顧文佳 曹志江

摘要：介紹了3個(gè)美國(guó)優(yōu)秀的STEM教育案例，從兩個(gè)角度分析了3個(gè)案例所采用的“5E”教學(xué)模式，分別是“5E”教學(xué)模式適用于STEM教育的原因以及“5E”教學(xué)模式對(duì)促進(jìn)學(xué)生STEM素養(yǎng)形成的影響。

關(guān)鍵詞：“5E”教學(xué)模式 STEM教育

中圖分類(lèi)號(hào)：G633.91 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B

STEM是科學(xué)（Science）、技術(shù)（Technology）、工程（Engineering）和數(shù)學(xué)（Mathematics）的簡(jiǎn)稱(chēng)。STEM教育強(qiáng)調(diào)各學(xué)科內(nèi)容自然融合成整體，而非簡(jiǎn)單疊加，關(guān)注科學(xué)知識(shí)的掌握、高階思維的培養(yǎng)、素養(yǎng)能力的具備及科學(xué)態(tài)度的養(yǎng)成。美國(guó)STEM教育經(jīng)過(guò)多年的發(fā)展，已經(jīng)形成了一套成熟的體系，能為其他國(guó)家提供借鑒和參考。下面以3個(gè)美國(guó)優(yōu)秀的STEM教育案例為例，進(jìn)行分析。

1STEM教育案例介紹

1.1案例一：抓錯(cuò)了魚(yú)

1.1.1案例背景及需要解決的問(wèn)題

兼捕已成為維持漁業(yè)可持續(xù)發(fā)展和保護(hù)瀕危物種的一個(gè)世界性挑戰(zhàn)。兼捕是漁業(yè)中的常見(jiàn)現(xiàn)象，指在捕撈目標(biāo)生物時(shí)，對(duì)非目標(biāo)種類(lèi)生物的附帶捕獲。

本案例的主要目的是讓學(xué)生為金槍魚(yú)捕撈業(yè)中的兼捕問(wèn)題設(shè)計(jì)一個(gè)解決方案，并將此解決方案應(yīng)用于現(xiàn)實(shí)生活。

1.1.2教學(xué)過(guò)程

在本課程中，學(xué)生以小組為單位，設(shè)計(jì)、測(cè)試解決兼捕問(wèn)題的方案。學(xué)生使用數(shù)據(jù)來(lái)優(yōu)化設(shè)計(jì)，并考慮模型的現(xiàn)實(shí)可行性。課程采用“5E”教學(xué)模式，包括吸引、探究、解釋、遷移以及評(píng)價(jià)5個(gè)教學(xué)環(huán)節(jié)。

①吸引階段——引入“兼捕”的含義及其對(duì)漁業(yè)可持續(xù)發(fā)展的影響：學(xué)生通過(guò)模擬捕撈的活動(dòng)、閱讀相關(guān)資料，討論兼捕的含義及影響，比較不同漁具、捕魚(yú)方式對(duì)兼捕的影響。②探究階段——設(shè)計(jì)、測(cè)試和優(yōu)化模型：學(xué)生設(shè)計(jì)、測(cè)試解決兼捕問(wèn)題的方案，使用數(shù)據(jù)優(yōu)化“新型漁網(wǎng)”設(shè)計(jì)。③解釋階段——分享和討論：學(xué)生展示最終模型，分享設(shè)計(jì)和優(yōu)化模型的過(guò)程，并選出最佳設(shè)計(jì)方案。④遷移階段——考慮最佳設(shè)計(jì)方案的現(xiàn)實(shí)可行性，拓寬解決兼捕問(wèn)題的思路：學(xué)生基于現(xiàn)實(shí)的限制條件，考慮最佳設(shè)計(jì)方案的現(xiàn)實(shí)可行性、實(shí)現(xiàn)方式及其他解決兼捕問(wèn)題的切入點(diǎn)。⑤評(píng)價(jià)階段：評(píng)估學(xué)生對(duì)兼捕問(wèn)題以及漁業(yè)可持續(xù)發(fā)展的評(píng)價(jià)和觀(guān)點(diǎn)。

