基于“5E”和问题串结合模式下的生物课堂教学设计

尹利军 张瑜

《普通高中生物新课程标准（2017年版）》把发展学生的核心素养作为对当前教育提出的新要求，把落实立德树人作为根本任务。发展学生的核心素养落实到具体生物课堂教学中，就要转变学生的学习方式，落实学生的主体地位，让学生在发现问题、解决问题中通过合作、探究学习获取知识，达到理论和生活实践相结合目标。“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和概念转变理论的模式，该模式可分为5个环节，即吸引（En-gagement）、探究（Exploration）、解释（ExDlanation）、迁移（Elaboration）、评价（Evaluation）。“5E”教学模式的内涵及流程如图1所示。该教学模式强调以学生科学思维、科学探究为中心，关注到学生的过程性学习和评价，尤其是促进学生对生物学重要概念的理解和知识的构建，促进学生进行深度学习等方面具有积极作用。

笔者在教学实践中尝试运用“5E”和问题串结合的模式进行教学，达到了让学生对科学概念深入理解的目标，较好的发展了学生的核心素养，现以“细胞的分化”一节教学设计为例，进行分析总结，供教学参考。

1教材内容分析

“细胞的分化”是人教版高中生物《必修1.分子与细胞》第六章第二节的内容，主要涉及多细胞生物个体众多细胞类型来源及形成原因、已分化的细胞具有全能性、细胞能表现出全能性条件等知识。教学内容涉及细胞水平、分子水平分析在细胞分化中多细胞个体组织、器官的形成原因。对于高一学生而言，虽然在前面已经学习过核酸、蛋白质及细胞增殖等内容，但理解本节重点内容仍然较为困难，需要教师创设情境，搭建理解知识支架，让学生通过分析材料，归纳出细胞的分化概念，认同细胞分化的结果，并通过已发现的细胞分化现象探寻分化的原因，理解已经分化的细胞具有相同的遗传信息（物质），由于细胞中遗传信息执行情况不同导致功能不同的细胞分化实质，进而为学习、理解细胞全能性原因做好铺垫。本节内容既是理解细胞生命历程其他内容的基础，同时也为学生将要学习遗传和变异必修内容及植物组培技术、克隆技术及胚胎干细胞等选考内容奠定基础。

2教学目标

通过分析同一个体不同细胞产生过程图片，比较不同细胞结构、功能，理解细胞分化的概念和实质，构建细胞水平的结构和功能观;

通过对比分析组培技术和核移植技术的实例，归纳出细胞全能性的概念和原理，增强对生物学现象或问题比较、分析和归纳的科学思维能力和科学探究能力;

通过真实的教学情景，关注、分析解释与生物学相关的社会现象和问题，增强社会责任意识。

3教学过程

3.1

吸引：创设真实情景，利用问题导学，激发探究兴趣

教师播放浙江卫视“10岁女孩捐髓救患白血病父亲”视频，并介绍：“10岁女孩杨佳怡，为救白血病的父亲，强忍4h的骨髓干细胞的抽取、筛选手术，成功治疗了父亲的白血病。白血病是一类造血干细胞恶性克隆性疾病，其根治的方法主要是进行骨髓移植”。教师依据视频介绍白血病的症状、病因及治疗方法，提出问题：血细胞主要有哪些类型，根治白血病进行骨髓移植的原因是什么？教师设置真实情景，通过创设问题，引导学生思考白血病与骨髓移植关系，形成思维碰撞，以激发学生的求知欲，引出本节课题。

设计意图：本环节通过介绍白血病这一社会上的热点内容，让学生了解这种疾病的症状、病因及治疗方法，增强学生的社会责任感和珍爱生命的价值观。

3.2探究：分析材料，探究细胞分化的实质，推进深度学习

教师利用多媒体展示人体内各种细胞的来源及类型图，提出系列递进性问题，引导学生据图分析、总结细胞分化的概念和特点：

①依据图示可以看出，人体体细胞最终来源于何种细胞，通过何种分裂方式产生这些细胞？

②根据细胞分裂特点，推测各种血细胞细胞核中染色体数目有多少条？

③不同种类的血细胞的功能是什么，这些功能的实现主要是通过细胞中哪种物质承担的，这些功能的实现与细胞形态、结构有关系吗？

④在正常情况下，各种细胞还能恢复原始细胞的形态、结构吗，其他动、植物体细胞种类形成与人体体细胞形成过程有类似过程吗？

⑤总结说明细胞分化的特点有哪些？

学生依据问题经过独立思考、小组合作研讨，最终通过学生间展示、讨论评价，师生共同达成细胞分化的概念和特点，并通过列表总结细胞分化概念及特点。

教师追问：在已经分化的各种体细胞中，为什么蛋白质种类会存在差别呢？学生带着问题继续进行细胞分化实质的探究。

教师展示表1及资料：动物细胞中的一类基因是维持基本生命活动的，在各种细胞中都处于活动状态称为管家基因，另一类基因是选择性表达的基因，称为奢侈基因。

教师要求学生分析表1和资料，回答以下问题：

①根据上阶段所学知识对三类细胞中基因存在情况栏目进行说明？

②根据表1中图示判断，你认为胰岛B细胞最可能是管家基因的是哪种基因，其内的奢侈基因最可能是哪种基因，说明胰岛B细胞中基因表达情况是怎样的？

③在问题①、②基础上完善表格中内容（用√表示存在或表达，×表示不存在或不表达）。

经过一段时间思考并讨论后，教师让学生概括出细胞分化的实质。

设计意圖：教师为让学生理解细胞分化的概念和特点，利用图片资料，通过问题串形式为学生搭建理解知识的支架，引导学生建构细胞分化的概念和特点，建构细胞水平的结构和功能观。在分子水平上理解细胞分化的过程是本节的难点，内容较为抽象。教学时，教师利用素材和图示，引导学生分析、概括细胞分化中不同类型细胞不同基因存在情况及表达情况，让学生理解细胞分化的实质，认同细胞分化在分子水平上变化。

