基于5E教學(xué)模式的高中生物學(xué)模型構(gòu)建教學(xué)

【摘 要】5E教學(xué)模式是一種基于構(gòu)建主義教學(xué)理論，通過認知沖突驅(qū)動學(xué)生構(gòu)建科學(xué)概念的探究教學(xué)模式。文章以“生態(tài)系統(tǒng)的能量流動”（第1課時）為例，探索基于5E教學(xué)模式的模型構(gòu)建教學(xué)，引導(dǎo)學(xué)生探究生態(tài)系統(tǒng)的能量流動過程和特點。具體包括“吸引：創(chuàng)設(shè)情境，概念回顧，聚集焦點”“探究：問題驅(qū)動，討論建模，抓住重點”“解釋：修正模型，定量分析，突破難點”“遷移：歸納總結(jié)，知識遷移，拓寬思維”“評價：多元考察，全面評估，強化責任”等環(huán)節(jié)。

【關(guān)鍵詞】5E教學(xué)模式 模型構(gòu)建教學(xué) 高中生物學(xué)

【中圖分類號】G633.91 " 【文獻標識碼】A" 【文章編號】1002-3275（2024）23-65-04

《普通高中生物學(xué)課程標準（2017年版2020年修訂）》（以下簡稱課程標準）明確提出核心素養(yǎng)為宗旨、內(nèi)容聚焦大概念、教學(xué)過程重實踐、學(xué)業(yè)水平促發(fā)展的基本理念。這一理念與5E教學(xué)模式和模型構(gòu)建教學(xué)存在著緊密的聯(lián)系。5E教學(xué)模式包括吸引（engagement）、探究（exploration）、解釋（explanation）、遷移（elaboration）和評價（evaluation）五個教學(xué)環(huán)節(jié)。［1］該模式強調(diào)學(xué)生的自主構(gòu)建、合作探究，凸顯學(xué)生的主體地位。模型構(gòu)建是指通過特定手段和方法，對實際對象或系統(tǒng)進行簡化和抽象，以形成能夠反映其關(guān)鍵特征和行為的描述或表示的過程，適用于生物學(xué)教學(xué)中對抽象概念的傳授與理解過程。［2］模型的構(gòu)建過程一般包括構(gòu)建模型、評價模型、修正模型、應(yīng)用模型四個部分，即一個循環(huán)過程（見圖1）。

“生態(tài)系統(tǒng)的能量流動”是高中生物學(xué)教學(xué)的重要內(nèi)容，本節(jié)課涵蓋了能量在生態(tài)系統(tǒng)中的流動過程、規(guī)律及其影響因素等多個復(fù)雜而抽象的知識點。這些內(nèi)容深奧難懂，且呈現(xiàn)方式較為散亂，學(xué)生難以形成系統(tǒng)的理解和記憶。因此，如何有效地教授這一節(jié)課，幫助學(xué)生輕松掌握相關(guān)知識點，值得教師思考探索。本文融合5E教學(xué)模式與建模教學(xué)，旨在通過模型構(gòu)建將抽象的生物學(xué)概念具體化，從而培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)思維和科學(xué)建模能力，提升他們對生物學(xué)知識的理解和應(yīng)用能力。

一、模型構(gòu)建與5E教學(xué)模式的適切性

基于5E教學(xué)模式的建模教學(xué)模式（見圖2），其核心理念與實踐路徑體現(xiàn)出與現(xiàn)代教育理念的深刻契合。模型構(gòu)建與5E教學(xué)模式的適切性，不僅僅體現(xiàn)在它們各自獨特的理論基礎(chǔ)上，更在于兩者在實際教學(xué)過程中的相互融合與互補，共同為學(xué)生學(xué)科核心素養(yǎng)的發(fā)展提供有力支撐。

（一）理論基礎(chǔ)的適切性

1．構(gòu)建主義教學(xué)理論

構(gòu)建主義教學(xué)理論強調(diào)學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中的主體地位，認為學(xué)習(xí)并非是單純的信息接收與記憶活動，而是一個主動構(gòu)建知識體系的復(fù)雜過程。［3］在這一理論框架下，模型構(gòu)建與5E教學(xué)模式展現(xiàn)出極高的適切性，能夠共同促進學(xué)生實現(xiàn)深度學(xué)習(xí)。

