5E教学模式在高中生物学实验教学中的应用

摘要

5E教学模式应用于高中生物学实验教学的教学环节可分为：创设情境，引发认知冲突；科学探究，进行知识重构；自主解释，激发科学思维；拓展迁移，促进素养提升；多维评价，提高探究动力。从教学角度看，5E教学模式解决了传统教学中学习兴趣和参与度低的问题，案例中的实践活动充分说明其能够解决学生合作学习的问题，有助于提高学生的科学素养，培养其创新和科学思维，体现了与新课标高度契合的教学特征。

Graphical abstract

关键词

科学探究 / 5E教学模式 / 根尖分生区 / 组织细胞 / 有丝分裂 / 生物学实验

《普通高中生物学课程标准（2017年版2020年修订）》（以下简称新课标）指出：“生物学科是以实验为基础的自然学科，实验是生物学教学最基本的形式。”新课标强调，在教学中应注重用实验和观察等方法有意识地培养学生的探究能力，引导学生关注生物科学在社会中的应用，特别是在当前的高考评价体系下，对学生的生物学实验设计、操作、结果分析以及数据处理等能力都提出了更加严格的要求，同时也强调了培养他们科学思维的重要性^［1］。目前，高中生物学多采用传统实验教学模式，过于强调实验步骤和结果，导致学生对实验背后的科学探究精神有所缺失，他们可能只是机械地记忆实验步骤，而无法真正体验探究背后的科学思维和逻辑。为了更好地培养学生的科学探究和科学思维能力，提高其生物学核心素养，笔者将5E教学模式融入高中生物学实验教学中，期望为学生创造一个既系统又富有探究性的学习环境。

1 指向科学探究的5E教学模式

5E教学模式是一种基于建构主义理论和概念转变理论的探究性教学模式，提倡学生经历主动探究、感受发现和解决问题的全过程。该教学模式包括5个教学环节，即引入（Engagement）、探究（Exploration）、解释（Explanation）、迁移（Elaboration）和评价（Evaluation）。由于每个环节的英文首字母均为“E”，因此一般被称为5E教学模式^［2］，如图1所示。为说明5E教学模式的教学价值，笔者以人教版高中生物学必修1·分子与细胞（2019年版）“细胞的增殖”中“观察根尖分生区组织细胞的有丝分裂”一节为样本设计教学案例，借此详述其教学优势。

2 教学设计与实践

2.1 教学内容分析

“观察根尖分生区组织细胞的有丝分裂”是人教版高中生物学必修1·分子与细胞（2019年版）第6章“细胞的生命历程”第1节“细胞的增殖”“探究与实践”部分的内容。该实验有助于学生理解“细胞通过不同的方式进行分裂，其中有丝分裂保证了遗传信息在亲代和子代细胞中的一致性”，进而加深对重要概念“细胞会经历生长、增殖、分化、衰老和死亡等生命进程”的理解。支持大概念的关系导航图如图2所示。

2.2 基于5E教学模式的教学实践

（1） 创设情境，引发认知冲突（引入，Engagement）。

①在讲授该实验时，笔者首先以实验微课方式让学生自主学习实验内容，随后组织一个生物学兴趣小组进行预实验。预实验结果显示，实验时间较长，无法在一个课时内完成，且实验效果并不理想。

②基于这一结果，笔者邀请学生分析实验失败的原因。师生共同查阅文献，重新评估了实验微课的设计。

③经过小组讨论和分析，我们从不同的视角提出了全新的研究课题，并将原有的验证性实验改为探究性实验，同时制订了一个新的、更加可行的实验方案。教师收集和整理学生提出的实验方案，并将学生按照他们的预探究课题进行分组。

设计意图：此环节改变了传统的“教师演示，学生重复”的实验教学模式，将实验课程分解为课前准备、课堂探究和课后拓展3个关键环节，目的是确保科学探究的思维方式贯穿于整个实验教学过程中，旨在激发学生的探究兴趣和科学思维能力。

（2） 科学探究，进行知识重构（探究，Exploration）。

①在实验课上，兴趣小组代表通过PPT和视频展示基于教材的实验过程，特别强调了实验中不明显的现象。

②学生边观察边讨论，分享个人体验和发现的问题，全班一起对实验材料、过程和方案进行深入分析。

③在教师的指导下，学生完善了各自的实验设计方案（表1），借此开展探究性实验活动，同时教师实时记录实验结果，以供进一步分析。

设计意图：在标准实验流程的基础上，鼓励学生积极从事科学探究活动。通过质疑，对标准实验步骤进行深入探讨，引导学生质疑、验证和深入探究，以帮助他们更好地理解和重新建构有关有丝分裂的知识，真正培养学生的科学思维和科学探究能力。

（3） 自主解释，激发科学思维（解释，Explanation）。

①在学生完成自主设计的实验后，精选几个具有代表性的小组进行展示。每个小组的代表上台，首先阐述选择特定实验方案的动机和理由；随后，详细介绍探究过程中应用的技术和方法，分享实验中遇到的挑战及解决办法，并对实验结果进行深入分析。

