STEM教育中6E设计型学习模式在高中生物教学中的应用

徐建

摘要 通過构建STEM教育的情景整合模型框架，指出6E设计型学习模式是生物学教学融入SrIEM教育比较合适的形式，并以“加酶洗衣粉的洗涤效果”为例，给出了具体的课程设计案例，以期为更多的案例研究提供参考。

关键词 STEM教育 6E设计型学习模式 高中生物

中图分类号C633. 91

文献标志码B

STEM是Science（科学）、Technology（技术）、Engi-neenng（工程）、Mathematics（数学）的简称，最早由美国国家科学基金会（NSF）于20世纪90年代提出，旨在将原本分散的科学、技术、工程、数学4门课程集合成一个新的整体。这个整体不是四要素的简单相加，而是把学生学习到的某一学科（尤其是理科）的零碎知识与机械工程相结合，让学生体会知识间的相互联系，强调在“杂乱无章”的学习情境中提升学生的设计能力、合作能力、问题解决能力和实践创新能力。STEM教育更注重科学与工程学实践的结合，对学生实践能力的要求更高，这也是21世纪高素质创新性人才所必备品格和关键能力。

1 STEM教育的整合性理念

STEM教育将原本分散的4门学科（科学、技术、工程、数学）集合成一个整体。其整合过程也是随着STEM教育运动的发展和推进而逐渐发展起来的。教育者逐渐认识到“整合”的重要性，并提出了STEM教育整合性理念，该理念强调在真实情境中培养学生设计与解决问题的能力。摩尔和史密斯在其研究中提出了STEM教育的两种模式：①情境整合（context in-tegration），意在将工程设计当做科学和数学教学中的学习情境和动力要素。其中，工程设计并不是学习目标，而是一种教学方法，用以加强学生对知识的联结和掌握;②内容整合（ context integration）重点将工程设计看作是学习目标之一，将相关的工程知识与科学和数学知识进行整合。从目前基础教育的教学现状和教学目标设置来看，将工程技能定为教学目标尚有一段距离，因此情境整合应成为实施STEM教育的主要参考模式。

2 融入STEM教育理念的生物课程设计

2.1 6E设计型学习模式

6E设计型学习模式最早是由美国国际技术与工程教育学会（ITEEA）于2010年提出，该模式结合了“科学探究”的思维和“工程设计”的实践，让学生在“重要了解”和“需要做”的过程中感知和洞察真实情景中的问题，解决挑战性任务。该模式是落实STEM教育整合性理念的有效设计模式。6E模式表现为参与（Engage）、探索（Explore）、解释（Explain）、工程（En-gineer）、深化（Enrich）、评价（Evaluate）这六个环节。下面以“加酶洗衣粉的洗涤效果”这一节为例，具体阐述6E模式在生物教学中的应用。

2.1.1参与

参与指以真实情境为导入，激发学生的兴趣和动机，提升他们的学习参与度。教师从社会生活情境引入，以某洗衣连锁店准备采购一批洗衣粉作为洗衣用品作为教学背景，引起学生注意，激发学生兴趣。教师假设这个洗衣店需要采购一批高效环保的新产品作为选择对象，请学生设计几组实验以确定对于污染程度相同的衣物使用不同洗衣粉后所需洗衣粉用量的变化情况，从而来采购更高效的产品。这种以社会生活为情境背景的教学设计，提高了学生课堂参与的积极性。

2.1.2 探索

探索指为学生提供构建自我知识体系，开展基于问题或项目的研究。本课题中，主要探究关于加酶洗衣粉的以下问题：①普通洗衣粉和加酶洗衣粉对衣物污渍的洗涤效果有什么不同？②在什么样的温度下使用加酶洗衣粉效果最好？③添加不同种类酶的洗衣粉其洗涤效果有哪些区别？教师利用这三个问题引导学生思考并设计相关探究实验，根据实验数据进行分析。

