美國STEM教育案例中的“5E”教學模式的分析及啟示

顧文佳 曹志江

摘要：介紹了3個美國優(yōu)秀的STEM教育案例，從兩個角度分析了3個案例所采用的“5E”教學模式，分別是“5E”教學模式適用于STEM教育的原因以及“5E”教學模式對促進學生STEM素養(yǎng)形成的影響。

關(guān)鍵詞：“5E”教學模式 STEM教育

中圖分類號：G633.91 文獻標志碼：B

STEM是科學（Science）、技術(shù)（Technology）、工程（Engineering）和數(shù)學（Mathematics）的簡稱。STEM教育強調(diào)各學科內(nèi)容自然融合成整體，而非簡單疊加，關(guān)注科學知識的掌握、高階思維的培養(yǎng)、素養(yǎng)能力的具備及科學態(tài)度的養(yǎng)成。美國STEM教育經(jīng)過多年的發(fā)展，已經(jīng)形成了一套成熟的體系，能為其他國家提供借鑒和參考。下面以3個美國優(yōu)秀的STEM教育案例為例，進行分析。

1STEM教育案例介紹

1.1案例一：抓錯了魚

1.1.1案例背景及需要解決的問題

兼捕已成為維持漁業(yè)可持續(xù)發(fā)展和保護瀕危物種的一個世界性挑戰(zhàn)。兼捕是漁業(yè)中的常見現(xiàn)象，指在捕撈目標生物時，對非目標種類生物的附帶捕獲。

本案例的主要目的是讓學生為金槍魚捕撈業(yè)中的兼捕問題設計一個解決方案，并將此解決方案應用于現(xiàn)實生活。

1.1.2教學過程

在本課程中，學生以小組為單位，設計、測試解決兼捕問題的方案。學生使用數(shù)據(jù)來優(yōu)化設計，并考慮模型的現(xiàn)實可行性。課程采用“5E”教學模式，包括吸引、探究、解釋、遷移以及評價5個教學環(huán)節(jié)。

①吸引階段——引入“兼捕”的含義及其對漁業(yè)可持續(xù)發(fā)展的影響：學生通過模擬捕撈的活動、閱讀相關(guān)資料，討論兼捕的含義及影響，比較不同漁具、捕魚方式對兼捕的影響。②探究階段——設計、測試和優(yōu)化模型：學生設計、測試解決兼捕問題的方案，使用數(shù)據(jù)優(yōu)化“新型漁網(wǎng)”設計。③解釋階段——分享和討論：學生展示最終模型，分享設計和優(yōu)化模型的過程，并選出最佳設計方案。④遷移階段——考慮最佳設計方案的現(xiàn)實可行性，拓寬解決兼捕問題的思路：學生基于現(xiàn)實的限制條件，考慮最佳設計方案的現(xiàn)實可行性、實現(xiàn)方式及其他解決兼捕問題的切入點。⑤評價階段：評估學生對兼捕問題以及漁業(yè)可持續(xù)發(fā)展的評價和觀點。

1.2案例二：冠狀動脈無小事

1.2.1案例背景及需要解決的問題

此案例主要研究心臟。冠狀動脈為心臟提供營養(yǎng)，阻塞時會誘發(fā)心肌梗死。冠狀動脈支架植入術(shù)能夠?qū)⒀苤Ъ苤踩氲阶枞墓跔顒用}中，保持其管腔的開放。

美國《新一代科學教育標準》（NGSS）認為工程實踐和科學內(nèi)容的學習不可分割。此案例運用冠狀動脈支架植入術(shù)，為學生提供參與工程實踐的機會，加深學生對科學內(nèi)容的理解。

1.2.2教學過程

在此案例中，學生將血管支架植入到模擬的阻塞冠狀動脈中，恢復管腔開放。課程采用“5E"教學模式。

①吸引階段——引入冠狀動脈支架植入術(shù)：學生了解冠狀動脈支架植入術(shù)能夠有效修復堵塞動脈，并了解相關(guān)知識，明確項目目標和限制條件。②探究階段——開展頭腦風暴，設計、制作、測試和重新設計：學生頭腦風暴，設計如何清理阻塞的冠狀動脈的方案;并以自制的堵塞“冠狀動脈”為材料，實施和測試設計方案，并改進優(yōu)化。③解釋階段——分享和討論：小組展示最終方案及改進過程，組間討論、分析各組優(yōu)缺點。④遷移階段——考慮設計方案的現(xiàn)實可行性：學生進一步思考其設計方案在真實手術(shù)中是否可行，例如斑塊能否移動、手術(shù)時長問題、從血管兩端同時手術(shù)是否合理等。⑤評價階段：學生制作海報或撰寫報告，呈現(xiàn)最終方案，教師進行總結(jié)性評價。

