基于STEAM教育理念的5E教学设计——以“DNA的结构”为例

◇安庆师范大学生命科学学院 李思悦 潘美敬 范志强

本文以“DNA的结构”为例，尝试采用5E教学模式，在具体的教学过程中渗透STEAM教育理念。通过“参与、探究、解释、迁移和评价”五个教学环节，引导学生形成跨学科的思维，提升学生科学探究能力。

《普通高中生物课程标准（2017版2020年修订版）》中明确指出教材内容的选择要充分考虑与其他学科的衔接，这对培养学生的创新意识、综合素质和科学探究能力提出了新的要求[1]。这与整合科学、技术、工程、艺术、数学等多科融合的STEAM教育理念相一致。5E教学模式是美国生物学课程研究（BSCS）开发的一种基于建构主义教学理论的模式，由吸引（engagement）、探究（exploration）、解释（explanation）、迁移（elaboration）和评价（evaluation)五个环节组成，因为首字母都是“E”，所以被称为“5E”[2]。

在“DNA的结构”一节的教学中，教师将STEAM教育理念融入教学过程中，采用5E教学模式，设计探究活动引发学生对DNA的具体结构进行探索，从而帮助学生深入理解生物学学科知识，激发学习兴趣，全面落实学科核心素养。

1 教材分析及学情分析

本节是人教版高中生物学必修二《遗传与进化》第三章第二节的内容，涉及的知识点包括DNA双螺旋模型的构建、DNA的结构和特点等内容。其中，DNA结构的主要特点是本节课的教学重难点。掌握好本节内容有助于帮助学生进一步理解核酸是遗传信息的携带者、DNA是主要的遗传物质等前期所学的课程内容，同时又为后面学习DNA的复制、基因指导蛋白质的合成、基因表达等章节打下坚实的基础，促使学生对生命科学的学习实现从细胞水平走向分子水平的跨越。

学生通过前期的学习，打下较好的生物基础。同时，高二年级的学生已经具备一定的逻辑推理能力，能够基于相关的生命科学史，灵活运用模型与建模的方法解决问题。

2 教学目标

基于生物学课程标准、学业要求和学业质量标准，同时参考学生核心素养的要求，制订了如下教学目标。

（1）分析DNA分子的结构模型，概述DNA的结构特点，解释该结构与其储存遗传信息的功能之间的关系，形成结构与功能相统一的生命观念。

（2）通过亲手搭建DNA双螺旋结构模型，从基本结构到双链结构，最后到空间结构的构建，培养学生形成逻辑思维和模型思维的科学思维意识。

（3）学习科学家积极探索DNA双螺旋结构模型的构建历程，掌握科学探究的基本过程和方法，提高动手实践能力。

（4）通过相关科学史的学习，感悟科学发现离不开科学合作、多学科的交叉融合以及科学家锲而不舍的探究精神，同时关注DNA在生活中的应用，积极运用科学知识解释生活现象。

3 教学过程

3.1 参与：创设真实情境，激发学习兴趣

参与环节是5E教学模式的起始环节，目的是导入新课。建构主义认为学习是学习者新旧知识经验之间相互联系，最后将其调整为新的认知结构的过程[3]。同时STEAM教育理论强调综合运用多学科的知识解决基于真实情境中的问题，当创设的情境和学生原有知识经验相关时，有利于激发学生的学习兴趣，提升科学探究能力。

教师播放2004年雅典奥运会开幕式的截取片段，展示开幕式中出现的DNA双螺旋结构。引导学生思考：视频中出现了一个非常完美的结构，是什么结构呢？而这种结构为什么能够出现在奥运会这样重要的场合中，具有什么意义呢？学生思考回答后，教师进一步提问：上节课我们通过几位科学家的实验知道了DNA是主要的遗传物质，那DNA是如何发挥功能的呢？我们知道结构决定功能，那DNA在起遗传作用时对应的结构是怎样的呢？通过观看具有艺术美感的视频，设置真实的问题情境，同时通过问题串衔接新旧知识，引发学生对DNA结构的关注与思考。

3.2 探究：重温科学历程，深入探索实践

探究环节是5E教学模式的核心环节，也是整个学习过程的关键部分。在这个阶段，学生处于主体地位，学生针对具体的问题进行探究活动，通过团队合作和归纳分析，获得新知。

探究一：构建脱氧核苷酸。

教师带领学生复习必修一中DNA的相关内容：中文名称、元素组成、基本单位。教师请学生上台用身体模拟脱氧核苷酸，并让学生说出脱氧核苷酸的基本组成部分。

教师在课前下发模型教具，白色小球代表磷酸，蓝色小球是脱氧核糖，四种颜色的方块代表四种碱基，细棒连接磷酸与脱氧核糖，粗棒连接碱基与脱氧核糖。要求学生四人为一学习小组，用所给材料制作一个含四种脱氧核苷酸的DNA片段，五分钟内完成。完成后，请小组代表展示并介绍四种脱氧核苷酸的名称。

