翻轉課堂后，生物課堂上如何結合模型開展STEM教學

喬伊·丹尼爾·邁爾斯

我們認為有效教學的關鍵，并不是將重點放在教學上，而是應更多地放在學生自我參與上。我很榮幸為大家介紹我們如何在生物課堂中應用“模型”。那么，模型教學對學生來說有哪些益處呢？我認為主要有以下幾點。

第一，利用教學模型，學生會很積極主動地參與到互動的教學環境中。第二，可以幫助提高學生的系統性思維能力。第三，學生可以在學習過程中進行定量化、可視化分析，進而掌握這項技能。第四，允許學生開展細致的研究。第五，幫助學生對真實生活的事態演化做出預測。第六，學生在獲得知識以后可以將其遷移到其他學科。我們需要啟發學生思考“為什么”“什么時間”“什么地點”“誰”以及“下一步該怎么做”。

我們采用了翻轉課堂來實施STEM教學，如圖1所示，翻轉課堂包括兩部分：圖表上半截是需要師生同步的部分，圖表的下半截則是非同步的部分。

其中，左上部是課上的演示與應用環節。整個過程中貫穿著學生的創造性項目和課堂展示。左下部是課后的意義建構環節，學生可以寫博客、發布播客視頻以及參加考試等，最終這些都會成為評價學生的依據。右上部是課上學生參與實驗體驗環節，學生將通過自己動手參與活動、游戲以及實驗等開展學習活動，教師則會給予及時的反饋。右下部主要是課后知識探究環節，包括網上視頻授課、音頻授課以及網絡互動等。

我將重點介紹我們在生物課堂中（也就是圖表上半截需要師生同步的部分）是如何使用模型，以使學生參與創造性活動的。作為一名生物老師，在我的教學生涯中，我發現有些主題，如基因遺傳、細胞吞噬、DNA 折紙術、蛋白質合成、有絲分裂、自然選擇，是我們課堂教學中少數真正復雜的生物學過程。

以“龍”為例，如果要用語言來解釋龍是怎樣從它的父母那里遺傳來外貌特征和行為方式的，會相當復雜，學生理解起來也很困難。我們不妨換種思路，采用比較淺顯的方式來展示。在生物課堂上，我會拿一些相關的材料，比如兩個龍蛋的模型，來展示它基因遺傳的原理。延伸這個主題，學生還會問關于DNA的問題，那我就讓學生通過龍蛋這個模型，學習DNA是如何結合到一起的。同樣，學生還發現龍是長脖子還是短脖子的原因是由基因決定的，以此類推到，人類為什么有的是卷發，有的是直發。

我們還可以在課堂上跟學生玩腦筋急轉彎游戲。比如，我先給學生一個白色塑料袋，再給他們一些他們真正想要的東西，比如糖果。白色塑料袋代表的是細胞，學生要想出辦法，怎樣讓細胞把糖果“吃”進去。這就解釋了細胞的吞噬過程。

關于蛋白質合成，我們則可以使用樂高積木作為模型來展示。我們知道，很多我們接觸到的事物都是由蛋白質組成的，但學生們并不明白為什么蛋白質的組成是不一樣的。我會讓學生在課堂上站在一起演示蛋白質組成的方式。一個學生代表著DNA，一個學生代表著mRNA，還有一個學生代表著細胞合成的另外一個角色。接下來，樂高積木就派上用場了。這些樂高積木代表的就是組成DNA的元素，組合以后出來就是氨基酸（如圖2）。

圖2 用積木模擬蛋白質合成

我們會把學生分為幾組，每一組都會將積木組合成不同的模型。如果有小組組合出了蛋白質，那么他們就需要演示自己是如何把它們構成不同的DNA的。這就是課堂上研究合成蛋白質的一種教學方法。不同的學生會產生自己不同的研究路徑。我在跟學生聊的時候發現，學生在組合不同的小積木方面會有所選擇，這也可以當成一個深入研究的方向，即解釋自然選擇的過程是怎樣進行的。接下來，我們還可以借助模型讓學生參與活動。如，讓學生使用工具把種子從容器里取出來。有些學生會選擇用鑷子，有些學生會選擇用勺子。這個過程展示了我們如何讓學生的研究思路更加深入。這就是模型在我的課堂教學中的應用，我會用這些工具輔助我的教學，讓教學變得更直觀。

專家點評

王晶瑩（首都師范大學物理系副教授）：中美教師案例的對比展示是STEM教育東西文化的一個有益對話，美國的STEM教育從早期對科學方法的重視，到科學探究，再到今天的STEM教育，給我們最大的啟示是科學教育研究的實證性以及研究的可持續性。在我看來，這個案例有四個主要特點：第一，在模型教學的框架下整合了生物學不同主題的教學，如基因遺傳等。科學模型本身是具有解釋性和預測性的，所以也會讓學生學會建模，而建模是問題解決的基礎。Modeling Theory in Science Education一書提出了整合模型教學的五個階段：關于探索、模型引用、模型形成、模型調試和范例綜合。這個案例就運用了該模型的五個階段。第二，有學者研究美國近20年中小學STEM教育的案例發現，美國STEM課堂大概有三種類型：一是應用延伸型，二是工程設計型，三是設計探究型。按這一分類，這位老師更傾向于設計探究型，結合模型教學設計了翻轉課堂四個環節，強調利用計算機技術和網絡技術來設計STEM課程。第三，我們知道，對于教學中的核心概念，是需要模型來達成的，理性方法也是需要通過建模的過程來實現的，這個案例體現了模型和建模是學習核心概念最有效的方法。第四，體現出了以學生為中心的形成性評價，這也是STEM教育當中最常用的一種評價。這個案例也讓我們看到，STEM教育不僅僅是四個學科的簡單疊加，而是將這四個學科的不同素養融合到一起。