②展示环节不仅限于单向交流，还包括与其他小组的互动和讨论，各小组有机会解答其他组员提出的疑问，从而促进了彼此的深层次理解。展示和交流过程，不仅帮助学生全面评估不同实验设计的优劣，更显著增强了他们之间的共享和合作精神。其具体例证如下。

案例1：探究观察植物根尖有丝分裂的实验材料。

不同植物根尖分生区细胞的有丝分裂图像（400×）如图3所示，分裂指数如图4所示。

大蒜的生根数量显著多于洋葱和蚕豆，且生根速度更快。这一现象在染色体数量较少、生命周期较短的背景下更为显著，处于分裂期的细胞更易被观察到。进一步分析发现，尽管洋葱、大蒜和蚕豆的细胞主要处于间期，但相较于洋葱，大蒜在前期、中期、后期和末期的细胞数量有少量增加，这可能与其生长周期和细胞生长速度相关。因此，在选择实验材料时，大蒜可能是最优选项。

案例2：探究不同条件对大蒜细胞分裂的影响。

不同处理条件下大蒜根尖分生区细胞分裂指数如图5所示。

在常温条件下，大蒜细胞的有丝分裂主要集中在间期，而其在前期、中期、后期和末期的细胞分布相对均衡。然而，当加入羟基脲后，前期和中期的细胞数量明显增加，这表明羟基脲可能通过影响细胞周期而使细胞在前期和中期阶段停滞。相较之下，经羟基脲、二甲戊灵处理后，细胞分布与常温条件下类似，但后期的细胞数量略有增加，这可能与羟基脲、二甲戊灵特有的作用机制相关。

综上所述，羟基脲和二甲戊灵作为两种不同的化学物质，对细胞有丝分裂过程的影响机制显然有所区别^［3-4］。特别是羟基脲，它显著影响了有丝分裂的早期阶段。若研究目的是探究有丝分裂的调控过程，羟基脲的使用可能是一种有效手段，不仅可以实现细胞的同步化，还为深入研究DNA的合成、修复以及建立细胞周期调控机制创造了重要的实验条件。

设计意图：此环节旨在培养学生的信息获取、信息处理和语言表达能力，激发他们进行科学探究和科学思维的动力，借此提升他们的理性思维能力。

（4） 拓展迁移，促进素养提升（迁移，Elaboration）。

此环节旨在通过迁移思考，结合实验后的反思，促进学生将所学知识应用于实践之中，从而提升其探究能力和综合素养。具体方法包括以下两点。

①创新实验设计：教师对教学内容进行整合和重组，引导学生将现有实验设计应用于新课题，如温度或化学试剂对细胞的影响，鼓励学生自行设计实验方案。

②知识应用：教师引导学生将生物学概念扩展应用到相关领域，如探讨有丝分裂与癌症的关系，或者除草剂对植物发育的影响等。

设计意图：以体验实验的方式提升学生的综合实践能力，具有鲜明的实践特征，帮助学生实现从实践到理论再到实践的知识转化。

（5） 多维评价，提高探究动力（评价，Evaluation）。

①在该实验中，综合运用学生的观察记录、实验报告、小组讨论和口头表达等方式，可以综合评价他们的学术成就；重点关注学生的实验操作技能、数据处理能力、科学思维以及合作精神，可以全面促进其实验探究能力的提升；精心设计评价量表，便于深入了解学生对实验内容的理解程度和情感态度。

②5E教学模式能够有效融合评价方法，使评价具有多元化特征，构成了全面、可追踪、操作性强且成效显著的评价体系，不仅提升了教学效果，还促进了教师的专业发展和学生全面素质的提升。

3 结语

5E教学模式有效提升了学生的学习兴趣、科学探究能力以及创新意识和社会责任感，且与新课标紧密相连。然而，其成功实施需要教师具备深厚的学科知识和灵活的教学技巧。同时，考虑到不同实验和学生群体的特殊需求，其教学策略和资源支持也需要不断调整，才能充分满足学生的学习需求。

参考文献

[1] 中华人民共和国教育部. 普通高中生物学课程标准（2017年版2020年修订） ［S］.北京：人民教育出版社，2020.

[2] 孙玉玲.基于5E教学模式的高中物理模型教学策略研究［D］.扬州：扬州大学，2024.

[3] 易任远，曾峰.二甲戊灵诱导大蒜根尖细胞染色体数目变化的实验探究［J］.生物学教学，2020，45（04）：37-39.

[4] 陈成彬，宋文芹.利用HU和APM双阻断法诱导高频率植物根尖细胞有丝分裂同步化的研究［J］.南开大学学报（自然科学版），1999（01）：29-32.

基金资助

2022年度云南省教育科学规划基础教育专项项目“基于‘5E’教学模式的高中生物学实验教学行动研究”(BFJC22036)

昆明市教育科学研究“十四五”规划第二批规划课题“大概念视域下的高中生物学单元教学设计研究”(ZG2022079)