基于“5E”教學模式的高中物理教學設計探究
——以人教版“液體的表面張力”教學為例

符譯丹 陳立萬

（1.重慶三峽學院教師教育學院，重慶 404100；2.重慶三峽學院繼續教育學院，重慶 404100）

目前，傳統的高中物理教學側重理論分析，注重考試分數；對學生的實際操作能力不重視，忽視學生思維方法的培養.學生照搬教師的分析方法，簡單建立了解題思維，而物理科學思維并沒有建立，學生的核心素養也沒有得到真正的培養.［1］

在新課標背景下，為突破傳統的物理教學方法，本文以“液體的表面張力”為例，探索采用“5E”教學模式，通過吸引、探究、解釋、遷移、評價等5個教學環節進行高中物理教學設計和教學實踐.［2］在教學設計和實踐過程中，以核心素養的科學思維培養作為教學主線，融入課程思政、課堂探究體驗，采用結果評價、過程評價、增值評價相結合的綜合評價，［3］以期實現物理學科核心素養的有效培養，并為教師進行教學改革提供一個切實可行的方法.

1 教學內容分析

人教社2019版教材相關的“液體的表面張力”內容是在探討氣體和固體性質的基礎上，對液體性質的進行探討，與上一節的內容構成了3種狀態完整的知識體系.同時，為后續毛細現象及液晶的學習打下基礎.［4］

根據教材內容與《普通高中物理課程標準（2017年版）》課標要求，依據物理學科核心素養的水平劃分，物理核心素養培養目標應達到以下4個方面要求.［5］

（1）物理觀念.通過實驗，觀察液體的表面張力現象；知道液體的表面張力概念.

（2）科學思維.能對物理現象進行科學推理，提出猜想；通過對物理實驗的科學推理，獲得液體表面張力特性的有關結論；能將液體表面層分子之間的關系進行模型建構；能從不同角度思考物理問題，質疑創新，解釋液體表面張力形成原因.

（3）科學探究.通過液體表面張力實驗和探究，了解科學探究的方法；通過對表面張力的微觀解釋，了解運用分子動理論解釋宏觀現象的方法.

（4）科學態度與責任.有學習物理的興趣，具有實事求是的態度，能與他人合作；認識到物理研究與應用會涉及道德與規范問題，了解科學·技術·社會·環境的關系.

“液體的表面張力”教學重點為液體表面張力的概念，教學難點為液體表面張力的產生原因以及微觀解釋.在教學中運用現場投屏技術、視頻播放、多媒體動畫展示等現代化教學手段，吸引學生的學習興趣及注意力，將抽象理論“可視化”，最終解決學習的重難點問題.

2 “5E”教學模式的設計

“5E”教學模式是美國生物課程研究開發所（BSCS）針對科學教育而開發的教學模式，是一種基于建構主義教學理論和概念轉變理論的模式.包含“吸引（Engagement）”、“探究（Exploration）”、“解釋（Explanation）”、“遷移（Elaboration）”、“評價（Evaluation）”5個教學環節.［6-7］

在吸引環節，創設問題情境以吸引學生的注意力，激發學生主動探究欲望.在探究環節設置實驗探究任務，學生經歷問題探究過程，從而解決學生腦海當中存在的認知沖突，得到正確的問題答案，并建立起科學概念.在解釋環節，將探究環節中所獲得的結論進行微觀分析，有助于教學內容的內化，形成新的科學認知.遷移環節是對知識的拓展和應用，以提升學生的知識運用能力.通過評價環節，了解學生對于概念的掌握情況，從而及時的調整教學方式和進度以改善教學的效果.［8］

在“液體的表面張力”教學中采用“5E”教學模式進行教學實踐，能夠調動學生學習的積極性，發揮學生的主動性，幫助學生建立物理科學概念，有效培養學生的物理學科核心素養.教學流程圖如圖1所示.

圖1 “5E”教學流程圖

（1）吸引環節（新課導入）.

采用硬幣“漂浮”水面，激發學生的興趣和好奇心，調動學生學習的內驅力.展示植物葉面水珠及小時候玩耍的吹泡泡游戲，引起學生的同頻共振，從生活走進物理.

（2）探究環節（實驗探究）.

教師進行實驗演示，學生分組實施探究活動.通過探究活動，鍛煉學生的動手能力，語言表達能力，培養熱愛勞動的習慣，培養學生的合作精神和分析解決問題的能力.

（3）解釋環節（微觀解釋）.

