基于5E 教学模式的高中生物学教学情境设计

司薇娓 （广州市第八十六中学 广东广州 510700）

高中生物学教学的核心之一是帮助学生构建科学概念。学生要自主建立新概念，需要教师营造恰当的情境引导他们的探究过程。 情境为内容服务，情境会直接影响学习活动的效果，因此情境设计就显得尤其重要。 如何设计有针对性的教学情境，让情境更好地为教学内容服务，提高学生探究兴趣和构建概念的自主性？ 笔者采用5E 教学模式，以“DNA 的分子结构”为例进行探讨。

1 “DNA 的分子结构”课例实践

“DNA 的分子结构”是人教版高中生物学模块2《遗传与进化》第3 章第2 节的内容。 新课程标准要求学生：“概述DNA 分子是由4 种脱氧核苷酸构成的长链， 一般由两条反向平行的长链上的碱基互补配对形成双螺旋结构， 碱基的排列顺序编码了遗传信息。”既要让学生获得基础的生物学知识，又要让学生领悟DNA 分子结构研究过程中的思路和方法。设计思路如下：首先明确2 个教学线索。线索①：单体—单链—双链—双螺旋空间结构，“稳定性，多样性，特异性”的结构特点。 线索②：科学史中科学家的研究观点和思维方法。然后利用图谱分析、信息检索、学生画图、角色扮演等直观化的教学手段， 融合基于事实和数据的推理式探究，设计论辩情境，找寻DNA 作为遗传物质的原因。总之，多角度、多载体强化对DNA 结构的认识，认同结构决定功能的基本原理，培养学生假说-演绎、模型构建的科学思维和方法，以概念模型为先导，物理模型再次强化。

1.1 从生命的本质设计问题情境吸引

吸引（engage）：创设贴近生活、真实的，甚至是可触摸的课堂情境，吸引学生探究欲望。吸引目光和让学生有话可说是本环节的重要任务。 关于生命本质的研究一直是科学界的热点。 DNA 以怎样的结构满足作为遗传物质的功能？ 这是本节课探究的核心问题。

教师引导学生回顾DNA 元素构成和基本单位，证明遗传物质的科学史实验。抛出本节课的探究核心，DNA 以怎样的结构实现它作为遗传物质的功能（携带遗传信息）？ 展示脱氧核苷酸和脱氧核苷酸链的结构， 引导学生说出相邻核苷酸的连接方式：磷酸二酯键。

设计情境1：证明DNA 是遗传物质的科学实验图片；情境2：过渡性问题“构成DNA 的元素和基本单位，核苷酸的连接方式”；情境3：挑战性问题“DNA 以怎样的结构与功能相适应”。

本环节在情境设计上，既有知识铺垫，又设计了有层次、有挑战的思辨活动，通过真实的科学实验情境，引发学生思考，为什么蛋白质不是遗传物质，为什么绝大多数生物不选择RNA 作为遗传物质？ 引而不发的认知冲突才能更好地激发学生的探究欲望。

要吸引学生， 在情境设计时应注意材料的趣味性、科学性、学科融合性和理解难度的过渡性。根据探究内容的不同， 在情境设计方法上可以是图片、视频、新闻报道，也可以是科学实验、实物展示、手工模型等，关键是通过视觉冲击、认知冲突，将学生由浅入深带入探究情境中。

1.2 利用科学史料设计真实情境引导探究

探究（explore）：放手让学生利用已有的知识背景尝试解读情境中的问题， 充分暴露前概念和认知冲突，打破因认知冲突造成的心理不平衡，刺激学生接受并初步建立新概念。

深入探究的前提需要事实依据， 而科学实验是最重要的事实。科学史情境设计，要尽可能还原科学史的完整细节，让学生自己检索关键信息。应注意素材的多样性， 从不同角度让学生逐步深入探究。还需要设计问题情境，通过有逻辑关系的问题串，在繁杂的科学史中引导学生的有序思考。

教师首先呈现问题情境：既然磷酸和脱氧核糖通过磷酸二酯键交替连接，2 条链怎样连接成双链结构？ 碱基在双链的外侧还是内侧？ 先让学生大胆猜测，然后提供科学事实和相关数据，通过问题串，引导学生进行逻辑推理，自主生成概念和规律。

资料1：图片展示磷脂分子的结构，生物膜流动镶嵌模型。引导学生回顾分子基团的亲水性、疏水性与周围环境的关系。

资料2：碱基疏水，脱氧核糖和磷酸亲水，DNA主要分布在细胞核基质， 少量分布在线粒体基质和叶绿体基质中，基质是一种水环境。引导学生思考DNA 中碱基、脱氧核糖、磷酸的相对位置关系，提出大胆猜想并说明理由。

