5E教學法在中學物理重心概念教學中的探討

顏國英 張皓晶 鄭原琛 李寶金 張 雄

(云南師范大學,云南 昆明 650500)

1 5E教學法的基本內涵

“三階段學習環”是R. Karplus基于瑞士心理學家皮亞杰的理論研究而提出的,美國生物科學課程專家對此在實踐的基礎上,進一步細分形成5個前后密切聯系的階段:引入(Engagement)、探究(Explore)、解釋(Explain)、拓展(Elaborate)、評價(Evaluate),故稱為5E學習環或5E教學模式,[1]是一種結合構建主義和概念轉變理論,強調學生的主體地位,學生在創設的情境中經歷概念的引入,再進行各種探究活動,發展經驗形成新概念的探究式教學. 5E教學法讓學生學會對生活情境運用概念進行實例映射,多維度拓展促進對所學概念的更深入理解,5E教學法最后“評價”階段,通過教師口頭提出開放性問題、書面表達或表現性任務對學生整個學習過程進行正式評價的有效探究教學.

5個階段的緊密進行體現了學習者基于原有的知識經驗生成意義、建構理解的概念構建過程,同時也是引發認知沖突并加以理解消化的過程,是原有的某種知識經驗由于受到與此不一致的新經驗的影響而發生的重大改變的概念轉變過程.

2 運用5E教學法建立重心概念的過程

在中學物理中,一個物體的各部分都受到重力的作用,從效果上看,可以認為各部分受到的重力作用集中的點叫做物體的重心.重心是一個比較重要的概念,與物體的形狀和質量分布情況有關.而生活的情景中會遇到有關重心偏離幾何中心以及重心發生變化等問題．本文以幾個有關重心的有趣物理現象為例,運用5E教學法體現出學生建立重心概念的過程.

2.1 “爬坡的圓盤”引入重心概念

首先通過演示圓盤在斜坡上的運動,創設圓盤爬坡這樣一種與原認知沖突的問題情境,引起學生的好奇心和注意力,從而主動參與到本課的概念學習中.圓盤可由食品鐵盒a在內部用透明膠等物體固定一重物b制作而成,在演示的過程蓋好蓋子避免讓學生看到內部結構.開始時先以圖1[2]中的A狀態擺放好,提問學生由靜止釋放后圓盤會如何運動,學生根據先驗經驗會回答沿斜面滾下,結果發現圓盤向上“爬坡” 依次經過B、C后在B點靜止;再以B狀態擺放好,提問學生猜想圓盤會如何運動,學生回答后由靜止釋放圓盤進行演示,結果發現圓盤只會輕微擺動仍停留在B處;最后以D狀態擺放好同樣進行演示,結果發現圓盤會向下滾動依次經過C、B、A最后向上滾動停留在B處.學生在每一次演示之前的猜想都極有可能是錯誤的,通常在觀察后仍不能說明為何會有如此神奇的運動現象,順勢引入重心概念.

圖1 “爬坡的圓盤”示意圖

5E教法依據:5E教學法中“引入”環節意味著學生應該在知識產生的真實情境中,通過與教師、同伴的互動,學習建構新知.在這一環節中,教師需要通過創設情境,設計一些引入活動來吸引學生的注意力.這些引入活動中有一部分與當代普遍認可的新經驗一致.而有一些是不一致的.[1]由“爬坡的圓盤”創設的問題情境在很大程度上與學生當前的認知造成了極大的沖突,可以引起學生強烈的求知欲從而達到了引入重心概念的演示效果.

2.2 深入探究“多變的幾何板”

教師給學生提供探究教具:正六邊形硬紙板若干、沿正六邊形對角線剪下的硬紙片若干、掛有10g鉤碼的重垂線以及雙面膠若干.

(1) 組織學生以小組合作形式探究不同形狀、質地均勻的幾何硬板重心,教師示范說明兩次懸掛法的具體過程,學生進行操作探究,分析兩次懸掛法確定重心的合理性,最后總結操作步驟如圖2中的A:用重垂線與幾何紙板于同一點懸掛后,在紙板上畫出重垂線的路徑,改變懸掛點再畫出一條重垂線的路徑,兩線交點M即該紙板的重心;總結出探究結論:質地均勻的物體其重心位于幾何圖形的中心.

(2) 組織學生按照圖2中將正六邊形沿K1、K2對角線對折后用雙面膠固定好,就制成了質地不均勻的五邊形紙板(如圖2中的B),學生繼續探究該紙板的重心.提出問題學生討論:如何判斷B圖形質地是否均勻?該紙板是否是軸對稱圖形?重心有何特點?在探究交流后,學生基本能區分出何種物體是質地均勻的,對于軸對稱的物體,重心必落在對稱軸上的一點，如圖2中的B圖形重心N，必落在該圖形對稱軸上.

圖2 “多變幾何板”的變換過程

(3) 組織學生將上述B圖五邊形紙板再沿對角線K1K3對折,變成既不是對稱又不是質地均勻的C圖形紙板,探究該圖形的重心.提出問題學生討論:如何判斷C圖形質地是否均勻?該紙板是否是軸對稱圖形?重心有何特點?學生總結出質地不均勻的不規則圖形的重心位置無明顯規律特點，但可通過兩次懸掛法找出重心位置，如圖2中的C圖形重心P.此處操作是對兩次懸掛法尋找重心的強化練習.