3.3解释：从不同层面对细胞分化进行归纳、解释，理解多细胞个体不同种类细胞出现的实质

在上述探究活动中，学生经历分析思考问题、小组讨论与合作展评，对教师所提出的“同一个体不同体细胞蛋白质种类差异”问题进行解释，最终理解细胞分化的实质，认同细胞分化在遗传分子水平上的调节过程，即基因的选择性表达过程，并总结细胞分化的重要意义。细胞分化解释过程见表2。

设计意图：在此阶段，通过问题引导，学生进一步构建细胞分化的概念，并能准确利用所学知识对概念问题进行剖析、解释，进一步发展科学思维。

3.4迁移：利用概念冲突，突破思维屏障

教师提出问题：一个已经分化的体细胞，具有与该物种个体相同的遗传物质，它能否向受精卵一样再形成不同类型细胞，进而重新发育成为一个个体呢？学生根据细胞分化具有稳定性和不可逆性，大部分认为一个已经分化的体细胞不能再形成一个个体。

教师及时向学生播放“斯图尔德利用胡萝卜韧皮部细胞经组织培养获得完整植株”视频，要求学生思考下列递进式问题：

①一个高度分化的植物细胞要经历哪些过程才能形成完整的植物体？该实验过程能说明高度分化的完整植物细胞具有何种特点或能力？这种特点或能力产生的原因是什么？

②植物体上的细胞没有表现出全能性，而是分化成了不同的组织和器官，这说明植物细胞全能性的表达需要在哪些条件下进行？

③植物种子发育成完整个体过程是否能体现植物细胞的全能性？植物细胞全能性表达的起始点和终止点为何种程度？

④高度分化的动物体细胞能否像高度分化的植物体细胞一样具有细胞的全能性，能否将一个高度分化的动物体细胞通过培养获得完整的动物个体？

经过学生的思考和讨论，对分化的细胞发育成新个体产生新的认识，认同在离体条件下，提供一定的营养物质和植物激素，已经分化的植物细胞能再发育成一个完整的个体，从而构建细胞全能性的概念，同时认为动物细胞也会向植物细胞一样，在体外培养条件下也能发育成一个动物个体。此时教师再向学生展示克隆羊的产生过程图（图2），并要求学生根据克隆羊的培育过程，分析问题：

①为何不直接用B羊的乳腺细胞培养形成完整的个体？，使用乳腺细胞核和卵细胞质构建重组细胞产生“克隆羊”的成功说明什么？

②通过上述实例可以看出，已经分化的动物细胞（核）仍然具有全能性的根本原因是什么？

经过系列问题的引导，学生理解高度分化的动物细胞全能性发挥受到限制，需要卵细胞的细胞质为细胞核的分裂提供相关物质影响，高度分化的动物细胞的细胞核具有全能性。

设计意图：教师利用学生的思维冲突，利用概念的拓展，深化学生对细胞分化概念进行拓展理解，并运用前面所学科学概念，在新的情境中实践、验证、应用和巩固，进而构建并理解细胞全能性的概念。

3.5评价：理论联系实践，进行多维评价

教师提出问题：高度分化的动物细胞能否再发育成不同形态、结构和功能的细胞？教师引导学生在解释问题中进行评价性学习，在学生思维达到瓶颈时向学生展示素材：2012年诺贝尔生理学或医学奖颁给在细胞核重新编程研究领域做出杰出贡献的两位科学家。科学家将4个关键基因移植入己分化的肌肉细胞中并表达，使这个细胞成为多能干细胞（iPS细胞）。教师要求学生根据该实验得过程图（图3），思考下列问题：

①多能干细胞（iPS细胞）得到不同类型细胞过程涉及的过程有哪些？多能干细胞（iPS细胞）产生不同类型细胞的过程中是否体现了干细胞的全能性？

②你还知道哪些动物分化的体细胞具有类似的功能？

③构建多功能干细胞对人类具有哪些意义？

学生分析材料，分组讨论教师提出的系列问题，进一步加深对细胞全能性概念的理解，并通过分析、讨论，归纳出细胞干细胞的类型及培养干細胞在治疗人体某些疾病的作用，进而实现本堂课首尾呼应，理解并能解释骨髓移植能治疗白血病的原因。

设计意图：此环节中，教师给学生机会评价自己的理解和他们在先前阶段所获取的知识和技能，并使学生按收到的有关他们对知识的理解和技能的反馈，形成课堂的形成性评价和总结性评价。

4设计知识网络：主动建构知识网络，熟知知识脉络

教师提示学生利用细胞分化和细胞全能性为关键词，自主将本节所学知识网络进行构建（图4），以加深对所学知识的理解和掌握。

5教学反思

新的课程改革表明，学生学习不仅是为了考试，更重要的是发展学生的核心素养，培养学生在解决真实情景中的生物学问题时所表现出来的必备品格和关键能力。“5E”教学模式的课堂设计，利用视频、图片等素材提供真实教学情境，辅助了课堂学生的活动，调动了学生的学习激情，利用层层递进的问题引导，探查学生的前科学概念，利用概念冲突推动后续教学活动，在活动中发展学生的核心素养。另外，教师利用白血病及其治疗方法、多功能干细胞形成和在医学中的应用等社会热点问题，让学生进行分析、解释，能最大限度地促进学生应用知识，评价学习过程和学习效果，让学生关注、解决（解释）生产生活中的生物学问题，培养学生的社会责任感。