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題

DNA是生物體遺傳信息的攜帶者，但由于分子很小，導致相關(guān)教學開展較困難。

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

1.3.2教學過程

課程采用“5E”教學模式，通過層層遞進的步驟引導學生學習。

①吸引階段：學生了解DNA在現(xiàn)代社會問題解決中的應用、基因變異導致疾病等，對DNA產(chǎn)生興趣。②探究階段：學生開展DNA提取實驗，直觀感受DNA的客觀存在，并自主學習DNA的組成和結(jié)構(gòu);在教師組織下，參與DNA身體建模活動，強化對DNA的認識。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、堿基互補配對、DNA反向平行的特點。④遷移階段：新知活用，學生使用毛條玩具自主制作DNA模型。⑤評價階段：學生進行口頭測試或紙筆測驗，教師進行評價或?qū)W生互評。

2教學模式分析

從教學模式的角度，分析“5E”教學模式適用于STEM教育的原因以及“5E”教學模式對促進學生STEM素養(yǎng)形成的影響。

2.1“5E”教學模式適用于STEM教育的原因分析

STEM教育一般基于工程設計來進行教學設計。以上3個STEM教育案例均以工程設計作為課程的抓手。學生在工程設計中，自主進行科學探究，潛移默化地提高STEM素養(yǎng)。基于“5E”教學模式，學生能夠更有效地開展工程設計。表1展示了“5E”教學模式各步驟與工程設計過程的對應關(guān)系。

“吸引”環(huán)節(jié)，學生產(chǎn)生興趣，發(fā)現(xiàn)問題，確定工程設計的目標及限制因素。如案例二中，在“吸引”環(huán)節(jié)，開展心臟解剖實驗，播放機器人微創(chuàng)手術(shù)視頻，了解冠狀動脈阻塞的后果及血管支架手術(shù)。當面對模擬堵塞冠狀動脈時，確定目標為取得動脈最大血液流量，限制條件為防止斑塊流動到其他位置，危害病人健康。“探究”環(huán)節(jié)中，學生廣泛搜集信息，研究和開發(fā)可能的設計方案。建立模型在工程設計中非常關(guān)鍵，模型能夠使設計者更好地掌握設計問題特征，分析解決方案要素，預測設計效果，指導解決方案開發(fā)。測試模型得到的數(shù)據(jù)，可用來優(yōu)化設計。如案例一中，學生制作減少兼捕的物理模型進行捕撈，記錄及分析模擬捕撈的數(shù)據(jù)，改進模型。在“解釋”環(huán)節(jié)，學生論證設計方案的可行性，分享交流。如案例二中，學生測量“血液”（水）通過透明塑料管所需時間，用客觀數(shù)據(jù)證明設計方案的可行性。在“遷移”環(huán)節(jié)，學生依據(jù)現(xiàn)實因素、用戶需求等，選擇最優(yōu)設計解決方案。如案例一中，學生考慮現(xiàn)實因素，如成本、安全性、制作難度、可靠性等，選擇最佳設計方案。在“評價”環(huán)節(jié)，學生交流與反思，以多種方式從多維度評價。3個案例中，評價都是貫穿于整個課程，教師、學生共同評價。

綜上所述，“5E”教學模式的各步驟與STEM教育中工程設計的過程相輔相成，因此“5E”教學模式適用于STEM教育。

2.2“5E”教學模式對促進學生STEM素養(yǎng)形成的影響分析

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

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

教師采用5E教學模式開展STEM教學，可以在各個環(huán)節(jié)培養(yǎng)學生的STEM能力和思維。例如，“吸引”環(huán)節(jié)，如案例一中，模擬捕撈后，教師提出問題，促進學生思考，培養(yǎng)學生的問題分析能力和善于思考的科學思維?！疤骄俊杯h(huán)節(jié)，案例一、二學生搜集信息，研究和開發(fā)可能的設計方案，建立、測試和優(yōu)化模型的過程中，相關(guān)能力在無形中具備。探究時，學生綜合運用多學科知識、用工程的眼光解決問題、靈活運用模型、進行認真嚴謹?shù)膶嵶C，分別發(fā)展了跨學科思維、工程思維、建模思維及科學思維?！敖忉尅杯h(huán)節(jié)，學生分享設計方案，證明方案的可行性，發(fā)展了交流協(xié)作能力、語言表達能力等，提高了科學思維，具有實證意識。“遷移”環(huán)節(jié)，學生考慮現(xiàn)實因素優(yōu)化設計，挑選最佳設計方案，需運用各項能力和思維來綜合考量，期間各項能力和思維得到提升?！霸u價”環(huán)節(jié)，學生客觀分析和判斷，反思自身不足，有針對性地進行修正和提高，鍛煉分析判斷能力、反思能力等以及科學思維。

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

綜上所述，“5E”教學模式適合應用于STEM教育中，它能夠保證STEM教育的開展，從而全面提高學習者的STEM素養(yǎng)。

3對我國生物學教學的啟示

我國生物學教學發(fā)展STEM教育時，應該注重教學模式的使用，“5E”教學模式是一個不錯的選擇，目前國內(nèi)外還有一些基于不同理念設計的教學模式，如“6E”教學模式、UIRDE模式、QIEIE模式。教師可以根據(jù)具體課程情況選擇或改進教學模式，保證STEM教育的實施。