喬伊·丹尼爾·邁爾斯

我們認(rèn)為有效教學(xué)的關(guān)鍵，并不是將重點放在教學(xué)上，而是應(yīng)更多地放在學(xué)生自我參與上。我很榮幸為大家介紹我們?nèi)绾卧谏镎n堂中應(yīng)用“模型”。那么，模型教學(xué)對學(xué)生來說有哪些益處呢？我認(rèn)為主要有以下幾點。

第一，利用教學(xué)模型，學(xué)生會很積極主動地參與到互動的教學(xué)環(huán)境中。第二，可以幫助提高學(xué)生的系統(tǒng)性思維能力。第三，學(xué)生可以在學(xué)習(xí)過程中進(jìn)行定量化、可視化分析，進(jìn)而掌握這項技能。第四，允許學(xué)生開展細(xì)致的研究。第五，幫助學(xué)生對真實生活的事態(tài)演化做出預(yù)測。第六，學(xué)生在獲得知識以后可以將其遷移到其他學(xué)科。我們需要啟發(fā)學(xué)生思考“為什么”“什么時間”“什么地點”“誰”以及“下一步該怎么做”。

我們采用了翻轉(zhuǎn)課堂來實施STEM教學(xué)，如圖1所示，翻轉(zhuǎn)課堂包括兩部分：圖表上半截是需要師生同步的部分，圖表的下半截則是非同步的部分。

其中，左上部是課上的演示與應(yīng)用環(huán)節(jié)。整個過程中貫穿著學(xué)生的創(chuàng)造性項目和課堂展示。左下部是課后的意義建構(gòu)環(huán)節(jié)，學(xué)生可以寫博客、發(fā)布播客視頻以及參加考試等，最終這些都會成為評價學(xué)生的依據(jù)。右上部是課上學(xué)生參與實驗體驗環(huán)節(jié)，學(xué)生將通過自己動手參與活動、游戲以及實驗等開展學(xué)習(xí)活動，教師則會給予及時的反饋。右下部主要是課后知識探究環(huán)節(jié)，包括網(wǎng)上視頻授課、音頻授課以及網(wǎng)絡(luò)互動等。

我將重點介紹我們在生物課堂中（也就是圖表上半截需要師生同步的部分）是如何使用模型，以使學(xué)生參與創(chuàng)造性活動的。作為一名生物老師，在我的教學(xué)生涯中，我發(fā)現(xiàn)有些主題，如基因遺傳、細(xì)胞吞噬、DNA 折紙術(shù)、蛋白質(zhì)合成、有絲分裂、自然選擇，是我們課堂教學(xué)中少數(shù)真正復(fù)雜的生物學(xué)過程。

以“龍”為例，如果要用語言來解釋龍是怎樣從它的父母那里遺傳來外貌特征和行為方式的，會相當(dāng)復(fù)雜，學(xué)生理解起來也很困難。我們不妨換種思路，采用比較淺顯的方式來展示。在生物課堂上，我會拿一些相關(guān)的材料，比如兩個龍蛋的模型，來展示它基因遺傳的原理。延伸這個主題，學(xué)生還會問關(guān)于DNA的問題，那我就讓學(xué)生通過龍蛋這個模型，學(xué)習(xí)DNA是如何結(jié)合到一起的。同樣，學(xué)生還發(fā)現(xiàn)龍是長脖子還是短脖子的原因是由基因決定的，以此類推到，人類為什么有的是卷發(fā)，有的是直發(fā)。

我們還可以在課堂上跟學(xué)生玩腦筋急轉(zhuǎn)彎游戲。比如，我先給學(xué)生一個白色塑料袋，再給他們一些他們真正想要的東西，比如糖果。白色塑料袋代表的是細(xì)胞，學(xué)生要想出辦法，怎樣讓細(xì)胞把糖果“吃”進(jìn)去。這就解釋了細(xì)胞的吞噬過程。

關(guān)于蛋白質(zhì)合成，我們則可以使用樂高積木作為模型來展示。我們知道，很多我們接觸到的事物都是由蛋白質(zhì)組成的，但學(xué)生們并不明白為什么蛋白質(zhì)的組成是不一樣的。我會讓學(xué)生在課堂上站在一起演示蛋白質(zhì)組成的方式。一個學(xué)生代表著DNA，一個學(xué)生代表著mRNA，還有一個學(xué)生代表著細(xì)胞合成的另外一個角色。接下來，樂高積木就派上用場了。這些樂高積木代表的就是組成DNA的元素，組合以后出來就是氨基酸（如圖2）。

圖2 用積木模擬蛋白質(zhì)合成

我們會把學(xué)生分為幾組，每一組都會將積木組合成不同的模型。如果有小組組合出了蛋白質(zhì)，那么他們就需要演示自己是如何把它們構(gòu)成不同的DNA的。這就是課堂上研究合成蛋白質(zhì)的一種教學(xué)方法。不同的學(xué)生會產(chǎn)生自己不同的研究路徑。我在跟學(xué)生聊的時候發(fā)現(xiàn)，學(xué)生在組合不同的小積木方面會有所選擇，這也可以當(dāng)成一個深入研究的方向，即解釋自然選擇的過程是怎樣進(jìn)行的。接下來，我們還可以借助模型讓學(xué)生參與活動。如，讓學(xué)生使用工具把種子從容器里取出來。有些學(xué)生會選擇用鑷子，有些學(xué)生會選擇用勺子。這個過程展示了我們?nèi)绾巫寣W(xué)生的研究思路更加深入。這就是模型在我的課堂教學(xué)中的應(yīng)用，我會用這些工具輔助我的教學(xué)，讓教學(xué)變得更直觀。

專家點評

王晶瑩（首都師范大學(xué)物理系副教授）：中美教師案例的對比展示是STEM教育東西文化的一個有益對話，美國的STEM教育從早期對科學(xué)方法的重視，到科學(xué)探究，再到今天的STEM教育，給我們最大的啟示是科學(xué)教育研究的實證性以及研究的可持續(xù)性。在我看來，這個案例有四個主要特點：第一，在模型教學(xué)的框架下整合了生物學(xué)不同主題的教學(xué)，如基因遺傳等?？茖W(xué)模型本身是具有解釋性和預(yù)測性的，所以也會讓學(xué)生學(xué)會建模，而建模是問題解決的基礎(chǔ)。Modeling Theory in Science Education一書提出了整合模型教學(xué)的五個階段：關(guān)于探索、模型引用、模型形成、模型調(diào)試和范例綜合。這個案例就運用了該模型的五個階段。第二，有學(xué)者研究美國近20年中小學(xué)STEM教育的案例發(fā)現(xiàn)，美國STEM課堂大概有三種類型：一是應(yīng)用延伸型，二是工程設(shè)計型，三是設(shè)計探究型。按這一分類，這位老師更傾向于設(shè)計探究型，結(jié)合模型教學(xué)設(shè)計了翻轉(zhuǎn)課堂四個環(huán)節(jié)，強(qiáng)調(diào)利用計算機(jī)技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)來設(shè)計STEM課程。第三，我們知道，對于教學(xué)中的核心概念，是需要模型來達(dá)成的，理性方法也是需要通過建模的過程來實現(xiàn)的，這個案例體現(xiàn)了模型和建模是學(xué)習(xí)核心概念最有效的方法。第四，體現(xiàn)出了以學(xué)生為中心的形成性評價，這也是STEM教育當(dāng)中最常用的一種評價。這個案例也讓我們看到，STEM教育不僅僅是四個學(xué)科的簡單疊加，而是將這四個學(xué)科的不同素養(yǎng)融合到一起。