轉變“迷思概念”：任務驅動下的“5E”探究教學設計
——以“探究杠桿平衡條件”為例

王樂楷

(浙江師范大學基礎教育質量監測中心 浙江 金華 321004)

轉變“迷思概念”：任務驅動下的“5E”探究教學設計
——以“探究杠桿平衡條件”為例

王樂楷

(浙江師范大學基礎教育質量監測中心 浙江 金華 321004)

介紹了迷思概念及轉變迷思概念的“5E”教學模式．提出了以任務驅動教學法、PBL教學法為載體的 “5E”探究教學模式，并探討了該模式下具體的教學設計策略．

迷思概念 “5E”教學模式 任務驅動教學PBL教學 教學設計

1 迷思概念及其轉變

作為物理教師都十分清楚，概念教學是物理教學中的重要環節．學生在學習物理概念之前頭腦里并非一片空白，而是已經存在許多能解釋自然世界的概念，這些概念中與科學概念不一致的概念就是所謂的“迷思概念”(Misconception)[1]．

迷思概念存在廣泛性和頑固性的特點，廣泛性是指在任何領域或年齡的許多人可能同時擁有相同的迷思概念；頑固性是指多數的迷思概念很難改變，學生傾向用自己的想法來解釋科學概念，傳統的教學方式對之收效不大[2]．

根據建構主義倡導的教學理論，科學教學需要以學生原有的概念為基礎，幫助學生實現從迷思概念到科學概念的轉變[3]．概念轉變就是一個解構原有概念建立新概念的過程．認知沖突教學被認為是解構迷思概念的有效手段．

2 整合任務驅動和PBL教學的“5E”探究模式

探究式教學是我國新課程改革倡導的教學方式，是教師在理解“科學探究”基本精神的基礎上，在自由創設的、有結構的、能促進學生認知與情感發展的教學情境中，讓學生自己動手、動腦，主動獲取科學知識和發展探究能力的一種教學方式[4]．在新課改過程中各地出現了許多先進的探究教學模式，區別于其他探究教學模式，“5E”探究教學模式更加注重概念轉變過程中新概念的建構．

“5E”教學是美國生物學課程研究(BSCS,1989)開發的一種基于建構主義理論和概念轉變理論的模式．“5E”教學模式有5個環節構成，分別是：

吸引(Engagement)

探究(Exploration)

解釋(Explanation)

遷移(Elaboration )

評價(Evaluation)[5]

5E教學模式的吸引階段開始于學生迷思概念的認知沖突情境；探究階段建立在學生認知沖突的基礎之上；解釋階段是學生對新概念的重新建構的過程；遷移階段是學生將新概念與原有經驗或其他概念建立聯系的過程；而評價貫穿在所有環節之中．一直以來，“5E”教學模式的研究關注于教學模式流程的開展，對“5E”教學模式載體的討論并不多見，一些教師在“5E”教學模式實踐過程中還是碰到了一些問題，主要表現為教學環節設計上的困難，如何“填充”這些環節，是一個值得研究的問題．

任務驅動教學是一種以建構主義理論，主張將教學內容隱含在一個或幾個代表性的任務中完成教學活動的教學方法[6]．而對于PBL(Problem-based learning)教學是以問題導向的，圍繞問題組織教學內容的教學方法[7]．

兩種教學方法的共同特征是導向性和情景性，都是基于情景引導學生完成學習任務．兩種方法的區別在于任務驅動教學更傾向于情景性，而PBL教學的導向性更為強烈．概念轉變教學的師生活動設計要求創設認知沖突情境，引導學生的迷思概念向科學概念轉變，所以導向性和情景性是轉變學生迷思概念的“5E”探究教學各個環節展開和銜接的關鍵特征．典型任務和問題情境為“5E”教學模式提供了一種載體．筆者在整合任務驅動教學和PBL教學的基礎上，提出了一種新的“5E”教學流程模型(圖1)．

