基于5E教学模式的模型构建教学——以“种群数量的变化”为例

文件编号：l 〇〇3 -7586(2019)08 - 0026- 03 —一—也
基于5E 教学模式的模型构建教学
—以“种群数量的变化”为例
任文韬
(华南师范大学附属中学广东广州510630)
摘要以“种群数量的变化”为例，应用5E 教学模式进行数学建模的教学，阐述每个环节的设计内容 与意图，探索模型构建教学的一般方法，给出了具体的教学建议。

关键词5E 教学模式模型与建模生物学学科核心素养
第35卷第8期 中学生物学 V 〇1.35 No.8
2019 年 Middle School Biology 2019中图分类号G 633.911引言模型是人们为了某种特定的目的而对认识对象 所做的一种简化的描述，这种描述可以是定性的，也 可以是定量的；有的借助于具体的实物或其他形象 化的手段，有的则通过抽象的形式来表达。

一般认 为，中学生物中的模型可分为物理模型、概念模型和 数学模型三种。

在生物学教学中，把一些复杂的知 识或现象转化为一种简单的图型、结构或概念，更利 于学生理解与接受，因此教科书中存在许多的模 型。

在常规教学中，许多教师利用模型很好地实现 了教学目标。

然而，很多时候学生只是接受了“结 果”，对于如何建模和使用模型解决问题缺乏思 考。

“模型与建模”是学生生物学学科核心素养中 “科学思维”的重要方法，教师有必要在常规教学中 强化这种方法，让它不仅作为教学的手段，也成为学 生思维和解决实际问题的方法。

5E 教学模式是由美国生物学课程研究所(BSCS ) 开发的，基于建构主义理论和概念转变理论的，在国 内外影响比较广泛的一种教学模式。

5E 教学模式共包 括5个教学环节，即引入(Engage )、探究(Explore )、解 释(Explain )、精致(Elaborate )和评价(Evaluate )。

自 20 世纪80年代后期起，该教学模式就己经开始广泛用于 BSCS 设计的课程材料中。

5E 教学模式也得到国内教 师的广泛认同，有学者应用5E 教学模式进行实验教 学、概念教学等的尝试，也有学者提出用5E 教学模 式发展学生的生物学学科核心素养，但在模型与建 模上的具体应用还不多。

“种群数量变化”是本次模型构建教学的载体， 教学对象除了要理解种群数量变化的一般模式之文献标志码B
外，更需要掌握模型的概念和模型构建的一般方
法。

下面尝试用5E 教学模式达成教学目标。

2教学过程
2.1 引入(Engage )
教师介绍2015年某位科学家的研宄：科学家在 新西兰东北部一个叫Saddle 的离岛上做了一个关于 家鼠种群数量变化的实验，在这个6 ha 小岛的南北 部放置雌雄家鼠各一只（岛上原本没有家鼠），并监 测其数量变化。

