yīng)及時觀察學(xué)生在課堂討論中與同伴的互動情況。在實驗完成總結(jié)時，可以通過問答的形式評估學(xué)生的學(xué)習(xí)效果，如自然因素是造成生態(tài)平衡失調(diào)的主要原因嗎？在生態(tài)系統(tǒng)中，盲目增加一個物種，會不會使生態(tài)平衡遭受破壞？如果采伐量超過生長量，會引起森林衰退嗎？

評價是5E模式的總結(jié)環(huán)節(jié)。這一階段鼓勵學(xué)生評價自身的概念理解和能力，同時也為教師提供機(jī)會了解學(xué)生的探究效果，以便了解教學(xué)目標(biāo)的達(dá)成情況。[3]

6 結(jié)語

在“生態(tài)瓶穩(wěn)定性探究的案例設(shè)計”中，STEM主要表現(xiàn)為：S，食物鏈、生態(tài)系統(tǒng)、生態(tài)平衡的概念；T，設(shè)計控制單因子變量，進(jìn)行生態(tài)瓶中各種生物穩(wěn)定性的探究；E，動手制作簡易生態(tài)瓶；M，根據(jù)實驗結(jié)果，用數(shù)據(jù)直觀反映各組方案的優(yōu)劣。看似分割成四個方面的知識或能力，卻有機(jī)地融合在5E模式中，因此，5E模式也是實踐STEM項目式學(xué)習(xí)、問題式學(xué)習(xí)的重要方法和有效途徑。

參考文獻(xiàn)

[1]王健，李秀菊.5E教學(xué)模式的內(nèi)涵及其對我國理科教育的啟示[J].生物學(xué)通報，2012（3）：39-41.

[2]吳成軍，張敏.美國生物學(xué)“5E”教學(xué)模式的內(nèi)涵、實例及其本質(zhì)特征[J].課程·教材·教法，2010（6）：108-112.

[3]劉欣顏，麥紀(jì)青，劉恩山.運用5E教學(xué)模式發(fā)展學(xué)生的核心素養(yǎng)：聚焦生物學(xué)核心素養(yǎng)的教學(xué)取向[J].教育導(dǎo)刊，2017（11）：48-53.