模型構(gòu)建作為一種直觀且形象的教學(xué)方法，能夠巧妙地將抽象的科學(xué)概念和原理轉(zhuǎn)化為具體可感的模型形式。這一轉(zhuǎn)化過程不僅能夠降低學(xué)習(xí)難度，而且能夠極大激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和參與度。通過親手制作模型，學(xué)生得以親身體驗知識的構(gòu)建過程，從而在腦海中留下深刻印象，有效提升理解和記憶效果。而5E教學(xué)模式則以其科學(xué)嚴謹?shù)慕虒W(xué)環(huán)節(jié)設(shè)計，為學(xué)生提供一個從問題出發(fā)、逐步深入探究的學(xué)習(xí)路徑。吸引階段的問題導(dǎo)入、探究階段的實際操作與觀察、解釋階段的討論與總結(jié)、遷移階段的知識應(yīng)用與拓展、評價階段的反思與提升，每一個環(huán)節(jié)都緊密圍繞學(xué)生的學(xué)習(xí)需求展開，充分體現(xiàn)并發(fā)揮學(xué)生的主體地位。

從構(gòu)建主義教學(xué)理論的角度來看，模型構(gòu)建與5E教學(xué)模式在理念上高度一致，都致力于構(gòu)建一個以學(xué)生為中心、強調(diào)主動學(xué)習(xí)和知識構(gòu)建的學(xué)習(xí)環(huán)境。兩者相輔相成，共同促進學(xué)生自主學(xué)習(xí)能力的提升，為培養(yǎng)具有創(chuàng)新精神和實踐能力的新時代人才奠定堅實基礎(chǔ)。

2．概念轉(zhuǎn)變理論

概念轉(zhuǎn)變理論是認知心理學(xué)領(lǐng)域的一個重要理論，它揭示了學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中的認知發(fā)展動態(tài)。該理論認為，學(xué)生在學(xué)習(xí)新知時，會不斷遇到與原有概念相沖突的新信息和情境。面對這種沖突，學(xué)生需主動調(diào)整和完善原有概念，進而形成更加科學(xué)、準確的認知體系。

在5E教學(xué)模式中，探究與解釋兩個環(huán)節(jié)是推動學(xué)生概念轉(zhuǎn)變的關(guān)鍵。在探究階段，學(xué)生借助觀察、實驗、討論等手段，深刻體會到原有概念的局限與不足；在解釋階段，教師引導(dǎo)學(xué)生對所學(xué)內(nèi)容進行系統(tǒng)梳理與總結(jié)，幫助他們構(gòu)建新的科學(xué)認知框架。模型構(gòu)建則起到重要的輔助作用，學(xué)生通過親手構(gòu)建與修正模型，能夠直觀地觀察到原有概念與新知識間的差異與聯(lián)系，這種直觀體驗?zāi)軌蛑扑麄兏拍钷D(zhuǎn)變的進程，使得新知識的學(xué)習(xí)更加深入、牢固。

（二）教學(xué)流程的適切性

在教學(xué)過程方面，模型構(gòu)建與5E教學(xué)模式展現(xiàn)出顯著的互補性和協(xié)同作用。在吸引階段，生動形象的生物模型能夠迅速吸引學(xué)生的注意力，激發(fā)他們的學(xué)習(xí)熱情，并為學(xué)生搭建初步接觸和理解生物學(xué)知識的橋梁。進入探究階段，學(xué)生可以在教師的引導(dǎo)下，通過觀察、實驗、討論等方式，初步深入探究生物現(xiàn)象的本質(zhì)和規(guī)律。此時，模型構(gòu)建則成為一個重要的工具，學(xué)生可以通過構(gòu)建和修改模型，來驗證自己的假設(shè)和想法，從而更深入地理解知識。在解釋階段，教師需要幫助學(xué)生梳理和總結(jié)所學(xué)知識，而模型則成為一個直觀的解釋工具，通過展示、解說模型，學(xué)生可以更清晰地理解生物學(xué)概念和原理。至遷移階段，學(xué)生需要將所學(xué)知識應(yīng)用于新的情境中，解決實際問題，模型構(gòu)建又成為了一個遷移知識的平臺，學(xué)生可以通過構(gòu)建新的模型或修改現(xiàn)有模型，將所學(xué)知識應(yīng)用于新的生物現(xiàn)象和過程中。最后，在評價階段，教師可以通過觀察學(xué)生在模型構(gòu)建過程中的表現(xiàn)、評估他們的模型作品、聽取他們的解釋等方式，來全面評價學(xué)生的學(xué)習(xí)成果。