液體的表面張力形成原因的解釋環節是本節課的教學難點.通過從液面分子拉進液體中形成表面張力觀點，以及液體表面分子間引力形成表面張力觀點來解釋肥皂膜收縮的原因，采用多媒體模擬微觀的液體表面分子間作用，實現了抽象思維“可視化”，加深了學生對液體表面張力概念的理解.同時，教師提出分子鏈形成“液膜”觀點，鼓勵學生在科學探究過程中，要有質疑創新精神.

（4）遷移環節（知識應用）.

對硬幣“漂浮”現象進行受力分析，鞏固表面張力的概念，避免概念的混淆.選取風油精瓶設計和液體表面張力測試儀案例的應用講解，鞏固所學知識，促進學生對科學、技術、社會、環境之間關系的了解.

（5）評價環節（綜合評價）.

評價環節貫穿整個教學過程中，包含學生在吸引環節、探究環節、解釋環節、遷移環節學習表現的評價，以及課后作業完成情況的評價.

3 “5E”教學法的教學設計實踐

3.1 吸引環節

3.1.1 魔術表演

教師在課堂上進行硬幣“漂浮”水面的魔術表演（采用投屏技術，將表演過程投放到屏幕上）.第1次，隨意把硬幣慢慢往水中放，發現硬幣馬上沉入水中，如圖2（a）所示；第2次，用手指托起硬幣，使硬幣水平接觸水面上，當發現硬幣有“漂浮”在水面上的趨勢時，再將手慢慢從水中拿出，如圖2（b）所示.

圖2 魔術表演效果

教師提問：硬幣為什么能夠“漂浮”在水面上？

學生猜測：硬幣受到的浮力等于硬幣的重力.

教師引導：硬幣受到液體的浮力跟排開液體的容積有關，第1次，硬幣沉入水中，說明硬幣受到的浮力小于硬幣的重力.第2次，硬幣“漂浮”在水面上，并沒有排開液體，沒有受到浮力，反而沒有沉入水中.大家仔細觀察硬幣“漂浮”時，液體的表面現象.

學生分析：液面上好像有一個具有彈性的“液膜”，把硬幣托起.

3.1.2 生活現象重現

教師通過多媒體動畫向學生展示植物葉面水珠形狀，以及肥皂水吹出球狀的泡泡.如圖3所示.

圖3 生活現象演示

教師引導：同學們發現液體表面有什么特點？

學生分析：液體表面好像有一層“膜”產生，將液體包圍成球形.

3.2 探究環節

3.2.1 教師演示肥皂膜收縮實驗

（1）利用中間綁有棉線和棉線圈的圓形金屬圈進行水膜實驗（采用投屏技術，將實驗過程投放到屏幕上），如圖4所示.

圖4 水膜收縮實驗

教師提問：刺破肥皂膜的一邊后，另一邊變化如何？將變化的現象填在表1中.

表1 水膜實驗現象

學生觀察：刺破棉線一側薄膜，另一側薄膜收縮，棉線繃緊，呈圓弧形狀；刺破棉線圈中間薄膜，棉線圈呈圓形.

教師引導：液體表面具有收縮趨勢，形成最小面積的“液膜”.下面請各位同學進行探究體驗，利用實驗和數學推導來證明老師的說法是否正確？

3.2.2 學生探究體驗

（1）肥皂膜收縮實驗.

提供金屬絲、鉗子、棉線、肥皂水等材料，教師現場指導學生制作各種金屬框進行肥皂膜收縮實驗.

教師點評：同學們做的金屬框非常有創意，也非常精美；肥皂膜收縮實驗也很成功.學生探究成果如圖5所示（現場拍攝照片）.

圖5 學生探究成果展示

（2）同周長圓面積最大推導.

教師引導：對比周長為2πR的圓、正六邊形、正方形、等邊三角形（如圖6所示），推導出面積最大的平面圖形.

圖6 同周長不同形狀平面圖形

學生推導：圓的面積為3.14R2，正六邊形的面積為2.81R2，正方形的面積為2.46R2，等邊三角形的面積為1.91R2；形狀越趨近于圓，面積越大.

教師提問：為什么平面液膜收縮實驗的棉線呈現弧形，繃緊狀態？

學生分析：液體表面具有收縮趨勢，刺破的液面面積最大，剩下的液面形成最小面積的“液膜”.

（3）同體積球面積最小推導.

圖7 同體積不同形狀立體圖形

學生推導：球的面積為12.56R2，正圓柱體的面積為14.38R2，正方體的面積為15.59R2，正三棱錐的面積為18.75R2；形狀越趨近于球，面積越小.

教師提問：為什么露珠和肥皂泡泡是球形？

學生分析：液體表面具有收縮趨勢，包圍在露珠和肥皂泡泡的“液膜”，形成最小面積的球狀.

