基于5E教学模式的初中生物学模型教学实践——以“眼球成像的探究”为例

许岳锋 唐侨颖 崔 鸿

（1.广东省深圳市光明中学 广东深圳 518107）

（2.华中师范大学生命科学学院 湖北武汉 430079）

建构和运用模型是科学思维的重要组成，能够有效揭示事物的本质、特征或规律，使复杂抽象的内容形象化、具体化，帮助学生描述、解释科学现象或预测发展趋势，促进学生对科学概念的理解。《义务教育生物学课程标准（2022年版）》（以下简称“新课标”）在“生物学与社会·跨学科实践”主题中亦设置了“模型制作类”跨学科实践活动，以提升学生制作和运用模型的科学实践能力。下文基于5E教学模式，运用自制眼球成像模型开展眼球成像探究教学，以探索中学生物学模型教学的实施路径，并为眼球模型制作的跨学科实践活动开展提供参考。

1 5E教学模式

5E教学模式是美国生物学课程研究（BSCS）开发的一种建构主义教学模式，包括吸引（Engage）、探究（Explore）、解释（Explain）、精致（Elaborate）、评价（Evaluate）五大环节，各环节的主要内容见表1。5E教学模式是一种在真实的问题情境下，学生联系自身已有的知识经验，开展探究活动，从而实现概念的构建，最终迁移运用于新情境的学习过程，有效培养了探究实践能力，促进对概念的深度理解。

表1 5E教学模式的主要内容

2 自制眼球成像模型

科学合理的眼球成像模型是开展“眼球成像探究活动”的重要前提。在讲授眼球的结构和基本成像原理后，教师组织学生利用废弃牛奶箱、塑料透膜等简易材料进行眼球成像模型的制作。学生在制作模型前，着重思考以下问题：①眼球成像过程主要涉及的眼球结构有哪些？②应该以什么材料作为眼球的主体？巩膜应涂什么颜色？如何观察眼球成像结果？③如何设计一个能够调节大小的虹膜模型？虹膜应涂什么颜色？④如何设计一个能够调节曲度的晶状体模型？这四个问题由易到难、由整体到局部，层层递进，引导学生形成对眼球成像模型的初步构想。

通过对以上问题的深入探讨，学生最终确定了眼球成像模型的制作方案（图1），并以小组为单位进行制作。该模型以牛奶箱作为眼球主体，在右侧中间剪出一个圆孔以放置透镜，并在剪出的圆片画上3个同心圆，沿同心圆裁剪成3个圆环，涂上黑色作为虹膜模型（图2）。学生可以通过对圆环纸片的粘贴拼接调整瞳孔的大小。之后，再裁去牛奶箱的一部分正面，以便观察纸箱左侧的成像情况；而裁下的纸箱片又可制作一个标有刻度的简易轨道，以方便描述光源的位置。而晶状体模型则是由两层塑料薄膜包裹圆环而制成的水透镜，可以通过注射器改变水透镜的曲度，模拟晶状体的调节。在光源的选择上，为了让学生更明显观察到光屏成像的变化和考虑到实验的安全性，该模型采用了“L形”电灯光源替代常用的蜡烛光源。

3 基于5E教学模式的眼球成像探究教学

3.1 吸引：创设情境，提出问题

教师播放近视科普宣传短片，并调查学生中近视眼的情况，让近视的学生谈谈近视的感受，从而提出问题：“近视眼如何形成？”教师利用科普短片，联系学生对近视的亲身经历，创设问题情境，吸引学生注意力，激发学生的探究欲望，进入下一环节。

3.2 探究：运用模型，层层探究

3.2.1 模拟眼球正常成像

教师通过提问的方式，帮助学生回忆眼球成像模型的各部分结构及作用。之后，学生调节光源的位置，直至光屏上呈现清晰的成像，记录轨道上的刻度，以此模拟眼球的正常成像，并思考：“光屏上的像是什么样？我们平常看到的东西会是倒着的吗？”学生从而认识到物体成像和视觉产生的位置是不同的。

