基于5E教学模式的机能实验学教学实践
--以家兔呼吸运动调节为例

周 华 方 琼 姜文涛

安徽医学高等专科学校基础医学院生理学教研室 安徽合肥 230601

医学机能实验学是整个医学教学过程中不可缺少的桥梁课程,它通过基本知识技能、基础性实验、综合性实验、设计性实验的“四阶段递进式”教学体系,目的是使学生掌握动物或人体的机能活动规律及其在病理状态或药物干预下的变化,有助于帮助学生理论联系实际,提高学生综合科学素质,培养学生创新意识和能力,主动构建科学的知识体系等[1]。

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在传统的课堂教学中,授课教师首先对实验目的、实验原理及实验操作步骤进行简单介绍,组织学生观看实验教学视频;之后,将学生分组进行实践操作,学生通过“菜谱式”实验操作流程进行操作;课后,学生按要求书写实验报告。在这样的课堂教学模式下,实验成功率较低,学生无体验感、参与感及成就感。另外,即使实验成功,学生也是“知其然而不知其所以然”,不知实验基于什么样的原理,不知如何解释出现的实验结果,不知做这样的实验有什么实际意义,学生对整个实验知识体系建构效果较差。在这样的教学模式下培养出来的大学生不能适应社会需要,学非所用,这与培养高水平的医学专业人才背道而驰。

教学方法对于促进有意义的学习和消除误解具有重要意义[2]。5E教学模式是由美国生物科学课程(BSCS)研究者于1987年开发的一种科学教学和学习方法。5E教学模式是一种基于建构主义方法的教学模式,它促进了概念上的变革,它包括五个环节:吸引(Engagement)、探究(Exploration)、解释(Explanation)、迁移(Elaboration)、评价(Evaluation)。每个环节都有一个特殊的功能,总体目标是帮助教师提供连贯的指导,并帮助学习者参与适当的活动,以促进学生更好地理解和保留科学知识[3]。

一、教学内容分析及思路设计

“家兔呼吸运动调节”属于机能实验中较为复杂的一个实验项目,理论性较强,操作步骤复杂。

知识目标:掌握血液PO2、PCO2、H+浓度变化对呼吸运动的调节。

教师:通过雨课堂发起讨论,人在高海拔地区,为什么呼吸急促,甚至呼吸困难?

素养目标:通过实践操作,培养严谨求实的科研态度;通过学习,深刻理解机体内、外环境紧密相连,“绿水青水,就是金山银山”;帮助学生树立正确的世界观,“同呼吸,共命运”。

该实验对大学一年级的医学新生来说是个极大的挑战。我们采用5E教学模式(图1)对本节内容进行教学设计,探讨如何帮助学生构建知识体系,主动、快速地掌握本节知识,并能用所学知识解决新的问题。

图1 基于5E教学模式的教学思路

二、5E教学模式的教学设计

5E教学模式将整个教学过程分为课前(pre-class)、课中(in-class)和课后(after-class)三个部分,通过5E学习周期进行教学。

(一)环节一 吸引(Engagement)

吸引,5E学习周期的起始环节。目的:设置情境,促进好奇心,激发学习欲望。

[教师活动]:课前开放“家兔呼吸运动调节”虚拟实验平台,给每位学生分配账号和密码,课前通过雨课堂发放实验操作视频。

单因素试验数据处理使用Excel 2016、Origin 8.5软件进行，差异显著性分析使用DPS 9.5软件进行，P<0.05有统计学意义，中心组合法试验数据处理使用Design Expert 8.0.5 软件进行。

响应谱分析一般作为结构的抗震分析，在得知当地的地震响应谱曲线后，根据结构进行抗震计算，计算结构在指定的地震加速度曲线下是否存在较大的应力、弯矩及位移，从而通过对结构进行局部的加强来增加结构的稳定性。

解释,5E学习周期的关键环节。目的:教师引导,解决疑难困惑。

[学生活动]:学生结合日常生活现象,进行总结,并通过教材、网络查找资源,积极参与讨论。

[教师活动]:通过雨课堂发放短视频,向学生展示人在安静时,剧烈运动/劳动时,疾病状态(如支气管哮喘)时,呼吸运动的情况(呼吸频率、胸廓起伏的幅度及其他表现)。发起讨论:在不同的生理或病理情况下,呼吸运动形式发生什么样的变化?影响呼吸运动的因素有哪些?