1.2案例二：冠狀動(dòng)脈無(wú)小事

1.2.1案例背景及需要解決的問(wèn)題

此案例主要研究心臟。冠狀動(dòng)脈為心臟提供營(yíng)養(yǎng)，阻塞時(shí)會(huì)誘發(fā)心肌梗死。冠狀動(dòng)脈支架植入術(shù)能夠?qū)⒀苤Ъ苤踩氲阶枞墓跔顒?dòng)脈中，保持其管腔的開(kāi)放。

美國(guó)《新一代科學(xué)教育標(biāo)準(zhǔn)》（NGSS）認(rèn)為工程實(shí)踐和科學(xué)內(nèi)容的學(xué)習(xí)不可分割。此案例運(yùn)用冠狀動(dòng)脈支架植入術(shù)，為學(xué)生提供參與工程實(shí)踐的機(jī)會(huì)，加深學(xué)生對(duì)科學(xué)內(nèi)容的理解。

1.2.2教學(xué)過(guò)程

在此案例中，學(xué)生將血管支架植入到模擬的阻塞冠狀動(dòng)脈中，恢復(fù)管腔開(kāi)放。課程采用“5E"教學(xué)模式。

①吸引階段——引入冠狀動(dòng)脈支架植入術(shù)：學(xué)生了解冠狀動(dòng)脈支架植入術(shù)能夠有效修復(fù)堵塞動(dòng)脈，并了解相關(guān)知識(shí)，明確項(xiàng)目目標(biāo)和限制條件。②探究階段——開(kāi)展頭腦風(fēng)暴，設(shè)計(jì)、制作、測(cè)試和重新設(shè)計(jì)：學(xué)生頭腦風(fēng)暴，設(shè)計(jì)如何清理阻塞的冠狀動(dòng)脈的方案;并以自制的堵塞“冠狀動(dòng)脈”為材料，實(shí)施和測(cè)試設(shè)計(jì)方案，并改進(jìn)優(yōu)化。③解釋階段——分享和討論：小組展示最終方案及改進(jìn)過(guò)程，組間討論、分析各組優(yōu)缺點(diǎn)。④遷移階段——考慮設(shè)計(jì)方案的現(xiàn)實(shí)可行性：學(xué)生進(jìn)一步思考其設(shè)計(jì)方案在真實(shí)手術(shù)中是否可行，例如斑塊能否移動(dòng)、手術(shù)時(shí)長(zhǎng)問(wèn)題、從血管兩端同時(shí)手術(shù)是否合理等。⑤評(píng)價(jià)階段：學(xué)生制作海報(bào)或撰寫(xiě)報(bào)告，呈現(xiàn)最終方案，教師進(jìn)行總結(jié)性評(píng)價(jià)。

1.3案例三：DNA建?！斫釪NA的結(jié)構(gòu)

1.3.1案例背景及需要解決的問(wèn)題

DNA是生物體遺傳信息的攜帶者，但由于分子很小，導(dǎo)致相關(guān)教學(xué)開(kāi)展較困難。

此案例開(kāi)展“我是一個(gè)脫氧核糖核苷酸”和制作DNA毛條模型的活動(dòng)，為學(xué)生展示DNA的組成部分、結(jié)構(gòu)和功能，幫助學(xué)生更好地理解有機(jī)體的生長(zhǎng)和發(fā)展。

1.3.2教學(xué)過(guò)程

課程采用“5E”教學(xué)模式，通過(guò)層層遞進(jìn)的步驟引導(dǎo)學(xué)生學(xué)習(xí)。

①吸引階段：學(xué)生了解DNA在現(xiàn)代社會(huì)問(wèn)題解決中的應(yīng)用、基因變異導(dǎo)致疾病等，對(duì)DNA產(chǎn)生興趣。②探究階段：學(xué)生開(kāi)展DNA提取實(shí)驗(yàn)，直觀(guān)感受DNA的客觀(guān)存在，并自主學(xué)習(xí)DNA的組成和結(jié)構(gòu);在教師組織下，參與DNA身體建模活動(dòng)，強(qiáng)化對(duì)DNA的認(rèn)識(shí)。③解釋階段：依據(jù)DNA身體模型，教師解釋脫氧核糖核苷酸的組成、DNA單鏈的形成、堿基互補(bǔ)配對(duì)、DNA反向平行的特點(diǎn)。④遷移階段：新知活用，學(xué)生使用毛條玩具自主制作DNA模型。⑤評(píng)價(jià)階段：學(xué)生進(jìn)行口頭測(cè)試或紙筆測(cè)驗(yàn)，教師進(jìn)行評(píng)價(jià)或?qū)W生互評(píng)。

