基于5E教學模式的初中生物學模型教學實踐
——以“眼球成像的探究”為例

許岳鋒 唐僑穎 崔 鴻

（1.廣東省深圳市光明中學 廣東深圳 518107）

（2.華中師范大學生命科學學院 湖北武漢 430079）

建構和運用模型是科學思維的重要組成，能夠有效揭示事物的本質、特征或規律，使復雜抽象的內容形象化、具體化，幫助學生描述、解釋科學現象或預測發展趨勢，促進學生對科學概念的理解。《義務教育生物學課程標準（2022年版）》（以下簡稱“新課標”）在“生物學與社會·跨學科實踐”主題中亦設置了“模型制作類”跨學科實踐活動，以提升學生制作和運用模型的科學實踐能力。下文基于5E教學模式，運用自制眼球成像模型開展眼球成像探究教學，以探索中學生物學模型教學的實施路徑，并為眼球模型制作的跨學科實踐活動開展提供參考。

1 5E教學模式

5E教學模式是美國生物學課程研究（BSCS）開發的一種建構主義教學模式，包括吸引（Engage）、探究（Explore）、解釋（Explain）、精致（Elaborate）、評價（Evaluate）五大環節，各環節的主要內容見表1。5E教學模式是一種在真實的問題情境下，學生聯系自身已有的知識經驗，開展探究活動，從而實現概念的構建，最終遷移運用于新情境的學習過程，有效培養了探究實踐能力，促進對概念的深度理解。

表1 5E教學模式的主要內容

2 自制眼球成像模型

科學合理的眼球成像模型是開展“眼球成像探究活動”的重要前提。在講授眼球的結構和基本成像原理后，教師組織學生利用廢棄牛奶箱、塑料透膜等簡易材料進行眼球成像模型的制作。學生在制作模型前，著重思考以下問題：①眼球成像過程主要涉及的眼球結構有哪些？②應該以什么材料作為眼球的主體？鞏膜應涂什么顏色？如何觀察眼球成像結果？③如何設計一個能夠調節大小的虹膜模型？虹膜應涂什么顏色？④如何設計一個能夠調節曲度的晶狀體模型？這四個問題由易到難、由整體到局部，層層遞進，引導學生形成對眼球成像模型的初步構想。

通過對以上問題的深入探討，學生最終確定了眼球成像模型的制作方案（圖1），并以小組為單位進行制作。該模型以牛奶箱作為眼球主體，在右側中間剪出一個圓孔以放置透鏡，并在剪出的圓片畫上3個同心圓，沿同心圓裁剪成3個圓環，涂上黑色作為虹膜模型（圖2）。學生可以通過對圓環紙片的粘貼拼接調整瞳孔的大小。之后，再裁去牛奶箱的一部分正面，以便觀察紙箱左側的成像情況；而裁下的紙箱片又可制作一個標有刻度的簡易軌道，以方便描述光源的位置。而晶狀體模型則是由兩層塑料薄膜包裹圓環而制成的水透鏡，可以通過注射器改變水透鏡的曲度，模擬晶狀體的調節。在光源的選擇上，為了讓學生更明顯觀察到光屏成像的變化和考慮到實驗的安全性，該模型采用了“L形”電燈光源替代常用的蠟燭光源。

3 基于5E教學模式的眼球成像探究教學

3.1 吸引：創設情境，提出問題

教師播放近視科普宣傳短片，并調查學生中近視眼的情況，讓近視的學生談談近視的感受，從而提出問題：“近視眼如何形成？”教師利用科普短片，聯系學生對近視的親身經歷，創設問題情境，吸引學生注意力，激發學生的探究欲望，進入下一環節。

3.2 探究：運用模型，層層探究

3.2.1 模擬眼球正常成像

教師通過提問的方式，幫助學生回憶眼球成像模型的各部分結構及作用。之后，學生調節光源的位置，直至光屏上呈現清晰的成像，記錄軌道上的刻度，以此模擬眼球的正常成像，并思考：“光屏上的像是什么樣？我們平常看到的東西會是倒著的嗎？”學生從而認識到物體成像和視覺產生的位置是不同的。