圖1 整合任務驅動和PBL教學的“5E”探究模式模型

在整合任務驅動和PBL教學的“5E”探究模式中，以典型任務或情景的形式把“5E”教學模式的各個環節展現出來，以問題的形式完成各個環節的銜接過渡，以典型任務的完成情況作為各個環節的評價．各個環節的典型任務設計的主要原則是：吸引階段關注學生的生活和興趣，創造迷思概念的認知沖突情境；探究階段體現科學探究的本質精神，充分調動學生動手、動腦的積極性；解釋階段為學生搭建新知識與舊知識建立聯系的平臺；遷移階段為學生提供利用新知識解決新問題的機會．

3 轉變迷思概念的“5E”探究教學設計

以“探究杠桿平衡條件”為例，探討運用整合任務驅動和PBL教學的“5E”探究模式進行教學設計的具體策略．

3.1 設計思想

本節課在課前通過二段式量表[8]診斷了學生對杠桿平衡條件存在的“傾斜的杠桿處于非平衡狀態”、“杠桿的升降只與兩側懸掛重物質量有關”、“在同一點對杠桿施加方向不同但大小相同的力，對杠桿平衡的效果沒有差異”等迷思概念的基礎上，從學生的迷思概念出發，設計了多個典型任務和問題，讓學生在完成任務的過程中利用多種思維方式和學習方式積極地建構知識，經歷類似科學家研究科學問題的歷程獲得知識與應用知識，最終實現由迷思概念到科學概念的轉變．

3.2 學習內容分析

(1)章節地位

“探究杠桿的平衡條件”是“浙教版”《科學》九年級上第3章“能量轉化與守恒”第4節“簡單機械”第3課時的內容．本節課是對之前所學的杠桿的定義與要素的延伸，是學生在初步認識杠桿及其要素之后，對它們之間的相互關系的進一步認識．本節課是學生領會杠桿內涵，重新認識杠桿的重要一課．學生在本節課中對杠桿的認識的深入程度，直接影響到之后對滑輪等簡單機械的實質認識．

(2)教材內容

教材首先介紹了杠桿平衡的定義，進而提出問題：杠桿平衡時，作用在杠桿上的動力與阻力及其力臂之間存在什么關系？然后通過玩蹺蹺板的體會，對假設的建立做出引導，最后設計并進行相關實驗操作，記錄數據分析歸納得到結論，教材這樣的安排符合科學探究的一般流程．

3.3 學習者分析

(1)已有基礎

學生已經學習了杠桿的定義與要素，而且在生活中見過許多杠桿平衡應用的實例．九年級的學生也有過較多的小組合作的經驗，之前也做過多次物理實驗，具備一定的實驗素養．

(2)思維障礙

不少學生缺乏對杠桿平衡的量化的認識，雖然大部分學生可能知道改變力或者力臂會對杠桿平衡產生影響，但對于這個問題的認識一直停留在感性層面，不能將這種認識上升到量化描述或公式描述的高度．

(3)認知特點

九年級的學生已經具備了一定的抽象思維與邏輯分析能力，但是思路缺乏一定的條理．而本節內容中杠桿平衡的條件需要學生聯系之前的知識，發揮一定的創造能力．

3.4 教學目標

(1)知識與技能

1)說出杠桿平衡的狀態；

2)運用簡單的實驗研究杠桿的平衡條件；

3)根據實驗數據推導得出杠桿平衡條件的數學表達式．

(2)過程與方法

1)分組實驗探究杠桿平衡所需要的條件，根據實驗數據進行分析，總結杠桿平衡條件相關的結論；

2)運用杠桿平衡條件的結論解釋杠桿平衡在生活中的應用．

(3)情感態度與價值觀

1)在變換杠桿兩側砝碼來研究杠桿平衡條件的操作中提升實踐能力；

2)在變換彈簧測力計的拉力方向來討論杠桿平衡與力臂關系的問題上，引發科學質疑精神．

3.5 教學重難點

(1)重點

1)杠桿平衡概念；

2)杠桿平衡條件及其數學關系F1l1=F2l2．

(2)難點

1)探究杠桿平衡條件；

2)判斷杠桿平衡條件F1l1=F2l2中力臂的位置．

3.6 教學過程設計

(1)創設情境，導入新課

典型任務1：觀察PPT投影展示的蹺蹺板的兩種狀態(圖2)，在兩種情形下蹺蹺板的受力簡圖(圖3)上標出蹺蹺板的支點和受力情況，并畫出兩種情形下的力臂．

圖2 蹺蹺板的兩種狀態

圖3 蹺蹺板受力簡圖

問題1：兩種情形下的杠桿(蹺蹺板)處于什么狀態？

學生發表各自的觀點，有人認為圖2中A杠桿處于平衡狀態，B杠桿處于非平衡的狀態；有人認為圖2中兩個杠桿都處于平衡狀態．經過相互交流，學生達成圖2中兩個杠桿都處于靜止狀態的共識．