2教學(xué)模式分析

從教學(xué)模式的角度，分析“5E”教學(xué)模式適用于STEM教育的原因以及“5E”教學(xué)模式對(duì)促進(jìn)學(xué)生STEM素養(yǎng)形成的影響。

2.1“5E”教學(xué)模式適用于STEM教育的原因分析

STEM教育一般基于工程設(shè)計(jì)來(lái)進(jìn)行教學(xué)設(shè)計(jì)。以上3個(gè)STEM教育案例均以工程設(shè)計(jì)作為課程的抓手。學(xué)生在工程設(shè)計(jì)中，自主進(jìn)行科學(xué)探究，潛移默化地提高STEM素養(yǎng)。基于“5E”教學(xué)模式，學(xué)生能夠更有效地開(kāi)展工程設(shè)計(jì)。表1展示了“5E”教學(xué)模式各步驟與工程設(shè)計(jì)過(guò)程的對(duì)應(yīng)關(guān)系。

“吸引”環(huán)節(jié)，學(xué)生產(chǎn)生興趣，發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，確定工程設(shè)計(jì)的目標(biāo)及限制因素。如案例二中，在“吸引”環(huán)節(jié)，開(kāi)展心臟解剖實(shí)驗(yàn)，播放機(jī)器人微創(chuàng)手術(shù)視頻，了解冠狀動(dòng)脈阻塞的后果及血管支架手術(shù)。當(dāng)面對(duì)模擬堵塞冠狀動(dòng)脈時(shí)，確定目標(biāo)為取得動(dòng)脈最大血液流量，限制條件為防止斑塊流動(dòng)到其他位置，危害病人健康。“探究”環(huán)節(jié)中，學(xué)生廣泛搜集信息，研究和開(kāi)發(fā)可能的設(shè)計(jì)方案。建立模型在工程設(shè)計(jì)中非常關(guān)鍵，模型能夠使設(shè)計(jì)者更好地掌握設(shè)計(jì)問(wèn)題特征，分析解決方案要素，預(yù)測(cè)設(shè)計(jì)效果，指導(dǎo)解決方案開(kāi)發(fā)。測(cè)試模型得到的數(shù)據(jù)，可用來(lái)優(yōu)化設(shè)計(jì)。如案例一中，學(xué)生制作減少兼捕的物理模型進(jìn)行捕撈，記錄及分析模擬捕撈的數(shù)據(jù)，改進(jìn)模型。在“解釋”環(huán)節(jié)，學(xué)生論證設(shè)計(jì)方案的可行性，分享交流。如案例二中，學(xué)生測(cè)量“血液”（水）通過(guò)透明塑料管所需時(shí)間，用客觀(guān)數(shù)據(jù)證明設(shè)計(jì)方案的可行性。在“遷移”環(huán)節(jié)，學(xué)生依據(jù)現(xiàn)實(shí)因素、用戶(hù)需求等，選擇最優(yōu)設(shè)計(jì)解決方案。如案例一中，學(xué)生考慮現(xiàn)實(shí)因素，如成本、安全性、制作難度、可靠性等，選擇最佳設(shè)計(jì)方案。在“評(píng)價(jià)”環(huán)節(jié)，學(xué)生交流與反思，以多種方式從多維度評(píng)價(jià)。3個(gè)案例中，評(píng)價(jià)都是貫穿于整個(gè)課程，教師、學(xué)生共同評(píng)價(jià)。

綜上所述，“5E”教學(xué)模式的各步驟與STEM教育中工程設(shè)計(jì)的過(guò)程相輔相成，因此“5E”教學(xué)模式適用于STEM教育。