此外，模型構(gòu)建與5E教學(xué)模式在培養(yǎng)學(xué)生生物學(xué)核心素養(yǎng)方面相輔相成，共同作用于學(xué)生的學(xué)習(xí)過程，促進學(xué)生生物學(xué)核心素養(yǎng)的全面發(fā)展。

二、基于5E教學(xué)模式的模型構(gòu)建教學(xué)案例

以人教版高中生物學(xué)選擇性必修2第三章第二節(jié)“生態(tài)系統(tǒng)的能量流動”（第1課時）為例，對應(yīng)課程標準“生物與環(huán)境”模塊概念2的2.2.4的內(nèi)容要求“舉例說明利用物質(zhì)循環(huán)和能量流動規(guī)律，人們能夠更加科學(xué)、有效地利用生態(tài)系統(tǒng)中的資源”，探索結(jié)合5E教學(xué)模式與模型構(gòu)建策略的教學(xué)。

（一）吸引：創(chuàng)設(shè)情境，概念回顧，聚集焦點

吸引是教學(xué)過程中的起始環(huán)節(jié)。教師應(yīng)著眼于學(xué)生的最近發(fā)展區(qū)，精心創(chuàng)設(shè)問題情境。通過引發(fā)學(xué)生的認知沖突，有效激發(fā)學(xué)生的好奇心和探索欲，使學(xué)生產(chǎn)生強烈的求知欲和進一步學(xué)習(xí)的沖動，促使學(xué)生以更加飽滿的熱情和狀態(tài)，積極主動地投入到接下來的課堂學(xué)習(xí)。

教師在吸引環(huán)節(jié)講述我國是農(nóng)業(yè)大國，而耕地是農(nóng)業(yè)的根基，并播放“守住18億畝耕地紅線”視頻，由此引發(fā)學(xué)生認知沖突：如何在促進經(jīng)濟發(fā)展的同時，有效保護耕地資源，避免過度開發(fā)和濫用。教師進一步引導(dǎo)學(xué)生回顧前一節(jié)課知識，在學(xué)案上構(gòu)建農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)中常見的食物網(wǎng)（見圖3）。基于學(xué)生構(gòu)建的食物網(wǎng)，提示糧食和人的密切關(guān)系，強調(diào)耕地的重要性，并聚集焦點：為什么要嚴守18億畝耕地紅線？

設(shè)計意圖：播放“守住18億畝耕地紅線”視頻，讓學(xué)生認識到當前國家對于耕地保護的重視。引導(dǎo)學(xué)生構(gòu)建農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)中常見的食物網(wǎng)，強化學(xué)生對于糧食生產(chǎn)與耕地保護之間聯(lián)系的認識，在激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣的同時，為后續(xù)分析和模型構(gòu)建提供認知基礎(chǔ)。

（二）探究：問題驅(qū)動，討論建模，抓住重點

探究是教學(xué)過程的中心環(huán)節(jié)，它以一系列精心設(shè)計的問題串作為主線，引領(lǐng)學(xué)生進行深入探索。教師需確保這些問題既具有啟發(fā)性，又具備有效性，能夠激發(fā)學(xué)生思考，同時還需提供必要的材料，使學(xué)生在自主探究的過程中，掌握的知識點逐漸連成線，再進一步拓展成面，實現(xiàn)知識的系統(tǒng)化和結(jié)構(gòu)化。

在探究環(huán)節(jié)，教師設(shè)計問題串如下：①能量流經(jīng)一株玉米的過程是怎么樣的？能量怎么流入到玉米植株體內(nèi)？②被生產(chǎn)者同化的能量有哪些去路？③儲存的這一部分能量被誰利用？學(xué)生在教師的指導(dǎo)下畫出能量流經(jīng)一株玉米的過程（見圖4），小組合作構(gòu)建能量流經(jīng)生產(chǎn)者玉米的過程模型，構(gòu)建能量流動初級消費者的能量來源與最終去路圖解，最后畫出生態(tài)系統(tǒng)能量流動的示意圖。

