运用5E教学模式发展学生生物学学科核心素养的策略与路径

马建兴

摘要 结合教学实践，探讨如何在课堂教学中合理运用5E教学模式发展学生的生物学学科核心素养的策略与路径，最终达成促进学生核心素养形成与发展的教育愿景。

关键词 5E教学模式 核心素养 生物学学科核心素养 概念教学 教学策略

中图分类号 G633.91

文献标志码 B

1 问题的提出

5E教学模式是美国生物学课程研究所（BSCS）开发出的一种基于建构主义教学理论和概念转变理论的教学模式，在科学教育领域受到了高度的关注。5E教学模式包括引入（engage）、探究（explore）、解釋（ex-plain）、精致（elaborate）和评价（evaluate）5个环节。“核心素养为宗旨，内容聚焦大概念”是《普通高中生物学课程标准（2017年版）》（以下简称《课标》）的两大理念。学科核心素养是学科育人价值的集中体现，生物学学科核心素养包括生命观念、科学思维、科学探究和社会责任。在科学教育领域，“大概念”是指在一个学科领域中最精华、最有价值的内容。科学教育课程应尽可能用“大概念”来统整学科知识。这里的“大概念”包括学科核心概念和跨学科的共通概念。生命科学领域的大概念包括“从分子到生命体：结构和功能”“生态系统：相互作用、能量和动力”“遗传：性状的传递和变异”“生物进化：统一性和多样性”4个方面。

那么，在高中生物学课程实践中，如何合理运用5E教学模式，发展学生的生物学学科核心素养呢？下面结合具体实践，谈谈笔者的看法。

2 合理运用5E教学模式，发展学生生物学学科核心素养的策略与路径

生物学学科核心素养是核心素养在生物学课程中的具体体现，是联系核心素养与课程实践间的纽带，也为教学策略的选择指明了方向。

2.1 巧用5E教学模式，凝练生命观念

生命观念是指对观察到的生命现象及相互关系或特性进行解释后的抽象，是人们经过实证后的观点，是能够理解或解释生物学相关事件和现象的意识、观念和思想方法，也可指系统观、生态观、进化观与适应观，以及生命的复杂性、独特性、多样性与统一性，而非专指“结构与功能观”“进化与适应观”“稳态与平衡观”“物质与能量观”。概念具有抽象性的特点，很多时候学生可能了解一些具体事例，但对抽象的概念往往难以理解掌握。教学中，教师可以充分利用5E教学模式，合理创设引入环节的问题情境，激起学生对前概念的怀疑与不满，激发学生的探究兴趣，同时也是修正前概念的基础。后续的解释和精致环节，通过对相关事实、证据进行归纳与概括、演绎与推理、模型与建模，促进概念转变，建构科学概念;再通过对不同的学科核心概念及跨学科核心概念的归纳与概括、演绎与推理，帮助学生形成诸如“生物体的结构与功能是相适应的”“物质循环中伴随着能量流动，存在多向的信息传递”“生物是进化而来的，是长期自然选择的产物，能适应环境，也会影响环境”“生命具有复杂性，同一生命现象可能存在不同的机理及原因”等生命观念。

《课标》要求学生“能够用生命观念认识生物的多样性、统一性、独特性和复杂性，形成科学的自然观和世界观，并以此指导探究生命活动规律，解决实际问题”。这就意味着基于素养立意的生命观念，不仅是要掌握“是什么”的事实性知识以及“为什么”的概念性知识，还要掌握“怎么做”的程序性知识，在此基础上，凝练概念形成生命观念，能用生命观念认识生命世界，解释生命现象，并运用生命规律和原理解决真实生活中的劣构问题。

