基于STEAM教育理念的5E教學(xué)設(shè)計(jì)
——以“DNA的結(jié)構(gòu)”為例

◇安慶師范大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院 李思悅 潘美敬 范志強(qiáng)

本文以“DNA的結(jié)構(gòu)”為例，嘗試采用5E教學(xué)模式，在具體的教學(xué)過程中滲透STEAM教育理念。通過“參與、探究、解釋、遷移和評價(jià)”五個(gè)教學(xué)環(huán)節(jié)，引導(dǎo)學(xué)生形成跨學(xué)科的思維，提升學(xué)生科學(xué)探究能力。

《普通高中生物課程標(biāo)準(zhǔn)（2017版2020年修訂版）》中明確指出教材內(nèi)容的選擇要充分考慮與其他學(xué)科的銜接，這對培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識、綜合素質(zhì)和科學(xué)探究能力提出了新的要求[1]。這與整合科學(xué)、技術(shù)、工程、藝術(shù)、數(shù)學(xué)等多科融合的STEAM教育理念相一致。5E教學(xué)模式是美國生物學(xué)課程研究（BSCS）開發(fā)的一種基于建構(gòu)主義教學(xué)理論的模式，由吸引（engagement）、探究（exploration）、解釋（explanation）、遷移（elaboration）和評價(jià)（evaluation)五個(gè)環(huán)節(jié)組成，因?yàn)槭鬃帜付际恰癊”，所以被稱為“5E”[2]。

在“DNA的結(jié)構(gòu)”一節(jié)的教學(xué)中，教師將STEAM教育理念融入教學(xué)過程中，采用5E教學(xué)模式，設(shè)計(jì)探究活動引發(fā)學(xué)生對DNA的具體結(jié)構(gòu)進(jìn)行探索，從而幫助學(xué)生深入理解生物學(xué)學(xué)科知識，激發(fā)學(xué)習(xí)興趣，全面落實(shí)學(xué)科核心素養(yǎng)。

1 教材分析及學(xué)情分析

本節(jié)是人教版高中生物學(xué)必修二《遺傳與進(jìn)化》第三章第二節(jié)的內(nèi)容，涉及的知識點(diǎn)包括DNA雙螺旋模型的構(gòu)建、DNA的結(jié)構(gòu)和特點(diǎn)等內(nèi)容。其中，DNA結(jié)構(gòu)的主要特點(diǎn)是本節(jié)課的教學(xué)重難點(diǎn)。掌握好本節(jié)內(nèi)容有助于幫助學(xué)生進(jìn)一步理解核酸是遺傳信息的攜帶者、DNA是主要的遺傳物質(zhì)等前期所學(xué)的課程內(nèi)容，同時(shí)又為后面學(xué)習(xí)DNA的復(fù)制、基因指導(dǎo)蛋白質(zhì)的合成、基因表達(dá)等章節(jié)打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)，促使學(xué)生對生命科學(xué)的學(xué)習(xí)實(shí)現(xiàn)從細(xì)胞水平走向分子水平的跨越。

學(xué)生通過前期的學(xué)習(xí)，打下較好的生物基礎(chǔ)。同時(shí)，高二年級的學(xué)生已經(jīng)具備一定的邏輯推理能力，能夠基于相關(guān)的生命科學(xué)史，靈活運(yùn)用模型與建模的方法解決問題。

2 教學(xué)目標(biāo)

基于生物學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)、學(xué)業(yè)要求和學(xué)業(yè)質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)，同時(shí)參考學(xué)生核心素養(yǎng)的要求，制訂了如下教學(xué)目標(biāo)。

（1）分析DNA分子的結(jié)構(gòu)模型，概述DNA的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，解釋該結(jié)構(gòu)與其儲存遺傳信息的功能之間的關(guān)系，形成結(jié)構(gòu)與功能相統(tǒng)一的生命觀念。

（2）通過親手搭建DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)模型，從基本結(jié)構(gòu)到雙鏈結(jié)構(gòu)，最后到空間結(jié)構(gòu)的構(gòu)建，培養(yǎng)學(xué)生形成邏輯思維和模型思維的科學(xué)思維意識。