2.1.3 解释

解释给予学生反思、解释、修改和精细化所学知识的机会。在本课题中，很多学生忽略了科学探究是一个严肃和严谨的过程，简单地认为洗涤时间、洗涤效果和温度都是显而易见的。刚开始探究实验时，很多学生粗略地设计了一些实验，导致无法得出确切的结论;一些学生没有意识到控制变量对实验的重要性，如水量、搅拌次数和力度等，从而大大降低了实验的精确性;还有一些学生在设计温度时，只有冷（0℃）和热（90-100℃）之分，既不符合生活中的实际情况，也无法得出正确的实验结论。针对上述出现的种种问题，笔者并没有急着去纠正这些问题。而是引导学生自己想办法寻求解释或解决。教师引导学生分析前期试验设计和实验过程，由学生自己来描述问题，并解释出现这些问题的原因以及避免这些问题的措施。学生经过激烈的讨论，对前期出现的问题都提出了解决办法，各小组修改自己的实验设计方案，并对实验中用水量、水温设置、洗衣粉加入量、污渍大小、搅拌时间和力度等进行了探讨，重新设计和完善了实验方案。学生经历了这一过程，对科学探究了有了深入的认识。这时，教师可以进一步总结：科学的探究过程应严格考虑控制实验变量，同时要结合生活实际，考虑实验设计的逻辑性和现实性。

2.1.4工程

工程指向学生提供将所学知识和技术应用到实践中的机会，使学生更加深入了解问题的核心。此过程包括可能的装置的设计和测试。在本课题的第二课时开始时，各小组根据第一课时各小组修改的实验方案，重新进行实验操作。在实验过程中，针对实验变量的控制，学生动手实践改进实验操作过程，除了选用的洗衣粉不同外，洗衣粉用量、水温、水量、布料污染度及材质保持一致外，洗涤相同时间后，布料上的污染度发生了变化，统计测量结果，得出去污百分比，说明加酶洗衣粉的洗涤效果好于普通洗衣粉。在此基础上，学生继续探究洗涤的最适温度以及洗衣粉的用量问题。学生探讨设置梯度温度，如20℃、25℃、30℃、35℃、40℃等不同的温度，在保持其他变量不变的情况下找出最适温度，并以同样的方法找出最合适的洗涤用量。在学生实验讨论的基础上，教师提出问题：根据实验结论与所学知识，请思考在工业流水线上如酒店、饭店、洗衣店等需要大规模洗涤物品的地方，应如何根据本节课所得数据，设计相关生物工程实验。教师给出在大规模流水化洗涤衣物时对洗衣粉用量及洗涤温度应如何设定和控制的意见，引导学生课后收集相关资料，设计工业化洗涤的合理方案。

2.1.5 深化

这一环节让学生对所学知识进行深度探索，通过工程概念在复杂问题中的应用实现知识和技能的迁移。本课题中，针对上一节课提出的大规模流水线洗涤衣物的实验方案设计，有一些小组设计时既考虑了洗衣物量的问题，又考虑洗涤机器的功效等。这说明学生已经将学科知识与工程化过程结合起来，各小组面向全班展示自己小组的设计方案，同时结合生产生活实际，与其他小组进行讨论比较，全班分享交流成果并总结所分析讨论的结果。在此基础上，教师还组织了实地去调研某一洗衣店和酒店场所的洗涤衣物所采取的具体措施和方法，让学生实地调研后结合实验设计给这些洗衣店和酒店提供更合理化的建议。

2.1.6 评价

评价是指依据评价标准，教师和学生一起对学习的效果进行检测。对于这一课题研究的评价，教师可以采用过程性评价和目的性评价相结合的方式。在结合通过纸质测试方式的同时，教师要考虑学生在设计实验方案、操作实验过程和小组交流分享过程中的表现，给予恰当的评价。此外，也要考虑和引入组内互评和学生个体自评的方式，将评价的功能真正体现在鼓励学生发现和思考问题，也让他们更好地感知科学、技术、工程和数学之间的密切联系，帮助他们更全面地掌握和运用知识。

2.2 6E设计型学习模式对生物教学的启示

将STEM教育理念整合到中学生物学教学中是《普通高中生物学课程标准（2017年版）》中提出的教学必然趋势。STEM教育不仅是一种整合性的教育理念，也是一种课程设置的趋势，更是一种教学方式的革新。6E模式有效地将生物学和工程学、数学等其他学科有机整合，实现跨学科领域的培养方式的转变，同时扩充延伸与其他学科或现实生活有关的实验课题，增强了学生学习兴趣与动手探究的能力。6E设计型学习模式的6个环节并不是截然分开的，而是互有包含，因此在实际教学过程中不一定要拘泥于6个环节，要根据不同的課程与章节而采取灵活运用的手段和教学设计，这样才能更有效地体现STEM的教育理念。

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