[教师活动]:教师概述整个实验流程:动物准备,仪器准备,搭建实验平台→记录正常呼吸运动→观察实验项目→记录实验结果→分析实验现象→书写实验报告(图2);将学生分小组,提供所需的实验仪器;强调实验注意事项。并要求学生观察并总结以下问题:家兔呼吸运动形式发生怎样的变化?该实验证明有哪些因素影响呼吸运动?教师引导和促进学生思维。

[学生活动]:根据已学知识,在移动学习平台积极参与讨论。

根据计算目的的不同，可结合工程实际灵活选取，一般选取实测大坝最大横断面；已形成变形破坏的，则在相应破坏坝段内进行选取，即选取已出现裂缝或滑坡的坝段横断面进行分析计算。计算断面边界、材料分区根据地质勘探揭示的地层界线、原设计资料以及实测的断面数据确定。

设计意图:先验知识(prior knowledge)的激活在记忆更新中起着关键作用。激活先验知识是触发动机原因导致的概念变化的关键[4]。当学习者意识到他们不能用当前的概念来解释新问题时,产生认知冲突,基于好奇心,激起学生的学习欲望,为小组讨论和合作学习提供了有趣的机会,并能导致更富有成效的教学和学习环境。参与阶段,旨在提供一个激励性推动。

(二)环节二 探究(Exploration)

探究,5E学习周期的中心环节。目的:合作探究,探索知识和技能。

在封建社会当中，女性的地位一直非常低下，她们的一言一行通常都受到整个社会的制约，封建思想将她们变成奴隶，强迫她们服从，无论是她们的婚姻、感情还是生命，都很大程度上受到封建思想的束缚。祥林嫂原本是一个淳朴善良的女子，她只想在社会当中寻一处安身之所，本本分分地过自己的生活，但是残酷的社会现实连这样的机会都不给她，一步步将她逼上死路。祥林嫂年轻时也曾反抗过，但渐渐开始迷茫，开始将自己所有的遭遇归结于命运。

图2 家兔呼吸运动实验流程

[学生活动]:认真记录实验流程,理清逻辑;组内成员协商进行工作分配;检查器械、试剂的完整性;按照实验流程进行探究,记录实验结果,讨论机制;总结教师提出的问题。

设计意图:探究阶段为学生提供通过从新的经历和观察中推断并重新建构概念的机会;为学生提供基于自身的理解提出新的解释,并进行实证检验的机会;为学生提供抓取与学习目标相关的特殊信息的机会。当学生被提示以有意义的方式连接信息时,学生可以更好地学习和记忆。在此过程中,教师仔细地指导和广泛地引导,确保学生通过建立彼此的知识,通过提出问题进行解释,通过推动团队实现其目标的途径,互相帮助解决问题。探究阶段,旨在促进学生的先验知识和需要学习的新信息之间的联系[5]。

(三)环节三 解释(Explanation)

[教师活动]:通过雨课堂,发起讨论--呼吸的意义?呼吸的过程是什么?呼吸过程的起始环节是肺通气,肺通气的动力是什么?

[教师活动]:让各实验小组对实验结果进行整理、实验组结果与正常呼吸运动曲线对比并分析,各小组派代表说明呼吸运动曲线发生什么变化?让学生思考为什么各实验组呼吸运动曲线发生变化,并派出代表基于所学的知识以及课前查找的资料进行解释?

[学生活动]:各实验小组整理实验结果,观察实验组与正常呼吸运动曲线区别,讨论呼吸运动变化机制。小组代表发言回答问题,其他同学进行补充。

[教师活动]:教师点评学生的回答。向学生解释呼吸运动调节的化学感受性反射,血液中PO2、PCO2、H+浓度引起呼吸运动发生改变的机制;肺牵张反射的途径。

[学生活动]:学生认真听讲,记录笔记,整理各实验组呼吸运动曲线发生变化的机制。

设计意图:当学生理解新信息的必要性及与他们探索的实践相关时,及时的解释可以促进知识构建,使其能够在相关环境中使用。在解释阶段,为教师提供直接和正式介绍这些概念的机会,以有利于检索的方式帮助学生组织他们的新知识[6]。