（3）學(xué)習(xí)科學(xué)家積極探索DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)模型的構(gòu)建歷程，掌握科學(xué)探究的基本過程和方法，提高動手實(shí)踐能力。

（4）通過相關(guān)科學(xué)史的學(xué)習(xí)，感悟科學(xué)發(fā)現(xiàn)離不開科學(xué)合作、多學(xué)科的交叉融合以及科學(xué)家鍥而不舍的探究精神，同時(shí)關(guān)注DNA在生活中的應(yīng)用，積極運(yùn)用科學(xué)知識解釋生活現(xiàn)象。

3 教學(xué)過程

3.1 參與：創(chuàng)設(shè)真實(shí)情境，激發(fā)學(xué)習(xí)興趣

參與環(huán)節(jié)是5E教學(xué)模式的起始環(huán)節(jié)，目的是導(dǎo)入新課。建構(gòu)主義認(rèn)為學(xué)習(xí)是學(xué)習(xí)者新舊知識經(jīng)驗(yàn)之間相互聯(lián)系，最后將其調(diào)整為新的認(rèn)知結(jié)構(gòu)的過程[3]。同時(shí)STEAM教育理論強(qiáng)調(diào)綜合運(yùn)用多學(xué)科的知識解決基于真實(shí)情境中的問題，當(dāng)創(chuàng)設(shè)的情境和學(xué)生原有知識經(jīng)驗(yàn)相關(guān)時(shí)，有利于激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，提升科學(xué)探究能力。

教師播放2004年雅典奧運(yùn)會開幕式的截取片段，展示開幕式中出現(xiàn)的DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)。引導(dǎo)學(xué)生思考：視頻中出現(xiàn)了一個(gè)非常完美的結(jié)構(gòu)，是什么結(jié)構(gòu)呢？而這種結(jié)構(gòu)為什么能夠出現(xiàn)在奧運(yùn)會這樣重要的場合中，具有什么意義呢？學(xué)生思考回答后，教師進(jìn)一步提問：上節(jié)課我們通過幾位科學(xué)家的實(shí)驗(yàn)知道了DNA是主要的遺傳物質(zhì)，那DNA是如何發(fā)揮功能的呢？我們知道結(jié)構(gòu)決定功能，那DNA在起遺傳作用時(shí)對應(yīng)的結(jié)構(gòu)是怎樣的呢？通過觀看具有藝術(shù)美感的視頻，設(shè)置真實(shí)的問題情境，同時(shí)通過問題串銜接新舊知識，引發(fā)學(xué)生對DNA結(jié)構(gòu)的關(guān)注與思考。

3.2 探究：重溫科學(xué)歷程，深入探索實(shí)踐

探究環(huán)節(jié)是5E教學(xué)模式的核心環(huán)節(jié)，也是整個(gè)學(xué)習(xí)過程的關(guān)鍵部分。在這個(gè)階段，學(xué)生處于主體地位，學(xué)生針對具體的問題進(jìn)行探究活動，通過團(tuán)隊(duì)合作和歸納分析，獲得新知。

探究一：構(gòu)建脫氧核苷酸。

教師帶領(lǐng)學(xué)生復(fù)習(xí)必修一中DNA的相關(guān)內(nèi)容：中文名稱、元素組成、基本單位。教師請學(xué)生上臺用身體模擬脫氧核苷酸，并讓學(xué)生說出脫氧核苷酸的基本組成部分。

教師在課前下發(fā)模型教具，白色小球代表磷酸，藍(lán)色小球是脫氧核糖，四種顏色的方塊代表四種堿基，細(xì)棒連接磷酸與脫氧核糖，粗棒連接堿基與脫氧核糖。要求學(xué)生四人為一學(xué)習(xí)小組，用所給材料制作一個(gè)含四種脫氧核苷酸的DNA片段，五分鐘內(nèi)完成。完成后，請小組代表展示并介紹四種脫氧核苷酸的名稱。