5E教法依據:以上探究活動始于學生對課前引入的興趣,激發了學習探究的動力,因而學生具有較大的主動性符合探究的科學發展觀.探究活動各環節由淺入深層層遞進,能夠讓學生充分調用已有知識和主體能動性開展探究,各環節緊密關聯又有新的挑戰,符合學生已有知識的元認知結構以及最近發展區理論的要求.“探究”是整個5E教學模式的中心環節,獲取知識、掌握技能和技巧都是在這個過程完成的.[2]

2.3 解釋明確重心概念

根據以上的實驗探究結果,教師鼓勵學生對操作的經驗、概念的理論化以及思維的過程等進行多維度的分析、解釋.出聲思維就是要讓學生將其思維過程充分展示出來,借助于語言向老師或同學吐露其內隱的思維過程.因此,解釋的過程能夠更好地暴露學生對于多變的幾何板重心測量的迷思概念以及低效思維方式,學生能夠及時形成正確的概念并且將零散的知識整理成系統化認知結構,形成正確的物理觀念,培養學生的核心素養.[3]

2.4 制作“雙錐體爬坡” 拓展多維學習

在高中《物理·必修 1 》中通過觀察與思考雙錐體沿斜面軌道上滾的現象,使學生加深了解在重力場中物體總是以降低重心,趨于穩定的規律運動.[4]雙錐體上坡的演示實驗裝置有實驗室的專業裝置,也有用籃球和竹竿等改進的裝置.本文介紹一種讓學生用生活中常見的一次性紙杯就能制作的雙錐,如圖3,用兩個紙杯在開口處用透明膠連接好制成“雙錐”,軌道可以用光滑的金屬棒或者木棍制成.[5]演示雙錐爬坡:開始時雙錐放在距離較小的軌道e內,再慢慢向外移動兩邊軌道到達f處,結果發現雙錐由G1處運動到了H1處,距離斜坡最高點更近了,此過程看起來雙錐在爬坡.教師提供紙杯、透明膠、木棒等讓學生動手制作雙錐,學生嘗試使雙錐運動到“坡頂”并在上述學習的基礎上找出雙錐的重心以及重心的運動軌跡,分析該現象產生原因.提出問題學生討論:若將兩個杯子底部相連接,應如何移動軌道使其“爬坡”?

圖3 雙錐爬坡演示圖及其前視圖

由圖3的前視圖可以發現:G1處雙錐半徑較大,重心所在的直線到導軌的距離較大,即重心高;在軌道變寬后,H1處雙錐半徑小,重心較低,故雙錐爬坡的過程實質上是重心向下運動的過程.若將兩個杯子底部相連接制成雙錐,則軌道應由寬變窄才能使雙錐“上坡”,其原理相同.

5E教學法依據:拓展環節主要包括兩個方面的內容.一是拓寬知識面,二是學以致用,這是學生把所學知識不斷精致化的過程.[6]雙錐爬坡的現象學生可能通過生活中的民俗游戲接觸到,學習這部分內容,不僅是一個動手操作的知識應用過程,更是對我國優秀傳統文化的學習、傳承過程.

2.5 嵌入課堂的評價

嵌入課堂,即說明課堂評價具有教學意義,是一個教學事件的特殊表現形式,評價始于教學,為了教學.本次探究學習的課堂中,教師可通過學生對探究的反饋、學生的自我評價和同伴評價,開展本次評價,或者通過口頭提出開放性問題:學生分析如圖4“翻筋斗的魔丸”的重心變化過程進行非正式評價.

5E教學法的評價理論與我國新課程理念下的評價相契合:主體由教師主導到師生共同參與,評價手段從單一的形成性測驗到正式和非正式評價方法相結合,評價功能從只對學生學習結果查漏補缺到持續支持學生學習再到改善教與學.

圖4 “翻筋斗的魔丸”重心變化示意圖

3 討論

本文討論了5E教學法的各階段在重心概念建立過程的滲透,結合有關重心概念的幾個易引起認知沖突的例子,貫穿闡述了5個階段教學法的設計理念和教學依據,從簡明的原理圖中進行形象生動的分析,有利于學生重心概念的建立以及探究能力的提升.各環節末尾從理論基礎、教學目標和基本特征3個方面討論了5E教學法和我國探究式教學的聯系,為我國中學物理探究教學的發展尋找新的動力.文中的例子在教學中的實用性很強,不僅是因為實驗現象非常明顯,更是因為實驗現象與學生的認知存在一定的沖突,給學生以極大的好奇心和求知動力,探究過程有利于發展學生的動手操作能力和科學素養,在此希望能為其他知識的教學提供有效借鑒.

參考文獻：

1 李娜.基于5E模式的中學物理教學研究——以《物體的沉浮條件及應用》為例[J].物理教學探討2014(5):5-8.

2 B Nuri. Teaching torque with 5E learning strategy: an off-center disk case[J].Phys. Educ. 2018(53)： 013001.

3 桑蕊蕊.淺談5E教學法促進物理觀念的深刻轉變[J].物理通報，2017(8):111-115.

4 張瑛.雙錐體上坡實驗的改進[J].物理通報.2016(5):78-79.

5 B Nuri. New versions of the rolling double cone[J]. Phys. Teach. 2002(40): 156-157.

6 廖伯琴.初中物理教學策略[M].北京:北京師范大學出版社,2010:66-69.