例如，在“物质跨膜运输的实例”一节的教学中，在“引入”环节，教师可以向学生展示渗透系统的模型及相关实验现象——长颈漏斗内液面逆重力势能上升——这与学生原有生活经验之间出现了强烈的认知冲突。继而，分别以“纱布”“半透膜”“蛋壳膜”等为实验材料，探究渗透作用与膜的关系，并采用“功能一结构一材料”的思维方法解释渗透现象的机理，以帮助学生地更好理解渗透系统的作用条件和原理，建构渗透作用的概念，这就是“探究”和“解释”环节。在“延伸”环节，教师分别以哺乳动物成熟红细胞以及紫色洋葱鳞片叶外表皮细胞作为实验材料，引导学生探究动、植物细胞的失水和吸水的机理。学生在设计实验、实施操作、观察现象、分析数据、得出结论的过程中，进一步理解了细胞渗透作用吸水、失水的原理，即存在原生质层，在原生质层两侧存在溶液的浓度差。这样可以使学生进一步明确“生物体的结构是与其功能相适应”的这一生命观念。在“评价”环节，学生选择材料构建渗透模型的过程有利于其进一步理解STEM的“材料一结构一功能”相统一的思想，进而有助于学生学会运用生命观念去分析、解释具体的生命现象，发展自我认知以及对世界的认知。

实践表明：正确运用5E教学模式，是能促进对概念群的建构聚合与理解的，并通过归纳与概括、演绎与推理、模型与建模等科学思维方法，促进生命观念的形成与发展。

2.2 活用5E教学模式，助推科学思维发展

科学思维是出于“崇尚真知，追求科学知识、原理和方法”的认知动机，基于事实和证据基础上的认识事物、解决问题的习惯及方法，需要思维者采用“正确的逻辑分析和推理”，运用质疑和批判的精神去认识事物与事物间的联系，进而建构科学概念，凝练生命观念。科学思维应聚焦于“怀疑是审视的出发点，实证是鉴别的尺度，逻辑是辩论的武器，是科学的美”。中学生物学课程中主要的科学思维方法是逻辑思维，包括比较与分类、归纳与演绎、分析与综合、抽象与概括、批判性思维，是形成概念、建构模型的重要思维方法。科学思维是形成生命观念的重要途径，也是科学探究的重要组成部分。

例如，在“植物生长素的发现”一节教学中，对于生长素发现过程中的经典实验现象与结论之间关系的探究，就是对学生科学思维的最好训练。为什么在黑暗环境或均匀散射光照条件下的胚芽鞘是直立生长，而单侧光照射的胚芽鞘会向光弯曲生长？为什么切去尖端的胚茅鞘既不生长也不弯曲？为什么用锡箔纸套在胚茅鞘尖端只生长不弯曲？为什么接触过尖端的琼脂块放在切去尖端的胚芽鞘一侧，会向对侧弯曲生长？为什么用单侧光照射透明水槽中水稻的根尖，发会现其背光生长？这些问题的解答均需以事实为证据，通过逻辑推理寻找自变量与因变量之间的因果关系，尝试建立模型，去解释相关实验现象，再通过“不同浓度的NAA对于插条生根的影响”等探究实验形成的结论，最终得出“生长素从产生部位运输至作用部位，产生促进细胞伸长的生理效应，生长素的生理作用具有两重性的特点”的结论，并构建生长素的合成、运输、作用机理及其特点的模型。这种运用科学思维的方法展开生物学问题探讨、审视或论证的过程，形成了真正意义上的深度学习，提升了学生归纳与概括、演绎与推理、模型与建模及批判性思维等科学思维能力水平。

科学思维是形成概念的重要途径与方法，而概念也是一种重要的模型。概念的形成过程就是建立模型的过程。从5E教学模式本身来看，探究、解释和精致的环节中都充分体现了对学生科学思维能力的要求。在探究与解释环节中，需要学生针对特定内容进行探究活动，建立事物之间的联系，运用演绎与推理、模型与建模、批判性思维与直觉等思维方法，概括复杂生命现象背后的一般规律，作出科学合理的解释。精致（延伸）环节则强调让学生运用概念去尝试解决问题或解释新的现象，验证并强化对概念的理解，促进科学思维习惯的养成与能力的提升。

