崔方琳　陳紅君

摘 要：在科技快速發(fā)展的時(shí)代背景下，社會(huì)對(duì)創(chuàng)新型人才的需求愈發(fā)迫切，同時(shí)，隨著新課改的實(shí)施，學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)也越來(lái)越受到人們重視。在對(duì)創(chuàng)新與素養(yǎng)的雙重需求下，教師需要改進(jìn)傳統(tǒng)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式，滿足現(xiàn)代教育需要。文章以STEM教育理念為出發(fā)點(diǎn)，以探究加速度與力、質(zhì)量的關(guān)系的實(shí)驗(yàn)為例，基于“5E”教學(xué)模式對(duì)高中物理實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新型教學(xué)模式進(jìn)行探討，希望能為一線教師提供啟發(fā)與借鑒。

關(guān)鍵詞：高中物理；教學(xué)設(shè)計(jì)；“5E”教學(xué)模式；實(shí)驗(yàn)教學(xué)

基金項(xiàng)目：本文系長(zhǎng)春師范大學(xué)研究生創(chuàng)新項(xiàng)目資助“后疫情時(shí)代下師范生信息素養(yǎng)現(xiàn)狀調(diào)查與提升策略研究”（項(xiàng)目編號(hào)：［2022］第85號(hào)）的研究成果。

作者簡(jiǎn)介：崔方琳（1999—），女，長(zhǎng)春師范大學(xué)物理學(xué)院。

陳紅君（1978—），女，長(zhǎng)春師范大學(xué)物理學(xué)院。

一、研究背景

2016年，國(guó)務(wù)院辦公廳印發(fā)了《全民科學(xué)素質(zhì)行動(dòng)計(jì)劃綱要實(shí)施方案（2016—2020年）》，文件中明確提出，要增強(qiáng)中學(xué)數(shù)學(xué)、物理、化學(xué)、生物等學(xué)科教學(xué)的橫向配合，推進(jìn)科技教育，鼓勵(lì)普通高中探索開(kāi)展科學(xué)創(chuàng)新與技術(shù)實(shí)踐的跨學(xué)科探究活動(dòng)［1］。同時(shí)，《普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版2020年修訂）》也要求高中生在學(xué)習(xí)物理知識(shí)與技能的同時(shí)，體驗(yàn)科學(xué)探索的過(guò)程，掌握科學(xué)研究的方法，提升實(shí)踐探究能力、科學(xué)創(chuàng)新能力和問(wèn)題解決能力等。但是，傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)往往只關(guān)注實(shí)驗(yàn)結(jié)論而忽視實(shí)驗(yàn)探究過(guò)程，難以滿足教育現(xiàn)代化的要求。而STEM教育理念下的“5E”教學(xué)模式不僅強(qiáng)調(diào)了各學(xué)科內(nèi)容的整合，重視各學(xué)科知識(shí)之間的深層內(nèi)在聯(lián)系，還以培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新能力、思維能力、核心素養(yǎng)為核心目標(biāo)，契合新課改及創(chuàng)新型社會(huì)對(duì)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的要求。本文以“探究加速度與合力、質(zhì)量關(guān)系”實(shí)驗(yàn)為例，結(jié)合教育實(shí)踐，探討如何將“5E”教學(xué)模式真正落實(shí)到高中物理課堂的實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新教學(xué)中。

二、“5E”教學(xué)模式概述

“5E”教學(xué)模式是一種基于建構(gòu)主義的探究式教學(xué)模式，由美國(guó)的生物學(xué)課程研究會(huì)（Biological Sciences Curriculum Study，BSCS）在Atkin-Karplus學(xué)習(xí)環(huán)的基礎(chǔ)上提出，包含參與（Engage）、探究（Explore）、解釋?zhuān)‥xplain）、遷移（Elaborate）和評(píng)價(jià)（Evaluate）五個(gè)環(huán)節(jié)［2］。這一教學(xué)模式注重課堂教學(xué)的情境性、嘗試性、親歷性、遷移性和應(yīng)用性，以學(xué)生為課堂中心，教師負(fù)責(zé)引導(dǎo)學(xué)生自主完成探究學(xué)習(xí)。在自主學(xué)習(xí)過(guò)程中，學(xué)生將會(huì)對(duì)知識(shí)展開(kāi)有意義的構(gòu)建，這對(duì)于培養(yǎng)學(xué)生的生命觀念及社會(huì)責(zé)任意識(shí)，發(fā)展學(xué)生的科學(xué)思維及科學(xué)探究能力具有積極意義。