探究二：构建一条脱氧核苷酸链。

教师启发学生思考：我们已经知道了一个脱氧核苷酸如何连接，那两个脱氧核苷酸如何进行连接呢？教师请学生自主讨论两条脱氧核苷酸如何进行连接，尝试利用手中的材料搭建一条脱氧核苷酸链。小组代表展示搭建成果，各小组之间进行评价，教师进行总结评价。教师通过类比蛋白质之间的脱水缩合反应，帮助学生理解脱氧核糖和碱基之间脱去一分子水，最后形成一个新的化学键磷酸二酯键。通过分组讨论、模型构建、生生评价和师生评价等活动高效突破脱氧核苷酸之间的连接方式这一难点。

探究三：构建DNA平面结构模型。

学生自主阅读教材，了解科学家研究DNA分子结构的探索历程，同时补充阅读鲍林等其他科学家的研究过程。教师请学生归纳总结不同的科学家对于DNA分子的结构的研究的贡献，感悟科学研究的精神。

学习完相关科学史后，教师请学生思考以下问题：一个DNA分子由几条脱氧核苷酸构成？假设你是沃森和克里克，你认为DNA的两条链有几种排列方式？沃森和克里克曾尝试将碱基位于螺旋外部，磷酸位于内部的双螺旋结构，你认为合理吗？位于DNA内部的碱基如何配对，通过什么化学键进行配对呢？

教师提示学生含氮碱基疏水，磷酸基团亲水，并播放水溶性EGCG挡脂分子无法穿过细胞膜的动画，提示学生可以类比磷脂双分子层的结构。学生推测碱基位于DNA螺旋结构的内侧，磷酸在外侧。同时根据查哥夫的研究推测腺嘌呤和胸腺嘧啶配对，鸟嘌呤和胞嘧啶配对。小组讨论交流，尝试利用手中的材料搭建DNA平面结构模型。学生自己动手实践验证猜想，激发学生的学习兴趣。通过学生模型构建和不断修正的过程，帮助学生深入理解DNA分子的结构，培养学生的科学探究能力。

探究四：构建DNA立体结构模型。

小组合作，尝试制作立体的DNA结构模型，各小组之间进行展示和交流。通过亲手制作和展示讲解，化抽象为具体，学生直观地感受DNA立体结构之美的同时提高了学生的语言表达能力。

3.3 解释：梳理重点知识，培养科学思维

在解释环节，教师提供学生展示探究结果的机会，引导学生在已有知识的基础上解释观察结果。教师对学生观点进行点评，促进其知识建构，培养学生的逻辑思维能力[4]。

教师鼓励学生结合模型思考DNA分子的结构特点，回答以下问题：①DNA分子由几条链组成的，两条链的方向如何？②位于DNA外侧的是什么结构，排列有什么规律？③DNA中的碱基是如何连接在一起的，遵循什么原则？

小组合作讨论，各小组派代表回答问题。

对于问题①，小组代表1：DNA分子是由两条链组成的，这两条链按反向平行方式盘旋成双螺旋结构。对于问题②，小组代表1：DNA分子中的脱氧核糖和磷酸交替连接，排列在外侧，构成基本骨架；碱基排列在内侧。对于问题③，小组代表3：两条链上的碱基通过氢键连接起来，形成碱基对，且遵循碱基互补配对原则。

老师进行点评讲解，最后用一首小诗小结，让学生朗诵并记忆：反向平行双螺旋，脱氧核糖磷酸连。碱基在内相配对，A T C G氢键间。

3.4 迁移：深入学习讨论，突破重点难点

在迁移环节，要求学生利用多学科知识，深入学习和讨论，对学习的知识进行拓展延伸，并且能够运用新知识解决新问题，获得新技能[5]。

教师启发学生根据查哥夫的研究发现，总结DNA分子中嘧啶与嘌呤数量的规律，并尝试和学生一起推导互补碱基和非互补碱基之和的比例在DNA两条链中的规律。教师在黑板上画出DNA两条链，借助图形帮助学生清楚直观地理解碱基之间的数量关系，解决相关数学问题。

3.5 评价：设计多元评价，巩固学习效果

评价是5E教学模式的结束环节，但是评价在教学活动的各个阶段都可以进行。评价方式也是多种多样的，包括教师评价、学生自评和小组互评。通过不同时期的评价和不同的评价方式，能够更加客观地反应学生的学习效果。

教师在课程结束前，引导学生思考，从DNA结构的探索历程，能够得到什么样的启发与感悟呢？教师对学生的回答进行点评，总结出伟大的科学发现离不开科学合作，离不开多学科的交叉融合，离不开研究者们锲而不舍的科学精神。同时启发学生这种探究精神不仅仅在科学研究中用到，在日常的学习生活中也应该持有这种探索求知的精神。

4 教学反思

本节课采用5E教学模式，在教学过程的各个环节渗透STEAM教育理念，从播放奥运会开幕式视频激发学生兴趣，引入概念；通过四种模型构建的探究活动帮助学生具体学习DNA分子的结构；在解释环节梳理重点概念，培养学生的科学思维；从迁移环节借助图形建构帮助学生突破难点问题，解决数学问题；最后在评价环节启发学生感悟生命观念和社会责任。本节课的教学特点是，通过层层递进的探究活动，使抽象概念具体化，有利于学生深入理解DNA分子的结构。