资料3：1951 年威尔金斯和富兰克林提供的DNA 衍射图谱。

引导学生观察，发现规则的十字对称图，如何做到对称？

资料4：4 种碱基A、C、G、T 的分子结构式。

设计问题：4 种碱基的相同点是什么？ 嘌呤有何共性？嘧啶有何共性？环的多少有什么影响？环的多少影响分子大小。结合DNA 是规则对称的结构，你能作出怎样的猜测？ 怎么进行碱基配对？

学生作出4 种假设：假设1：A=A；假设2：A=G；假设3：A=C；假设4：A=T，G=C。

资料5：2 条长链之问的距离恒等于2 nm；引导学生思考：单环、双环会影响什么？ 如何让2 条链的距离恒等？ 由此顺利排除假设1 和假设2。

资料6：查哥夫发现腺嘌呤的量等于胸腺嘧啶的量， 鸟嘌呤的量等于胞嘧啶的量。 通过假设、演绎、验证，学生最终推导出正确的碱基配对方式。

过渡：碱基搭配的结果是什么？是否会发生像氨基酸脱水缩合那样的化学反应？

教师用PPT 展示2 种碱基的连接方法， 并介绍这种以H 为媒介形成的一种共价键叫氢键。 2个互补的碱基通过氢键结合成碱基对。 让学生在学案上用笔圈出每个脱氧核苷酸的位置， 氢键的位置，更直观感受磷酸、脱氧核糖、碱基的排列情况。 有一些学生将连接在3 号碳的磷酸归在同一个脱氧核苷酸中，通过教师的引导，纠正了错误，强调了核苷酸中磷酸的连接位置。

教师设疑：①哪种碱基对更稳定，耐热性更强？（引导学生作出假设，并解释其合理性）②怎样验证自己构建的模型是正确的？ （制作物理模型，将模型进行X 射线衍射， 与DNA 的衍射图谱进行对比）

最后要求学生绘制DNA 片段的平面结构图，体现磷酸二酯键和氢键。

在上述环节中，通过多样化的教学素材，引导学生不断假设，否定，再假设，验证，最终构建新概念（碱基互补配对原则，碱基对，氢键），得出相应的规律（磷酸、脱氧核糖、碱基对的空间位置，氢键和耐热性的关系）。 在此过程中，将必修1 相关的背景知识、科学史资料、化学结构式、有序的问题串进行了有机整合， 再现了科学发现的曲折性和逻辑性。通过重走科学发现之路，锻炼了学生思维的深度和广度， 同时强化了对假说-演绎法的理解和应用。 圈出核苷酸、 氢键的位置， 绘制DNA 片段的结构图，这些可触摸的直观化手段是对新概念的一种有效强化和反馈。

信息检索和问题串，可磨练学生的思维过程。当信息量庞杂时， 设计有针对性的问题情境可帮助学生有序思考。 若学生能独立发现这种逻辑关系，教师也可给课堂留更多的空白，更宽广的思维空间。 例如，将这些资料打乱，以科学文献的形式呈现给学生。

初建新概念既美好，又充满了不确定性，需反复磨合。 因此还要注意让学生用自己的语言描述概念，联系生活实际，通过举例、画图、构建物理模型等手段抓住新概念的本质。 同时还要将已有类似的概念加以对比联系， 例如核糖核苷酸、肽键、肽链等，完善概念的外延和内涵。

1.3 设计论辩情境诱导解释

解释（explain）：引导学生通过思辨建立事物之间的联系、规律、识别变量，并运用新概念解释现象，以此展示新概念的可理解性和合理性，逐步发现概念间的关联。 这是新概念建立的“磨合期”，力求不断呈现新概念的不同侧面。

论辩1：作为遗传物质，有什么条件？

生1：结构稳定，能遗传给后代。

生2：携带遗传信息，控制生物性状。

生3：结构多样，满足不同人的遗传物质不同。

论辩2：DNA 的结构有什么特点对应遗传物质的条件？

背景资料：肺炎双球菌转化实验中，S 型细菌经过60℃温度处理，导致蛋白质变性，失去感染能力，但这种处理后的细菌却能将R 型活菌转变成S 型活菌。 同等高温下，DNA 没有变性，实现了转化。 联合国环境署最近发表的一份报告称地球上共有870 万种生物， 每个物种又包含了许多个体。 DNA 条形编码技术可以对物种进行识别和描述，而不同个体的条码都有所区别。 2010 年8 月一架客机在黑龙江省某机场发生坠机事故， 需要对死亡者遗体进行身份确认，通过DNA 采样和鉴定比对，很快确认了40 名遇难者的身份。