3.2.2 模拟瞳孔的调节

学生调整虹膜模型，以模拟瞳孔的大小变化，观察光屏上成像的变化，并思考：瞳孔的变化会对光屏成像的清晰度产生影响吗？当瞳孔变大（或变小）时，光屏成像是变亮了？还是变暗了？这样可以帮助学生正确认识虹膜的功能，并排除虹膜对成像清晰度的影响。

3.2.3 近视眼成像的探究

学生利用注射器向水透镜中注入水，增加水透镜的曲度，以模拟近视眼的晶状体，并记录注射器刻度变化值。之后，调整光源的位置，直至光屏成像清晰，记录光屏的位置刻度。然后，用注射器再次加大水透镜的曲度，重复以上过程多次，以模拟近视眼逐步加深的过程，并记录注射器刻度变化值与光源的位置刻度（表2）。

表2 近视眼成像探究结果记录表

3.2.4 模拟近视眼的矫正

在第三次近视眼成像的探究结束后，学生保持水透镜曲度不变，将光源还原到初始位置，并在水透镜与光源中间增添一个焦距合适的凹透镜（图3），调整位置，观察光屏成像的变化，以此模拟近视眼的矫正。

3.3 解释：数学分析，探讨归纳

注射器刻度的变化值是水透镜曲度变化的重要参考指标：当刻度变化值为负数时，注射器注水，数值越小，水透镜的曲度越大；当刻度变化值为正数时，注射器抽水，数值越大，水透镜的曲度越小。学生利用表2所记录的数据，以注射器刻度变化值作为横坐标，光源位置刻度作为纵坐标，绘制散点图（图4），并利用该数学模型解释“为什么近视度数越深，看东西就得越近”。教师引导学生探讨归纳，结合模拟近视眼矫正探究过程与物理光学的知识，总结近视眼的成因以及矫正方法，并让学生在学案中绘制光路图（图5），以巩固知识，及时反馈学生对眼球成像原理的掌握情况。

3.4 精致：迁移运用，完善概念

教师询问学生家中的爷爷、奶奶有无老花眼，让学生联系实际进行交流。教师追问学生对远视眼的理解以及老花眼的成因。学生模仿近视眼成像的探究过程，开展“远视眼成像探究”与“模拟远视眼矫正”，完善眼球成像探究数学模型（图6），并绘制远视眼及矫正光路图（图7），将新学的方法和技能迁移运用于新问题情境的解决中，以此帮助深化对眼球成像原理的理解，提升探究实践能力和模型思维能力。

3.5 评价：多元主体，全面评价

本研究将教学评价贯穿于教学过程，注重评价主体的多元化，做到过程性评价和终结性评价并举。学生以小组为单位开展眼球成像探究，完成探究实验报告，交流讨论实验结果，并进行自我评价和组内互评，在自我反思中发现不足，在小组互评中彼此促进。而教师综合学生在小组合作、举手发言、实验报告填写等多方面的表现，对学生进行过程性评价。此外，教师还让学生尝试解释“激光近视手术是如何治疗近视的”，并以此作为终结性评价，促进学生对科学知识的理解与应用，使学生认识到生物学与社会的紧密联系，实现课堂教学的“教、学、评”一体化。最后，教师向学生强调激光近视手术可能带来的副作用，让学生认识到保护视力的重要性，并让学生课后宣传预防近视的措施，渗透生命安全与健康教育。

4 总结与反思

本研究基于5E教学模式，运用自制眼球成像模型开展近视眼和远视眼的眼球成像探究活动，并利用数据建构数学模型，帮助学生理解眼球成像原理，提升学生的探究实践能力和模型思维能力。在教学过程中，教师应注意以下几点：①在探究开始前，教师应准备好眼球成像模型与导学案等相关材料，并在“吸引”环节中充分激发学生探究的欲望，从而保障探究活动的顺利开展。②在探究过程中，教师应积极观察各组成员的表现，掌握学生的进度，及时反馈学生的求助信息，成为学生探究活动的参与者、共谋者。③在探究结束后，教师应组织学生对探究结果进行讨论交流，引导建构眼球成像的数学模型，实现对科学概念的深度建构。