并提出问题.•请预测12个月后，岛 上老鼠的数量。

学生积极讨论，预测岛上老鼠的数量。

设计意图：教师利用最前沿的科研论文，创建教 学情境，激发学生的学习兴趣。

2.2 探究（Explore )
(1) 教师给出家鼠种群数量每月增加55%的假
设，布置任务：列出描述t 月后老鼠数量的公式，并
将其转化为曲线图。

学生基于已有的数学知识进行抽象与转化，列 出假设条件下的老鼠种群数量增长公式：/V ,=2x (1.55)',并将其转化为曲线图。

设计意图：教师引导学生得出特定情境下种群 数量变化的公式，认识到数学语言的方程式和曲线 图两种形式及各自的特点。

(2) 教师展示2000年来世界人口增长曲线和20 世纪30年代美国某岛屿环颈雉种群数量的增长图， 例证“J ”型增长的存在。

学生由特定案例归纳出“J ”型增长模型的通用
公式
设计意图：教师引导学生归纳该增长模型的通—26 —
用方程式。

(3)教师布置任务：根据构建的家鼠数量增长
模型y v ,=2x ( 1.55)',预测24个月后家鼠数量。

6 ha 的
小岛上能否容纳这么多的老鼠？
学生计算、质疑、思考。

设计意图：教师制造思维矛盾让学生思考，帮助 学生意识到模型需要检验和修正。

2.3 解释(Explain )教师指出，之前的活动就是数学建模的过程，给 出数学模型的定义，呈现数学建模的一般步骤：① 观察研宄对象，提出问题。

② 提出合理的假设。

③ 根据实验数据，用适当的数学形式对事物的 性质进行表达。

④ 通过进一步实验和观察等，对模型进行检验 或修正。

同时，教师指出：课程中最开始家鼠每月增加 55%的假设是有依据的，来源于教材67页思考与讨 论中家鼠种群数量每天增加1.47%的数据。

学生回忆之前的探宄过程，讨论回答在之前的 模型构建过程中，这四步具体对应什么内容。

设计意图：教师帮助学生形成数学模型的概念, 理解建模的基本思路与方法。

2.4 精致（Elaborate )(1)教师介绍Saddle 岛上的研宄：在12月份（当 地夏天）放置两只家鼠让其自然生长，定期（每30 天）观测家鼠的数量，直到来年7月（老鼠种群数量 不再增加），并将观测数据绘制为图1。

11月1月2月3月4月5月6月7月8月 时间图1 Saddle 岛上老鼠数量的变化学生比较实验结果中的“S ”型曲线与之间构建 的“J ”型增长模型，分析两种增长模型的特点，适用 条件。

设计意图：教师将“S ”型增长模型的构建当作 “J ”型增长模型构建第四步“修正”的延续，让学生体 会到模型构建中修正的重要性。

(2)教师展示东亚飞蝗种群数量的波动图（图2)。

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图2东亚飞蝗种群数量的变化
学生思考、讨论：这属于什么样的增长模型？
设计意图：实际记录的数据与原本构建的数学
模型有一定的差异，这并不意味着模型是错的，而 是模型要符合特定的条件才能起到预测的作用。

再次强调模型需要“检验与修正”，帮助学生理解模 型构建步骤中“提出合理假设”与模型适用条件的 关系。

2.5 评价(Evaluate )
教师布置任务：生活中灭鼠的方法有哪些？在 学生回答之后，追问：为何打扫卫生、硬化地面，收拾
好食物有助于控制家鼠的数量吗？
学生讨论、回答，理解环境容纳量的概念。

设计意图：评价学生能否利用“S ”型增长模型解
释和解决现实中的问题。

3反思与展望
在5E 教学模式中，“引入”是很重要的一个环 节，既要让学生产生兴趣，又要为后面的探宄做好铺
垫。

本研宄使用国际知名学术刊物上的论文作为
“引入”的材料，让学生接触最前沿的科研，将学生带 入探究情境。

“岛上家鼠种群数量的变化”成为贯穿各个教学 环节的主线：在“探宄”环节，假设家鼠种群按照特定
的增长率增长，据此构建“J ”型增长模型；“精致”环
节中分析研宄论文中具体的实验数据，修正原有模
型，构建“S ”型增长模型；在“评价”环节应用种群数
量增长模型讨论现实中控制家鼠种群数量的方法等 问题。

教师利用5E 模式中的“解释”和“精致”环节, 在让学生体会建模的过程与方法，同时理解模型的 两个重要外延：模型能简化现实中事物或过程，但 它不能完全等同于事物或过程本身；数学模型具备
有预测的功能，但要在特定的条件下才能保证其准
确性。