2.3 实用5E教学模式，提升科学探究能力

生物学学科核心素养中的科学探究，要求学生能够针对日常生产和生活中的真实情境，提出明确的、有价值的生物学问题，设计并实施恰当可行的方案，开展探究实践，并运用科学原理、规律和理论阐释实验的现象。这些要求与5E教学模式的理念不谋而合。5E教学模式倡导以学生为中心组织探究性学习活动，尤其是探究和精致两个环节更加注重学生探究性学习的设计与组织。学生要在与自然现象、教师及其他学习者等周围环境因素的互动中，不断修正、重组和细化他们的最初想法。这种互动过程不仅仅是动手活动，更包括动脑思考活动。这正是科学探究的主要形式。

例如，在探究“酵母细胞的固定化实验”一节的教学中，在学生已掌握利用海藻酸钠固定化酵母细胞的基本操作步骤后，在精致环节，教师可引导学生如何通过“误操作”探究实验变量对结果的影响。如，设立海藻酸钠浓度过高、过低，CaCl2浓度过高、过低的材料对照;还可尝试注射器推进过快、滴定液面距离较近的操作对照，通过观察凝胶珠的大小、性状、颜色等特征，以小组形式进行对比分析。这样的活动设计及实施，帮助学生熟练掌握了实验的操作技能，丰富了科学探究的思路和方法，是对学生的发现问题、作出假设、设计实验、实施操作及交流表达等能力素养的全面提升。

科学探究的形式是多样的，除实验探究外，文本分析、模拟实验、科学调查、模型建构等也是科学探究的重要形式，体现了科学探究的一般原则和思路。5E教学模式将“探究”作为学习的关键环节。在探究、精致和解释等环节中，学生或开展实验与实践以获取事实与证据，或收集、分析、整理资料，根据逻辑尝试对生命现象或特定问题进行推理、分析或解释，在合作、交往过程中也在不断锤炼表达和交流的能力。

2.4 利用5E教学模式，助推社会责任意识提升

从教学环节来看，似乎5E教学模式并没有直接促进学生“社会责任”的提升。但生物学学科核心素养的四个方面之间是立体交错、彼此依存而非简单并列的线性关系。某一维度上素养发展将促进其他维度上素养的提升。社会责任是通过生物学概念的学习逐渐渗入到学生的思维和意识之中的，生命观念、科学探究和科学思维是培育学生责任担当意识的“摇篮”，社会责任意识的提升也进一步促进了学生其他三个维度学科核心素养的发展。

例如，在“获得纯净的微生物培养物是发酵工程的基础”这部分内容的教学中，学生通过微生物的分离、培养、纯化和计数实验，认识到：无菌技術除了用来保持无菌物品与无菌区域不被外来微生物污染外，还能有效避免操作者自身被微生物污染：同时，为了避免培养物污染环境，对废弃的培养物必须做灭菌处理及无害化处理，防止微生物的扩散导致生态问题或健康安全问题的发生。了解微生物与人类的关系，正确看待微生物在工农业生产、医疗卫生以及科学研究等领域的价值，不仅有助于理解和掌握微生物的分离、纯化、培养和计数，更有助于提升学生形成正确的价值观。

从5E教学模式的结构来看，其引入和评价环节可以直接融入社会责任要素，而在探究、精致和解释环节中也可间接渗透社会责任意识。在5E教学模式的实践过程中，当学生具备了相应的生命观念以及科学思维、科学探究的能力时，还应该引导学生鉴别并自觉地抵制不良的生活习惯，辨别迷信和伪科学，根据科学知识和正确的价值观作出合理的决策，树立绿色的生态意识和正确的生物学伦理道德观，通过这种“润物细无声”的方式发展生物学学科核心素养，提升社会责任意识。

3 结语

学生的核心素养发展是一个长期、曲折和协同发展的过程。在教学中，教师惟有坚持核心素养为宗旨、教学过程重实践等课程理念，始终将提升学生的学科核心素养而非单一的应试技巧作为课堂教学的目标，始终坚持“以学为中心”，而非“以教为中心”来设计教学，合理运用5E教学模式的各个环节，才能达成发展学生学科核心素养的课程愿景，并发展学生的终身学习能力。

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