2.2“5E”教學(xué)模式對(duì)促進(jìn)學(xué)生STEM素養(yǎng)形成的影響分析

成功的STEM教育能夠提高學(xué)生的STEM素養(yǎng)。STEM素養(yǎng)由STEM知識(shí)、STEM能力、STEM思維、STEM態(tài)度等要素構(gòu)成。教師在STEM教育中應(yīng)用“5E”教學(xué)模式可以提高學(xué)生的STEM素養(yǎng)。表2展示“5E”教學(xué)模式的各環(huán)節(jié)對(duì)STEM素養(yǎng)各要素分別產(chǎn)生的影響。

學(xué)生在STEM活動(dòng)的過(guò)程中，可以建構(gòu)相關(guān)的STEM知識(shí)。例如，案例一中，學(xué)生獲得兼捕、漁業(yè)可持續(xù)發(fā)展、漁具制作等原理和知識(shí);案例二中，學(xué)生獲得心臟結(jié)構(gòu)、血液循環(huán)系統(tǒng)、動(dòng)脈堵塞修復(fù)等生物醫(yī)學(xué)知識(shí);案例三中，學(xué)生獲得DNA結(jié)構(gòu)與功能的生物學(xué)知識(shí)。

教師采用5E教學(xué)模式開(kāi)展STEM教學(xué)，可以在各個(gè)環(huán)節(jié)培養(yǎng)學(xué)生的STEM能力和思維。例如，“吸引”環(huán)節(jié)，如案例一中，模擬捕撈后，教師提出問(wèn)題，促進(jìn)學(xué)生思考，培養(yǎng)學(xué)生的問(wèn)題分析能力和善于思考的科學(xué)思維?！疤骄俊杯h(huán)節(jié)，案例一、二學(xué)生搜集信息，研究和開(kāi)發(fā)可能的設(shè)計(jì)方案，建立、測(cè)試和優(yōu)化模型的過(guò)程中，相關(guān)能力在無(wú)形中具備。探究時(shí)，學(xué)生綜合運(yùn)用多學(xué)科知識(shí)、用工程的眼光解決問(wèn)題、靈活運(yùn)用模型、進(jìn)行認(rèn)真嚴(yán)謹(jǐn)?shù)膶?shí)證，分別發(fā)展了跨學(xué)科思維、工程思維、建模思維及科學(xué)思維。“解釋”環(huán)節(jié)，學(xué)生分享設(shè)計(jì)方案，證明方案的可行性，發(fā)展了交流協(xié)作能力、語(yǔ)言表達(dá)能力等，提高了科學(xué)思維，具有實(shí)證意識(shí)?！斑w移”環(huán)節(jié)，學(xué)生考慮現(xiàn)實(shí)因素優(yōu)化設(shè)計(jì)，挑選最佳設(shè)計(jì)方案，需運(yùn)用各項(xiàng)能力和思維來(lái)綜合考量，期間各項(xiàng)能力和思維得到提升?！霸u(píng)價(jià)”環(huán)節(jié)，學(xué)生客觀(guān)分析和判斷，反思自身不足，有針對(duì)性地進(jìn)行修正和提高，鍛煉分析判斷能力、反思能力等以及科學(xué)思維。

“5E”教學(xué)模式各環(huán)節(jié)的特征以學(xué)生為中心、教師為引導(dǎo)者和幫助者的理念等，幫助學(xué)生養(yǎng)成良好的STEM態(tài)度。

綜上所述，“5E”教學(xué)模式適合應(yīng)用于STEM教育中，它能夠保證STEM教育的開(kāi)展，從而全面提高學(xué)習(xí)者的STEM素養(yǎng)。

3對(duì)我國(guó)生物學(xué)教學(xué)的啟示

我國(guó)生物學(xué)教學(xué)發(fā)展STEM教育時(shí)，應(yīng)該注重教學(xué)模式的使用，“5E”教學(xué)模式是一個(gè)不錯(cuò)的選擇，目前國(guó)內(nèi)外還有一些基于不同理念設(shè)計(jì)的教學(xué)模式，如“6E”教學(xué)模式、UIRDE模式、QIEIE模式。教師可以根據(jù)具體課程情況選擇或改進(jìn)教學(xué)模式，保證STEM教育的實(shí)施。