生答：资料体现了DNA 结构的稳定性、多样性、特异性。

论辩3：DNA 依靠什么体现这些特点？可同时让2 位学生在黑板上写出不同的DNA 片段，找出二者的不同点，进而思考什么才可以代表特异性，代表遗传信息。

生1：DNA 依靠碱基互补配对原则，以磷酸二酯键和氢键维持结构的稳定性。

生2：不同个体的DNA 中碱基对的排序不同，代表了DNA 的特异性。

生3：DNA 中碱基对的排列顺序代表了遗传信息，这种信息从整体看具有多样性。

论辩4：纵观科学史，科学发现中的哪些思维方法值得学习？

生1：模型构建、假说演绎、大胆猜想。

生2：类比推理、多学科相互配合、多交流。

在解释的过程中，由于学生没有足够的知识背景进行前后联系，因此教师需设计论辩情境，提供相关背景资料，引发学生深层次的思考，注意知识横向和纵向的对比联系，寻找规律和概念之间的关联。在论辩问题的设计上，教师要注意前后依托，逻辑关系的彼此衔接，这样通过论辩解释，学生才会有一种运用新概念拨开云雾见青天的成就感。

1.4 设计角色扮演，防癌宣传画报助力迁移和评价 迁移（elaborate）和评价（evaluate）是检验学生是否掌握概念并有效应用的必要环节， 也是培养学生发散性思维、解决生活实际问题的重要环节。本环节的核心任务是引导学生通过多种途径准确描述概念，规律并有效融入已有的知识体系，进一步巩固概念网络； 辨析识别新情境， 发现概念本质，对规律方法进行再创造，进而解决生活实际问题。 在解决问题的过程中，恰当融入过程性评价，既有教师、同伴的点评，也有个人的反思自评，通过有效的评价激发学生进一步探究的热情。

情境1：角色扮演，用人体模拟核苷酸单体，一列学生扮演RNA， 另外2 列学生扮演DNA， 体现磷酸二酯键和氢键，感悟DNA 双链反向的原因。

教师画图展示人体各部分代表的含义， 由学生小组讨论后上台展示。 他们有的在2 号碳位上贴上H 或OH 以区分脱氧核糖和核糖， 有的学生右手专门标注了碱基的种类， 在模拟时还以3 个手指或2 个手指相连区分氢键的数目。 在细节的考虑上超过了教师的预估， 师生互动也达到了高潮。期间还有别的小组学生点评，例如如何体现核苷酸链的方向， 如何体现脱水缩合形成的磷酸二酯键，如何体现双链的距离恒等。

情境2：教师补充材料，在碱性条件下，核糖2号位碳原子相连的羟基中氢的电子容易被夺走，氧失去电子就容易攻击磷， 容易使磷酸二酯键发生断裂。 这说明了什么？ 引导学生发现RNA 和DNA 稳定性的差别， 再次认同绝大多数生物以DNA 作为遗传物质。

情境3：细胞癌变的本质是基因突变，紫外线、二甲基亚硝酸胺、苯并芘、黄曲霉素、病毒都是常见的致癌因子，请从DNA 结构的角度设计宣传海报，向人们普及致癌机理。

本环节在情境设计上，要注意材料的新颖性、真实性和完整性，由浅入深，围绕问题的解决过程展开教学，通过角色扮演、材料分析、设计海报等多种途径实现有效的迁移和评价。

2 教学反思与拓展

在教学中常会发现， 学生的情绪对于师生配合、教学效果至关重要。 情由境生，情境设计才显得尤为重要。5E 教学模式强调了知识方法规律的自主生成， 而无论哪个环节都需要相应的情境进行配合。 在“DNA 的分子结构”课例中，情境设计的方法有很多，例如，科学实验和科学史的真实情境；画平面图和角色扮演的模拟情境；围绕DNA特点的论辩情境；围绕DNA 平面结构的问题情境等。 这些背景资料、新闻素材、知识点铺垫、问题串、画结构图、角色扮演，归纳起来就是要通过多种载体，提供多个平台，引导学生进行有序的逻辑思考和自主表达。通过摸索的过程，才能消除前概念的错误认识， 新概念才能牢固地内化到学生已有的知识网络中。 如何设计更贴合生活的教学情境应用和评价， 如何让学生真切感受到拓展应用的价值，这是要进一步思考的问题。

探索未知，寻找逻辑规律，解决生活问题是人类的本能， 而强烈的表现欲望则是学生的天性。5E 课堂就是要保护这种本能和天性，从而真正提升学生的生物学核心素养。