設(shè)計意圖：生態(tài)系統(tǒng)能量流動的過程是本節(jié)課的重點，采用問題驅(qū)動，由局部到整體、由個體到營養(yǎng)級的方式引導(dǎo)學(xué)生分析能量流動的過程，抓住重點，體現(xiàn)學(xué)生的主體性，培養(yǎng)學(xué)生模型與建模能力。

（三）解釋：修正模型，定量分析，突破難點

解釋是教學(xué)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，解釋并非等同于直接給出答案，而是鼓勵學(xué)生在探究過程中運用自己的語言對觀察到的現(xiàn)象進行初步闡述與解釋，建立觀察到的現(xiàn)象與科學(xué)本質(zhì)的內(nèi)在聯(lián)系，教師根據(jù)學(xué)生的闡述，提供其他資料幫助其理解科學(xué)概念，實現(xiàn)從實驗向理論的過渡。［4］

在解釋環(huán)節(jié)，教師基于學(xué)生修正的生態(tài)系統(tǒng)能量流動示意圖提出問題：①能量是怎樣流入生態(tài)系統(tǒng)的？②能量是如何傳遞的？③能量是如何轉(zhuǎn)化的？④能量是如何散失的？學(xué)生根據(jù)自己構(gòu)建的模型，嘗試解釋生態(tài)系統(tǒng)能量流動的過程。教師引導(dǎo)學(xué)生研究教材第56頁林德曼對賽達伯格湖能量流動圖解的定量分析，明確生態(tài)系統(tǒng)兩個相鄰營養(yǎng)級能量的傳遞效率，讓學(xué)生基于能量流動圖解和計算結(jié)果總結(jié)并解釋生態(tài)系統(tǒng)能量流動的特點。

學(xué)生總結(jié)：從方向上來看，生態(tài)系統(tǒng)的能量流動的特點之一為單向流動。對應(yīng)的解釋為生態(tài)系統(tǒng)的能量流動只能按照營養(yǎng)級的順序進行，即從生產(chǎn)者（如植物）開始，通過食物鏈傳遞到消費者（如動物），最后到達分解者（如微生物）。這個順序是不可逆轉(zhuǎn)的，也就是說，能量不能從消費者逆向流動到生產(chǎn)者。從數(shù)值上來看，生態(tài)系統(tǒng)的能量流動的另一特點為逐級遞減。對應(yīng)的解釋為能量在沿食物鏈流動的過程中，隨著經(jīng)歷的環(huán)節(jié)不斷增多，能量的損失也會相應(yīng)地逐步累積，導(dǎo)致每一營養(yǎng)級可利用的能量都少于其上一級。

教師補充解釋：為了維持生態(tài)系統(tǒng)的正常運作，所有生態(tài)系統(tǒng)都必須持續(xù)獲得來自外部環(huán)境的能量補給。這些能量來源既可以是自然的，如太陽能的輸入，也可以是人為的，如化肥的施用，它們共同確保生態(tài)系統(tǒng)能量流動的持續(xù)性和穩(wěn)定性。

設(shè)計意圖：通過引導(dǎo)學(xué)生構(gòu)建和修正生態(tài)系統(tǒng)能量流動示意圖，提供林德曼對賽達伯格湖能量流動圖解，讓學(xué)生進行定量分析并總結(jié)出生態(tài)系統(tǒng)能量流動的單向流動和逐級遞減的特點，突破本節(jié)課的難點，這一過程能夠有效提升他們的模型解讀和數(shù)據(jù)處理能力。同時，學(xué)生能夠?qū)@些特點進行解釋和說明，有助于加深學(xué)生對生態(tài)系統(tǒng)能量流動規(guī)律的認識，提高他們的歸納總結(jié)能力。

（四）遷移：歸納總結(jié)，知識遷移，拓寬思維

此環(huán)節(jié)是對新知的應(yīng)用階段。在教師的悉心指導(dǎo)下，學(xué)生進一步深化對概念的理解，并進一步掌握應(yīng)用這些概念的技巧。此過程不僅豐富了概念的基本含義，而且促進了新舊概念之間的聯(lián)結(jié)，使學(xué)生能夠運用新掌握的概念去闡釋新的情境或解決新的問題。通過一系列實踐活動，學(xué)生能夠加深對概念的理解層次，拓寬認知邊界，獲取更多寶貴的信息和技能。