物理是一門(mén)以實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)的學(xué)科，脫離實(shí)際的理論學(xué)習(xí)無(wú)疑是紙上談兵。通過(guò)參與實(shí)驗(yàn)探究，學(xué)生能夠理解理論形成過(guò)程，養(yǎng)成獨(dú)立思考的好習(xí)慣，激發(fā)探索新事物的好奇心，培養(yǎng)質(zhì)疑精神和創(chuàng)新意識(shí)。因此，實(shí)驗(yàn)教學(xué)在高中物理學(xué)習(xí)中的重要性不言而喻。然而，當(dāng)前一些高中物理教師的實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式傾向于“填鴨式”教學(xué)，即教師直接提供給學(xué)生實(shí)驗(yàn)方案、完備的實(shí)驗(yàn)裝置、詳細(xì)的實(shí)驗(yàn)步驟和要點(diǎn)，學(xué)生按部就班地完成實(shí)驗(yàn)。這樣的教學(xué)雖然能看似完美地完成教學(xué)任務(wù)，但實(shí)際上不利于學(xué)生素養(yǎng)和能力的發(fā)展。

因此，面對(duì)高中物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的實(shí)踐探究和創(chuàng)新需求，本文基于“5E”教學(xué)模式，就高中物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)展開(kāi)研究，并對(duì)“5E”教學(xué)模式的五個(gè)基礎(chǔ)環(huán)節(jié)加以補(bǔ)充。這五個(gè)基礎(chǔ)環(huán)節(jié)如下：（1）參與——?jiǎng)?chuàng)設(shè)問(wèn)題情境，激發(fā)探究興趣；（2）探究——開(kāi)展合作探究，培養(yǎng)創(chuàng)新能力；（3）解釋——交流探究結(jié)果，轉(zhuǎn)化學(xué)習(xí)思維；（4）遷移——聯(lián)系生活實(shí)際，深化設(shè)計(jì)方案；（5）評(píng)價(jià)——反饋學(xué)習(xí)效果，培養(yǎng)科學(xué)思維。具體如圖1所示。

三、基于“5E”教學(xué)模式的物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)案例及分析

人教版高中物理必修一第四章第二節(jié)“實(shí)驗(yàn)：探究加速度與力、質(zhì)量的關(guān)系”是非常典型的實(shí)驗(yàn)探究課。本章第一節(jié)討論了牛頓第一定律，而第二節(jié)要求學(xué)生通過(guò)實(shí)驗(yàn)來(lái)探究物體的加速度、質(zhì)量與受到的合力三者之間的關(guān)系，為下一節(jié)學(xué)習(xí)牛頓第二定律做鋪墊，起到了承上啟下的作用。在這一節(jié)中，教師可以讓學(xué)生自行設(shè)計(jì)并改進(jìn)實(shí)驗(yàn)，以此充實(shí)和豐富課堂教學(xué)內(nèi)容，進(jìn)而激發(fā)學(xué)生的求知欲望，對(duì)學(xué)生自主探究實(shí)驗(yàn)?zāi)芰M(jìn)行培養(yǎng)［4］。

（一）參與：創(chuàng)設(shè)問(wèn)題情境，激發(fā)探究興趣

教師通過(guò)多媒體設(shè)備播放兩個(gè)視頻：①普通小轎車(chē)全力加速到80 km/h需要十幾秒，但是在其余條件不變的情況下，裝滿貨物的大卡車(chē)同樣加速到80 km/h卻要慢得多。②質(zhì)量和體積相差不大的小轎車(chē)與賽車(chē)同時(shí)啟動(dòng)，賽車(chē)能在5秒左右就加速到80 km/h［5］。視頻生動(dòng)有趣，能吸引學(xué)生的注意力并激發(fā)其學(xué)習(xí)興趣，教師以此為背景為學(xué)生創(chuàng)設(shè)問(wèn)題情境：為什么視頻中這些車(chē)輛啟動(dòng)后速度達(dá)到80 km/h所花的時(shí)間不相同？學(xué)生對(duì)照兩個(gè)視頻，在思考和分析后發(fā)現(xiàn)，車(chē)輛的加速度可能與其自身質(zhì)量及所受到的合外力有關(guān)，但具體有何種關(guān)系還需要進(jìn)一步探究。