3.2.2 模擬瞳孔的調節

學生調整虹膜模型，以模擬瞳孔的大小變化，觀察光屏上成像的變化，并思考：瞳孔的變化會對光屏成像的清晰度產生影響嗎？當瞳孔變大（或變小）時，光屏成像是變亮了？還是變暗了？這樣可以幫助學生正確認識虹膜的功能，并排除虹膜對成像清晰度的影響。

3.2.3 近視眼成像的探究

學生利用注射器向水透鏡中注入水，增加水透鏡的曲度，以模擬近視眼的晶狀體，并記錄注射器刻度變化值。之后，調整光源的位置，直至光屏成像清晰，記錄光屏的位置刻度。然后，用注射器再次加大水透鏡的曲度，重復以上過程多次，以模擬近視眼逐步加深的過程，并記錄注射器刻度變化值與光源的位置刻度（表2）。

表2 近視眼成像探究結果記錄表

3.2.4 模擬近視眼的矯正

在第三次近視眼成像的探究結束后，學生保持水透鏡曲度不變，將光源還原到初始位置，并在水透鏡與光源中間增添一個焦距合適的凹透鏡（圖3），調整位置，觀察光屏成像的變化，以此模擬近視眼的矯正。

3.3 解釋：數學分析，探討歸納

注射器刻度的變化值是水透鏡曲度變化的重要參考指標：當刻度變化值為負數時，注射器注水，數值越小，水透鏡的曲度越大；當刻度變化值為正數時，注射器抽水，數值越大，水透鏡的曲度越小。學生利用表2所記錄的數據，以注射器刻度變化值作為橫坐標，光源位置刻度作為縱坐標，繪制散點圖（圖4），并利用該數學模型解釋“為什么近視度數越深，看東西就得越近”。教師引導學生探討歸納，結合模擬近視眼矯正探究過程與物理光學的知識，總結近視眼的成因以及矯正方法，并讓學生在學案中繪制光路圖（圖5），以鞏固知識，及時反饋學生對眼球成像原理的掌握情況。

3.4 精致：遷移運用，完善概念

教師詢問學生家中的爺爺、奶奶有無老花眼，讓學生聯系實際進行交流。教師追問學生對遠視眼的理解以及老花眼的成因。學生模仿近視眼成像的探究過程，開展“遠視眼成像探究”與“模擬遠視眼矯正”，完善眼球成像探究數學模型（圖6），并繪制遠視眼及矯正光路圖（圖7），將新學的方法和技能遷移運用于新問題情境的解決中，以此幫助深化對眼球成像原理的理解，提升探究實踐能力和模型思維能力。

3.5 評價：多元主體，全面評價

本研究將教學評價貫穿于教學過程，注重評價主體的多元化，做到過程性評價和終結性評價并舉。學生以小組為單位開展眼球成像探究，完成探究實驗報告，交流討論實驗結果，并進行自我評價和組內互評，在自我反思中發現不足，在小組互評中彼此促進。而教師綜合學生在小組合作、舉手發言、實驗報告填寫等多方面的表現，對學生進行過程性評價。此外，教師還讓學生嘗試解釋“激光近視手術是如何治療近視的”，并以此作為終結性評價，促進學生對科學知識的理解與應用，使學生認識到生物學與社會的緊密聯系，實現課堂教學的“教、學、評”一體化。最后，教師向學生強調激光近視手術可能帶來的副作用，讓學生認識到保護視力的重要性，并讓學生課后宣傳預防近視的措施，滲透生命安全與健康教育。

4 總結與反思

本研究基于5E教學模式，運用自制眼球成像模型開展近視眼和遠視眼的眼球成像探究活動，并利用數據建構數學模型，幫助學生理解眼球成像原理，提升學生的探究實踐能力和模型思維能力。在教學過程中，教師應注意以下幾點：①在探究開始前，教師應準備好眼球成像模型與導學案等相關材料，并在“吸引”環節中充分激發學生探究的欲望，從而保障探究活動的順利開展。②在探究過程中，教師應積極觀察各組成員的表現，掌握學生的進度，及時反饋學生的求助信息，成為學生探究活動的參與者、共謀者。③在探究結束后，教師應組織學生對探究結果進行討論交流，引導建構眼球成像的數學模型，實現對科學概念的深度建構。