教師引導(dǎo)學(xué)生回顧課堂伊始提出的關(guān)于嚴守18億畝耕地紅線的問題情境，從能量流動的角度進行深入剖析，探討其背后的原因。接著，教師引入新的情境：僅保證農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)有足夠的能量輸入是遠遠不夠的，我們還必須設(shè)法盡可能減少能量的損耗。基于新情境，教師提出一個新的問題：針對農(nóng)業(yè)農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)中的每一個能量流動環(huán)節(jié)，我們可以采取哪些有效措施，更充分地利用太陽能，為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)提供更加充足的能量支持？

設(shè)計意圖：問題情境首尾呼應(yīng)，引導(dǎo)學(xué)生將嚴守18億畝耕地紅線與能量流動聯(lián)系起來，這一問題解決過程不僅檢驗了學(xué)生對生態(tài)系統(tǒng)能量流動特點的理解深度，而且鼓勵他們課后運用所學(xué)知識，結(jié)合實際情況，提出創(chuàng)新性的解決方案，將理論與實際緊密結(jié)合，培養(yǎng)他們的問題解決能力和創(chuàng)新思維，并且在實踐中鍛煉并提升他們的科學(xué)探究能力。

（五）評價：多元考察，全面評估，強化責任

過程性評價：本節(jié)課的教學(xué)環(huán)節(jié)包含5次模型構(gòu)建和修正活動，通過觀察學(xué)生個人和小組形式完成這些模型構(gòu)建的速度和準確性等指標，可以評估他們的模型構(gòu)建和團隊協(xié)作能力。此外，依據(jù)學(xué)生對生態(tài)系統(tǒng)能量流動特點概述和闡釋的完善度和準確性，可評價他們的數(shù)據(jù)處理、模型解讀、總結(jié)歸納能力。

綜合性評價：課堂結(jié)尾讓學(xué)生從生態(tài)系統(tǒng)的能量流動規(guī)律思考我國為何嚴守18億畝耕地紅線，課后針對農(nóng)業(yè)農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)中的每一個能量流動環(huán)節(jié)，思考可以采取哪些有效措施，更充分地利用太陽能。通過全面考量學(xué)生理解生態(tài)系統(tǒng)能量流動過程及其特點的深度與廣度，以及學(xué)生能否準確且系統(tǒng)地總結(jié)并解釋這些過程與特點，來綜合評估學(xué)生的掌握程度和學(xué)習(xí)成效。

設(shè)計意圖：通過觀察學(xué)生進行模型構(gòu)建的過程，對能量流動特點的總結(jié)與應(yīng)用情況，從過程和綜合兩個方面對學(xué)生的學(xué)習(xí)成果進行鞏固與評價，這種多元化的評價方式有利于全面反映學(xué)生的學(xué)習(xí)狀態(tài)，幫助教師更準確地評估和指導(dǎo)學(xué)生的學(xué)習(xí)。

三、結(jié)語

構(gòu)建和使用模型是重要的科學(xué)實踐活動之一，對于增強學(xué)生的科學(xué)認知和實踐能力具有關(guān)鍵作用。本文以“生態(tài)系統(tǒng)的能量流動”（第1課時）為例，探索基于5E教學(xué)模式的模型構(gòu)建教學(xué)，讓學(xué)生在認知沖突的驅(qū)動下完成“探究—解釋—遷移”循環(huán)的建模實踐活動，親身經(jīng)歷模型的構(gòu)思、構(gòu)建、完善過程，感受模型的動態(tài)發(fā)展過程，提升構(gòu)建和使用模型的能力。此外，借助模型構(gòu)建的方法能有效幫助學(xué)生將抽象的知識具體化，引導(dǎo)學(xué)生在概念學(xué)習(xí)中強化系統(tǒng)觀、物質(zhì)與能量觀，最后通過解決實際問題來提升思維水平和科學(xué)實踐能力，最終強化社會責任感。［5］

【參考文獻】

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韋麗香 / 廣西平樂縣平樂中學(xué)，一級教師，從事中學(xué)生物學(xué)教學(xué)（平樂 542400）；盧麗娟 / 南寧師范大學(xué)環(huán)境與生命科學(xué)學(xué)院，從事學(xué)科教學(xué)（生物）研究（南寧 530100）；*通信作者，E-mail：3268436423@qq.com