在“评价”环节中，评价了学生对新构建模型的 理解和使用，还可以对模型构建的方法进行评价。

教师还可布置、引导学生课后调查与查阅数据，使学
生尝试构建数学模型解决其他的问题，如酿酒过程 中酵母菌有氧呼吸和无氧呼吸比例等。

参考文献：
[1]吴丹丹.模型构建在中学生物学中的教学实践研究与反
$.r •
••夏
J _ I r o o o o 6 4 2—27
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文件编号：l 〇〇3 - 7586(2019)08 - 0028 - 03 —
第35卷第8期 中学生物学 V 〇1.35 No.8
2019 年 Middle School Biology 2019科学思维核心素养提升导向的生物课堂教学设计
—以“遗传信息的转录”为例
王魏然
(北京市十一学校北京100039)
摘要以“遗传信息的转录”为例，以生物学科研成果为主要资料，利用逻辑问题串，引导学生通过归 纳概括、演绎推理及模型构建等科学思维方式分析实验原理和结果等，从而理解转录过程，并提升科学 思维等核心素养水平。

关键词转录科研成果科学思维核心素养
中图分类号G 633.91 文献标志码B
《普通高中生物学课程标准（2017年版）》（以下 简称课标）明确指出生物学是实验学科，是研究者进 行实验设计、实施和结果分析等进而得出结论和发 现规律的学科，并提出了生命观念、科学思维、科学 探宄和社会责任四大生物学核心素养，其中科学思 维即指通过实验事实和证据，经过归纳概括、演绎推 理和模型构建等过程，阐释生命现象及规律的过程。

本教学设计以“遗传信息的转录”为例，利用相 关科学研宄的结果与数据，引导、启发学生通过分析 研究结果中的信息逐渐探索并理解转录的场所、模 板、酶、原料、能量和动态过程等，借此体会根据实验 事实，通过概括和推理等过程解释生命现象和规律 的思维方式，提升科学思维等核心素养水平。

1教材分析本节和“mRNA 的翻译”集中说明基因如何指导 蛋白质的合成，对“基因控制性状”和“蛋白质是生命 活动主要承担者”等概念起衔接作用。

课标对本节本文是中国教育学会教育科研专项课题“基于生物学科资源的STEM 项目学习设计与评价”(课题编号为1701180519B )的研究成果。

教学的要求是“概述DNA 分子上的遗传信息通过 RNA 指导蛋白质的合成”，即要求学生能够概述转录 的场所、模板、酶、原料、能量、动态过程及其意义等， 这也是本部分内容的重难点。

2学情分析
在本节学习前，学生己构建出“基因控制性状”“蛋 白质是生命活动的主要承担者”和“基因是有遗传效应
的DN A 片段”等概念，这是本部分内容学习的基础。

但学生对微观过程存在一定理解障碍，纯粹的 概念教学不仅难以帮助其深刻理解转录，也无法激 发学习热情和动机。

故本节教学时，教师可利用科 研成果这一颇具挑战性的材料，激发学生的学习兴 趣，并通过深度分析实验，帮助其理解转录概念，同 时在分析过程中提升科学思维等核心素养水平。

3教学目标
① 通过归纳实验结果，推理出转录的场所、模 板、酶、能量、原料和过程等，形成“结构与功能观”和 “进化与适应观”等生命观念。

② 通过对实验目的、实验设计的原理和实验结思[J ].生物学通报，2017,52(2): 45-47.[2] 王健，李秀菊.5E 教学模式的内涵及其对我国理科教育 的启示[J ].生物学通报，2012, 47(3): 39-42.[3] 卢镇岳.5E 教学模式应用于概念教学的探索—以“有 丝分裂”一节为例[J ].生物学通报，2016,51(9): 39-42.[4] 刘欣颜，麦纪青，刘恩山.运用5E 教学模式发展学生的 核心素养—聚焦生物学核心素养的教学取向[J ].教育导刊，2017,(6): 48-53.
[5] HW Nathan , MN Clout > JWB Mackay . etal . Experimental island invasion of house m ice [j ]. Population Ecology , 2015> 57
(2)： 1-9.
[6] 人民教育出版社课程教材研宄所生物课程教材研宄开发
中心.生物•必修3•稳态与环境[M ].北京：人民教育出版社， 2004.
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