分析：在生活中，學(xué)生能夠接觸到許多與物理知識(shí)息息相關(guān)的現(xiàn)象。該環(huán)節(jié)以學(xué)生平時(shí)經(jīng)常見(jiàn)到的汽車(chē)為切入點(diǎn)進(jìn)行情境創(chuàng)設(shè)，引出本節(jié)課要探究的加速度、質(zhì)量和合力三個(gè)物理概念，充分調(diào)動(dòng)學(xué)生思考的積極性，使學(xué)生對(duì)接下來(lái)將要開(kāi)展的實(shí)驗(yàn)產(chǎn)生強(qiáng)烈的學(xué)習(xí)興趣和探究欲望。

（二）探究：開(kāi)展合作探究，培養(yǎng)創(chuàng)新能力

教師引入新課后，向?qū)W生提供必要的實(shí)驗(yàn)儀器和一個(gè)簡(jiǎn)單的傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)裝置（如圖2），并提出三個(gè)問(wèn)題，引導(dǎo)學(xué)生探究思考：①怎樣確定物體運(yùn)動(dòng)加速度與其受力或質(zhì)量的關(guān)系？②如何正確且簡(jiǎn)便地測(cè)量出物體的加速度？③如何測(cè)量物體所受合力？通過(guò)小組討論，學(xué)生對(duì)這三個(gè)問(wèn)題及相關(guān)實(shí)驗(yàn)研究過(guò)程有了大致的想法。在此基礎(chǔ)上，教師提出新的問(wèn)題：此實(shí)驗(yàn)中是否有其他因素會(huì)影響實(shí)驗(yàn)探究結(jié)果呢？面對(duì)這一問(wèn)題，學(xué)生大膽發(fā)散思維并提出自己的想法。

分析：明確整個(gè)實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)方案及細(xì)節(jié)是實(shí)驗(yàn)探究課的重難點(diǎn)，因此，在這個(gè)部分教師需要給予學(xué)生充足的時(shí)間進(jìn)行思考探究。教師要認(rèn)識(shí)到，學(xué)生是這一環(huán)節(jié)的主體，教師只起到啟發(fā)引導(dǎo)的作用，應(yīng)提出需要解決的關(guān)鍵問(wèn)題，調(diào)動(dòng)學(xué)生主動(dòng)思考的積極性，從而培養(yǎng)學(xué)生分析問(wèn)題和解決問(wèn)題的能力。

（三）解釋?zhuān)航涣魈骄拷Y(jié)果，轉(zhuǎn)化學(xué)習(xí)思維

該環(huán)節(jié)中，各學(xué)習(xí)小組展示本組探究成果，其他學(xué)生提出質(zhì)疑或進(jìn)行補(bǔ)充。對(duì)于第一個(gè)探究問(wèn)題，有學(xué)生選擇控制變量法作為探究方法，即先保證物體的受力情況不變，對(duì)不同質(zhì)量的物體的加速度進(jìn)行測(cè)量，并分析加速度與力的關(guān)系，然后再保證物體的質(zhì)量不變，測(cè)量同一物體在不同受力情況下的加速度，并分析加速度與質(zhì)量的關(guān)系。對(duì)于第二個(gè)探究問(wèn)題，有學(xué)生想到讓物體從靜止開(kāi)始釋放，做無(wú)初速度的直線運(yùn)動(dòng)，其位移可以用刻度尺測(cè)出，運(yùn)動(dòng)時(shí)間可以用秒表測(cè)出，再根據(jù)運(yùn)動(dòng)學(xué)公式計(jì)算出加速度。其他學(xué)生補(bǔ)充不同方法：利用打點(diǎn)計(jì)時(shí)器可以更快速準(zhǔn)確地使用逐差法求出加速度。對(duì)于第三個(gè)探究問(wèn)題，學(xué)生發(fā)現(xiàn)在忽略摩擦力的影響下，恒力F可以代表物體所受合力，因此可以把放在木板平面上的小車(chē)受到的拉力當(dāng)作合外力，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)得出：物體加速度大小與作用力成正比，跟物體體質(zhì)量成反比。教師需要結(jié)合每個(gè)小組在此過(guò)程中的具體表現(xiàn)，對(duì)各個(gè)成員的自主學(xué)習(xí)能力、問(wèn)題解決能力、思維創(chuàng)新能力等進(jìn)行相應(yīng)的評(píng)價(jià)與反饋。