探究二：構(gòu)建一條脫氧核苷酸鏈。

教師啟發(fā)學(xué)生思考：我們已經(jīng)知道了一個(gè)脫氧核苷酸如何連接，那兩個(gè)脫氧核苷酸如何進(jìn)行連接呢？教師請學(xué)生自主討論兩條脫氧核苷酸如何進(jìn)行連接，嘗試?yán)檬种械牟牧洗罱ㄒ粭l脫氧核苷酸鏈。小組代表展示搭建成果，各小組之間進(jìn)行評價(jià)，教師進(jìn)行總結(jié)評價(jià)。教師通過類比蛋白質(zhì)之間的脫水縮合反應(yīng)，幫助學(xué)生理解脫氧核糖和堿基之間脫去一分子水，最后形成一個(gè)新的化學(xué)鍵磷酸二酯鍵。通過分組討論、模型構(gòu)建、生生評價(jià)和師生評價(jià)等活動高效突破脫氧核苷酸之間的連接方式這一難點(diǎn)。

探究三：構(gòu)建DNA平面結(jié)構(gòu)模型。

學(xué)生自主閱讀教材，了解科學(xué)家研究DNA分子結(jié)構(gòu)的探索歷程，同時(shí)補(bǔ)充閱讀鮑林等其他科學(xué)家的研究過程。教師請學(xué)生歸納總結(jié)不同的科學(xué)家對于DNA分子的結(jié)構(gòu)的研究的貢獻(xiàn)，感悟科學(xué)研究的精神。

學(xué)習(xí)完相關(guān)科學(xué)史后，教師請學(xué)生思考以下問題：一個(gè)DNA分子由幾條脫氧核苷酸構(gòu)成？假設(shè)你是沃森和克里克，你認(rèn)為DNA的兩條鏈有幾種排列方式？沃森和克里克曾嘗試將堿基位于螺旋外部，磷酸位于內(nèi)部的雙螺旋結(jié)構(gòu)，你認(rèn)為合理嗎？位于DNA內(nèi)部的堿基如何配對，通過什么化學(xué)鍵進(jìn)行配對呢？

教師提示學(xué)生含氮堿基疏水，磷酸基團(tuán)親水，并播放水溶性EGCG擋脂分子無法穿過細(xì)胞膜的動畫，提示學(xué)生可以類比磷脂雙分子層的結(jié)構(gòu)。學(xué)生推測堿基位于DNA螺旋結(jié)構(gòu)的內(nèi)側(cè)，磷酸在外側(cè)。同時(shí)根據(jù)查哥夫的研究推測腺嘌呤和胸腺嘧啶配對，鳥嘌呤和胞嘧啶配對。小組討論交流，嘗試?yán)檬种械牟牧洗罱―NA平面結(jié)構(gòu)模型。學(xué)生自己動手實(shí)踐驗(yàn)證猜想，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。通過學(xué)生模型構(gòu)建和不斷修正的過程，幫助學(xué)生深入理解DNA分子的結(jié)構(gòu)，培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)探究能力。

探究四：構(gòu)建DNA立體結(jié)構(gòu)模型。

小組合作，嘗試制作立體的DNA結(jié)構(gòu)模型，各小組之間進(jìn)行展示和交流。通過親手制作和展示講解，化抽象為具體，學(xué)生直觀地感受DNA立體結(jié)構(gòu)之美的同時(shí)提高了學(xué)生的語言表達(dá)能力。

3.3 解釋：梳理重點(diǎn)知識，培養(yǎng)科學(xué)思維

在解釋環(huán)節(jié)，教師提供學(xué)生展示探究結(jié)果的機(jī)會，引導(dǎo)學(xué)生在已有知識的基礎(chǔ)上解釋觀察結(jié)果。教師對學(xué)生觀點(diǎn)進(jìn)行點(diǎn)評，促進(jìn)其知識建構(gòu)，培養(yǎng)學(xué)生的邏輯思維能力[4]。

教師鼓勵學(xué)生結(jié)合模型思考DNA分子的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，回答以下問題：①DNA分子由幾條鏈組成的，兩條鏈的方向如何？②位于DNA外側(cè)的是什么結(jié)構(gòu)，排列有什么規(guī)律？③DNA中的堿基是如何連接在一起的，遵循什么原則？