教師介紹杠桿平衡的概念，即杠桿在動力和阻力的作用下，保持靜止或勻速轉動的狀態．通過提問杠桿的平衡需要什么條件，引入對杠桿平衡條件的探究．

設計意圖:吸引環節的典型任務從學生生活中熟悉的蹺蹺板入手，激發學生的學習興趣；同時對兩種蹺蹺板的狀態進行提問，引起學生的認知沖突，使學生重新認識了杠桿平衡的概念；對杠桿平衡所需條件的過渡提問增加了學生進一步探究的欲望．

(2)感受平衡，建立假設

教師安排學生利用杠桿、鉤碼等實驗器材分組進行以下活動：

1)在杠桿支點左側懸掛兩個鉤碼，在右側靠近支點處用手向下拉杠桿使其平衡．將手拉杠桿的位置向右側移動一段距離，使杠桿繼續保持平衡．感受前后手受到的力的差異．

2)保持活動1)，手和鉤碼的位置不變，突然增大手對杠桿的力，觀察杠桿狀態發生的變化．

3)保持活動2)，手和鉤碼的位置不變，在原鉤碼下增加兩個鉤碼，使杠桿繼續保持平衡．感受前后手受到的力的差異．

4)保持活動3)，手的位置不變，將鉤碼移動到靠近支點的位置，使杠桿繼續保持平衡．感受前后手受到的力的差異．

問題2：通過以上活動，你能對杠桿平衡的條件做出猜想嗎？

學生分組討論，最后統一觀點：杠桿的平衡與動力、動力臂、阻力、阻力臂都有關系．

設計意圖:探究(Exploration)環節以4個活動作為開端，通過4個活動加深學生對影響杠桿平衡的有關因素的直觀感受，同時在活動的過程中學生也體會到了杠桿平衡過程中力與力臂此消彼長的關系，為進一步探究杠桿平衡的條件做了鋪墊．

(3)合作交流，探究平衡

典型任務2.1：調節桌面上傾斜的杠桿，使其在水平位置平衡．

學生進行操作，并介紹調節杠桿的方法．學生對調節方法進行總結：杠桿往左側傾斜，可以將兩側或任意一側的平衡螺母向右側旋轉；反之則向左側旋轉．

問題3：根據之前所畫的A和B兩個杠桿的力臂圖，你能分析將杠桿調節至水平位置平衡的原因嗎？

學生分組交流，回答原因:將杠桿調節至水平位置平衡是為了再次平衡時方便兩邊力臂的測量．

典型任務2.2：利用鉤碼盒任意數量的鉤碼，使杠桿在水平位置保持平衡．

在學生探究的過程中，教師提出以下問題：

1)探究杠桿平衡的條件，實驗需要記錄哪些數據？

2)多次實驗與一次實驗相比，有什么好處？

3)實驗條件杠桿平衡的過程中能不能使用平衡螺母？

學生分組討論，設計實驗方案并進行實驗，把相關數據記錄到表1．

表1 “探究杠桿平衡條件”實驗記錄表

問題4：根據表格中的數據，杠桿平衡要滿足怎樣的條件？

學生討論后，匯報結論：

(1)動力與動力臂的乘積等于阻力與阻力臂的乘積．

(2)在杠桿平衡的過程中力與力臂之間存在此消彼長的關系．教師請學生利用公式將上述結論表示出來，即F1l1=F2l2．

設計意圖：探究環節由兩個典型任務組成．典型任務1提高了學生對調節杠桿水平平衡這一操作及其意義的關注程度，有利于進一步實驗的展開．典型任務2自己設計實驗探究杠桿平衡的條件，在探究過程中教師適時點撥，培養了學生的動手操作能力，增進了學習興趣，形成了嚴謹的科學態度．