在探究實(shí)驗(yàn)的影響因素時(shí)，大部分學(xué)生都能判斷出小車(chē)與木板間產(chǎn)生的摩擦阻力對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果是有影響的，并根據(jù)此影響因素提出相應(yīng)的解決方案：利用物體重力沿斜面向下的分力平衡物體與接觸面間的摩擦阻力，可以將木板一端適當(dāng)墊高來(lái)平衡物體在運(yùn)動(dòng)中所受到的摩擦阻力。

分析：學(xué)生以小組為單位展示探究成果，鍛煉了語(yǔ)言表達(dá)能力及邏輯思維能力。學(xué)生在分析實(shí)驗(yàn)影響因素的過(guò)程中，通過(guò)構(gòu)建物理模型進(jìn)行受力分析，找到平衡摩擦力的方法，培養(yǎng)了模型建構(gòu)能力；通過(guò)小組合作交流，設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)步驟，討論實(shí)驗(yàn)細(xì)節(jié)，體會(huì)到了合作探究的力量，增強(qiáng)了實(shí)踐意識(shí)，鍛煉了科學(xué)思維和探究能力。

（四）遷移：聯(lián)系生活實(shí)際，深化設(shè)計(jì)方案

教師引導(dǎo)學(xué)生回顧課堂一開(kāi)始提出的汽車(chē)加速快慢的問(wèn)題，學(xué)生嘗試運(yùn)用已學(xué)知識(shí)對(duì)此作出解釋?zhuān)盒∞I車(chē)加速到80 km/h的時(shí)間比裝滿貨物的大卡車(chē)快，是因?yàn)樾∞I車(chē)的質(zhì)量較?。毁愜?chē)加速到80 km/h的時(shí)間比小轎車(chē)快，是因?yàn)橘愜?chē)有性能更強(qiáng)大的發(fā)動(dòng)機(jī)，合外力大。同時(shí)，教師引導(dǎo)學(xué)生嘗試對(duì)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行優(yōu)化：將傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)中的長(zhǎng)木板換成氣墊導(dǎo)軌，從而減輕摩擦力對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響，也能使實(shí)驗(yàn)變得更加簡(jiǎn)單。并給學(xué)生留下課后作業(yè)：怎樣改進(jìn)實(shí)驗(yàn)才能在小車(chē)質(zhì)量并非遠(yuǎn)大于砝碼質(zhì)量的情況下使小車(chē)所受合外力等于砝碼重力呢？

分析：在教學(xué)過(guò)程中，教師聯(lián)系生活實(shí)際能夠進(jìn)一步發(fā)展學(xué)生嚴(yán)謹(jǐn)?shù)倪壿嬎季S能力，同時(shí)對(duì)促進(jìn)學(xué)生深度理解與掌握知識(shí)也能起到良好的效果。在本節(jié)教學(xué)設(shè)計(jì)中，通過(guò)解決課堂導(dǎo)入問(wèn)題，學(xué)生能進(jìn)一步理解與應(yīng)用本節(jié)物理知識(shí)；通過(guò)完成課后任務(wù)，學(xué)生能進(jìn)一步增強(qiáng)應(yīng)用所學(xué)物理知識(shí)分析與解決問(wèn)題的能力。

（五）評(píng)價(jià)：反饋學(xué)習(xí)效果，培養(yǎng)科學(xué)思維

教師在課堂的各個(gè)環(huán)節(jié)都需要對(duì)學(xué)生進(jìn)行及時(shí)的評(píng)價(jià)，評(píng)價(jià)方式應(yīng)是多元的，不僅包括對(duì)學(xué)生學(xué)習(xí)效果、探究積極性等的課堂評(píng)價(jià)，還包括教師評(píng)價(jià)、學(xué)生自評(píng)與互評(píng)等。多元的評(píng)價(jià)能夠使學(xué)生及時(shí)獲得反饋，也能提升學(xué)生的自我認(rèn)知，使其知錯(cuò)就改。同時(shí)，正向的評(píng)價(jià)也能使學(xué)生樹(shù)立自信，為其往后的學(xué)習(xí)打好基礎(chǔ)。在評(píng)價(jià)內(nèi)容上，教師需要同時(shí)考慮到學(xué)生的基礎(chǔ)知識(shí)和基礎(chǔ)能力兩方面，這樣才能對(duì)學(xué)生做出較為準(zhǔn)確且有效的評(píng)價(jià)，并且教師評(píng)價(jià)要與生生評(píng)價(jià)相互配合，以有效培養(yǎng)學(xué)生的反思能力和科學(xué)思維。

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