乳腺癌是我国女性高发的恶性肿瘤之一，目前临床上以手术、放疗、化疗、内分泌治疗、生物靶向治疗等作为治疗乳腺癌的重要手段。虽然乳腺癌的治疗水平日益提高，但其死亡率仍居高不下。而导致乳腺癌患者病情恶化和预后不良的主要原因就是肿瘤转移。可以预见的是：有效抑制乳腺癌转移，可以提高治疗效果，延长生存时间。随着免疫治疗的逐渐兴起，本课题组希望筛选特异性表达在乳腺癌细胞上、且与乳腺癌转移密切相关的抗原作为靶点，开展免疫攻击治疗，从而达到抑制乳腺癌细胞浸润和迁移的目的。

(四)环节四 迁移(Elaboration)

迁移,5E学习周期的应用环节。目的:进一步参与活动,应用/拓展知识和技能。

[学生活动]:学生登录“家兔呼吸运动调节”虚拟实验平台,反复操作,尤其关注较难操作步骤,预测可能出现的实验结果,观看实验操作视频,熟悉操作步骤。

能力目标:掌握家兔耳缘静脉麻醉、气管插管、迷走神经分离术;呼吸运动曲线的描记;正确解释呼吸运动变化机制。

1.4 统计学分析 采用SPSS 13.0统计软件包进行数据分析。计量资料采用均数±标准差表示，采用t检验，率的比较采用χ2检验，P<0.05为差异有统计学意义。

学生:应用所学的知识,分析机制,绘制自己的思维导图,在移动学习平台积极讨论。

设计意图:要求学生应用他们所学的概念和程序在新的环境下解决新问题。迁移阶段,为学生提供了将他们的新知识转移到广泛环境的机会,在这里,这些新概念将有机会证明它们是“富有成效的”。让学生暴露在多种环境中促进更深层次的理解。迁移阶段,旨在让新知识被保留并转移到新的情况中。

(五)环节五 评价(Evaluation)

评价,5E学习周期的反馈环节。目的:评估学习,提供及时反馈;检索记忆,加强学习。

李琼等［26］用样品 10 g，萃取压力 25 MPa，温度60℃，配合剂二乙氨基二硫代甲酸钠2 g，萃取时间3 h，带剂乙醇用量10 mL，铜、铅、砷离子的脱除率为53%～60%，萃取后重金属的量可达到美国FDA标准。

教师:组织设计与本学习内容相关的测试题,课后通过雨课堂发放至移动学习平台。

在科拉科夫斯基看来，所有可能的认识对象都限制在实践的范围之内，幻想摆脱实践关系而认识“纯粹的自我”或“纯粹的‘外物’”，这根本是不可能的。因此，离开实践而谈论思维的现实性或非现实性是无意义的虚假问题。“实践功效不是用以证实知识之独立于人的真理性的工具，而是创造真理的东西。”[10]实践是构成真理概念的因素。

2.3 艾滋病相关行为 不同职业间最近一次与配偶或同居者发生性行为时使用安全套的比例差异有统计学意义（P＜0.05），建筑工人的最低，餐饮宾馆服务从业人员的最高。三种职业流动人口发生商业性行为、临时性行为、肛交行为、吸毒的比例以及发生高危行为时安全套的使用比例、出现性病症状会到医院接受正规治疗的比例差异均无统计学意义（P＞0.05），见表1。

学生:通过所学知识认真答题,加深记忆。

设计意图:5E教学模式的目标是促进具有理解性的学习,设计相应的评价活动,了解学生是否真正理解是必须的。评价阶段为学生提供利用他们所获得的知识,评估自己是否理解的机会。评价阶段,旨在评估学习,提供及时的反馈;检索记忆,加强学习[7]。

结语

与接受传统教学的学生相比,接受5E教学模式的学生对概念理解的正确反应显著增加[8]。研究表明,5E教学模式是有效的,因为它遵循以下原则[9]:(1)学习者应该要解决现实世界中的问题;(2)在先验知识基础上激活新知识;(3)新知识被展示给学习者,而不是被告知;(4)新知识被学习者应用;(5)新知识整合到学习者的世界中。学生得到时间、提示和机会来深入参与学习对象,促进先验知识和新的知识之间的联系;它基于建构主义的学习理论,学生从亲身经历中建构知识。

传统的以讲座为基础的教学方法形成将记忆等同于学习的认知,而5E教学模式是基于一个自然的探究过程,人们探索资源来解决手头的问题,它促进学生主动学习,促进同伴辅助学习,这些都已被证明可以提高学生在多个学科的表现[10]。