(4)驗證平衡，鞏固新知

典型任務3：在杠桿的一側掛上2個鉤碼，利用彈簧測力計拉動杠桿使其在水平位置保持平衡．將彈簧測力計向左側或右側傾斜，保持杠桿平衡，觀察彈簧測力計示數變化．

問題5：用彈簧測力計拉動杠桿使其平衡的方法有哪幾種？

學生通過實驗回答：有兩種方法．一種是在鉤碼的同側向上拉，另一種是在鉤碼的異側向下拉．教師請學生總結杠桿平衡與動力、阻力方向的關系．學生討論后總結：在杠桿平衡時，支點在動力與阻力之間，動力、阻力朝向相同；支點在動力與阻力一側時，動力、阻力朝向相反．

問題6：彈簧測力計向兩側傾斜時其示數變大，還符合杠桿平衡的結論嗎？

學生討論并發表觀點，教師在討論中適時地提問：如果該現象依然符合杠桿平衡的結論，在表達式F1l1=F2l2中哪個量也發生了變化？

學生提出觀點：該現象依然符合杠桿平衡的結論，因為傾斜的彈簧測力計的拉力力臂變短．

教師請學生畫出彈簧測力計傾斜拉動杠桿時拉力的力臂，在課外完成對該狀態下杠桿平衡條件的定量探究．

設計意圖：解釋環節安排了一個典型任務，讓學生運用新結論來處理與舊經驗存在矛盾問題．在處理問題的過程中，學生發現了杠桿平衡中一些新的規律，也發現了看似與結論不相符合的現象并引發激烈的討論．加深了學生對新概念的理解，更培養了學生的科學質疑精神．

(5)學以致用，內化提升

典型任務4：如圖4所示，桿秤的秤桿是粗細不均的，判斷它的刻度是否均勻．

圖4 桿秤

問題7：你能用杠桿平衡的條件來解釋生活中桿秤的原理嗎？

學生討論，回答：桿秤的原理就是杠桿平衡的條件F1l1=F2l2，只要知道秤砣的重量和重物與秤砣重力的力臂，就能知道重物的重量．

問題8：利用所學的知識，請你判斷桿秤上的刻度是否均勻？

學生討論，回答：根據桿秤的原理，由于重物重力的力臂一定，所以重物的重量正比于秤砣重力的力臂，因此桿秤上的刻度是均勻的．

設計意圖：遷移階段利用典型任務將杠桿平衡的知識再次與生活結合，讓學生體會到科學知識源于生活又回歸生活的道理．同時引導學生利用科學知識解釋生活現象，體現了STS教育的思想．

4 反思

采用整合任務驅動和PBL教學的“5E”探究教學設計，對探究杠桿平衡的實驗環節安排做出改進．改進后的優點主要有：通過調節平衡螺母、改變杠桿兩端鉤碼數目、彈簧測力計拉動使杠桿平衡等典型任務的安排，不同情形下杠桿的平衡等問題、感受杠桿平衡等活動情境的創設，將概念轉變引入探究教學，引發了學生的認知沖突和概念重建，有利于學生迷思概念的轉變；學生在任務與活動中充分地發揮了自主性，使課堂環境更加活潑，富有生成性．

致謝：感謝浙江師范大學曾平飛教授、陳秉初教授對本文的指導！

1 蔡鐵權,姜旭英,胡玫.概念轉變的科學教學.北京：教育科學出版社，2009

2 孫立峰.初中生月相迷思概念調查研究：[碩士學位論文].金華：浙江師范大學，2005

3 袁維新.建構主義理論用于科學教學的15條原則.教育理論與實踐，2004，24(10):57～62

4 丁邦平.探究式科學教學：類型與特征.教育研究，2010(10)：81～85

5 吳成軍，張敏.美國生物學“5E”教學模式的內涵、實例及本質特征.課程·教材·教法，2010,30(6)：108～112

6 鐘柏昌.任務驅動教學的反思與重塑:[碩士學位論文].南京：南京師范大學，2004

7 劉小龍.中學生物學PBL教學設計模型的構建與教學設計研究：[碩士學位論文].成都：四川師范大學，2015

8 江慧.科學教育中迷思概念的調查研究方法.科學教育，2012，18(3)：87～89

2016-12-01)