小組合作討論，各小組派代表回答問題。

對于問題①，小組代表1：DNA分子是由兩條鏈組成的，這兩條鏈按反向平行方式盤旋成雙螺旋結(jié)構(gòu)。對于問題②，小組代表1：DNA分子中的脫氧核糖和磷酸交替連接，排列在外側(cè)，構(gòu)成基本骨架；堿基排列在內(nèi)側(cè)。對于問題③，小組代表3：兩條鏈上的堿基通過氫鍵連接起來，形成堿基對，且遵循堿基互補(bǔ)配對原則。

老師進(jìn)行點(diǎn)評講解，最后用一首小詩小結(jié)，讓學(xué)生朗誦并記憶：反向平行雙螺旋，脫氧核糖磷酸連。堿基在內(nèi)相配對，A T C G氫鍵間。

3.4 遷移：深入學(xué)習(xí)討論，突破重點(diǎn)難點(diǎn)

在遷移環(huán)節(jié)，要求學(xué)生利用多學(xué)科知識，深入學(xué)習(xí)和討論，對學(xué)習(xí)的知識進(jìn)行拓展延伸，并且能夠運(yùn)用新知識解決新問題，獲得新技能[5]。

教師啟發(fā)學(xué)生根據(jù)查哥夫的研究發(fā)現(xiàn)，總結(jié)DNA分子中嘧啶與嘌呤數(shù)量的規(guī)律，并嘗試和學(xué)生一起推導(dǎo)互補(bǔ)堿基和非互補(bǔ)堿基之和的比例在DNA兩條鏈中的規(guī)律。教師在黑板上畫出DNA兩條鏈，借助圖形幫助學(xué)生清楚直觀地理解堿基之間的數(shù)量關(guān)系，解決相關(guān)數(shù)學(xué)問題。

3.5 評價(jià)：設(shè)計(jì)多元評價(jià)，鞏固學(xué)習(xí)效果

評價(jià)是5E教學(xué)模式的結(jié)束環(huán)節(jié)，但是評價(jià)在教學(xué)活動的各個(gè)階段都可以進(jìn)行。評價(jià)方式也是多種多樣的，包括教師評價(jià)、學(xué)生自評和小組互評。通過不同時(shí)期的評價(jià)和不同的評價(jià)方式，能夠更加客觀地反應(yīng)學(xué)生的學(xué)習(xí)效果。

教師在課程結(jié)束前，引導(dǎo)學(xué)生思考，從DNA結(jié)構(gòu)的探索歷程，能夠得到什么樣的啟發(fā)與感悟呢？教師對學(xué)生的回答進(jìn)行點(diǎn)評，總結(jié)出偉大的科學(xué)發(fā)現(xiàn)離不開科學(xué)合作，離不開多學(xué)科的交叉融合，離不開研究者們鍥而不舍的科學(xué)精神。同時(shí)啟發(fā)學(xué)生這種探究精神不僅僅在科學(xué)研究中用到，在日常的學(xué)習(xí)生活中也應(yīng)該持有這種探索求知的精神。

4 教學(xué)反思

本節(jié)課采用5E教學(xué)模式，在教學(xué)過程的各個(gè)環(huán)節(jié)滲透STEAM教育理念，從播放奧運(yùn)會開幕式視頻激發(fā)學(xué)生興趣，引入概念；通過四種模型構(gòu)建的探究活動幫助學(xué)生具體學(xué)習(xí)DNA分子的結(jié)構(gòu)；在解釋環(huán)節(jié)梳理重點(diǎn)概念，培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)思維；從遷移環(huán)節(jié)借助圖形建構(gòu)幫助學(xué)生突破難點(diǎn)問題，解決數(shù)學(xué)問題；最后在評價(jià)環(huán)節(jié)啟發(fā)學(xué)生感悟生命觀念和社會責(zé)任。本節(jié)課的教學(xué)特點(diǎn)是，通過層層遞進(jìn)的探究活動，使抽象概念具體化，有利于學(xué)生深入理解DNA分子的結(jié)構(gòu)。