教師總結：表面張力作用于液面上，使液面具有收縮趨勢的力.在物理中我們就把這種力叫做液體的表面張力.

3.3 解釋環節

采用PPT展示液體內部及表面分子分布情況，從液面分子拉進內部觀念、液面分子吸引力觀點、分子鏈形成“液膜”觀點進行類比分析講解，多角度來思考理解表面張力.

3.3.1 液體表面分子拉進內部觀點

教師引導：表面層分子受一個指向液體內部的合力f⊥，在f⊥作用下，液體表面的分子有被拉進液體內部的趨勢（如圖8所示）.

圖8 液體表面的分子排布及受力情況

學生猜想：在宏觀上表現為液體表面有收縮的趨勢.

3.3.2 液體表面分子吸引力觀點

教師引導：同學們觀察分子間作用力與距離的關系示意圖，當分子間距r＞r0，作用力為吸引力.當分子間距r＜r0，作用力為排斥力（如圖9所示）.

圖9 液體表面的分子間作用情況

學生分析：表面層分子間距比較稀疏，分子間距r＞r0，分子間的作用表現為相互吸引.分子引力的有效作用距離大于斥力.

教師總結：液體的表面張力作用于液面，方向與液面相切，使液面有收縮的趨勢.

3.3.3 分子鏈形成“液膜”觀點

播放航天員王亞平開設的太空第一課視頻，展示太空中大水球實驗.

教師引導：設想水球表面的分子鏈排布均勻有序，導致液面表面形成“液膜”，具有張力，表現為彈性“膜”（如圖10所示）.在失重狀態下，水能夠形成一個大水球.

圖10 分子鏈形成“液膜”情況

鼓勵學生：同學們覺得老師的觀點是否可行？同學們要有勇于質疑、大膽創新的科學探究精神，你們就有可能成為未來的物理學家.

3.4 遷移環節

3.4.1 硬幣“漂浮”受力分析

教師引導：對“漂浮”在水面上的硬幣進行受力分析，畫出受力分析圖.

學生分析：硬幣受到液體表面張力T1、T2的作用，液體表面張力的合力與硬幣受到的重力G相等，硬幣靜止在水面上（如圖11所示）.

圖11 硬幣受力分析（第1次）

教師分析：液體的表面張力作用于液體的表面，不作用于硬幣，因此，硬幣沒有受到液體表面張力的作用，受力分析錯誤.請同學們思考后，再進行受力分析.

學生猜想：難道有新的力出現，托住了硬幣？

教師引導：同學們猜想很有道理，液面的表面張力形成的“液膜”具有“彈性”，硬幣靜止在水面上，“液膜”發生彈性形變，出現向上的彈力.請同學們再次進行受力分析，第2次畫出受力分析圖.

學生分析：硬幣受到“液膜”向上的彈力F，硬幣受到的重力G與F相等，硬幣靜止在水面上（如圖12所示）.［9］

圖12 硬幣受力分析（第2次）

3.4.2 生活應用

（1）風油精瓶口設計.

教師引導：同學們在使用風油精的時候，發現很難倒出來，每次都需要用點力甩一甩才行（如圖13所示）.同學們能解釋一下原因嗎？

圖13 風油精瓶

學生分析：風油精的瓶口比較小，在瓶口處形成的液體表面張力，使瓶內的液體很難靠重力自然流出.使用的時候甩一下，破壞表面張力，風油精就可以流出.

教師總結：同學們分析正確.風油精瓶口很小，形成的液體表面張力可以防止風油精揮發，這個設計在很多相似的情境都有應用.

（2）表面張力測試儀.

教師引導：不同液體的表面張力大小不同.利用表面張力測試儀（如圖14所示）測量河流污染前后河水的表面張力大小，經過對比，即可知道該河流的污染情況.

圖14 表面張力測試儀

同時，播放水資源環境保護及習近平總書記講話視頻，引出環境保護重要性，培養學生環境保護意識，將思政元素融入課堂.

教師對課程進行小結，并布置課后作業.課后作業包含觀察水黽停在水面上的現象、紙片逃跑實驗、肥皂小船制作3個任務，并分析產生現象的原因.

3.5 評價環節

在評價過程中，選舉學生代表及家長代表與任課教師共同組成評價小組.依據評價方案，利用釘釘等信息化平臺，線上線下方式開展評價.評價方案如表2所列，根據學生課堂表現、思政表現、課堂任務完成情況、課后作業完成情況，采用結果評價、過程評價、增值評價、綜合評價相結合的“4個評價”，對學生學習效果進行評價及檢驗.［10］

表2 教學評價方案

4 總結

“液體的表面張力”這一節內容很好地反映了“理論和實際”、“宏觀和微觀”的結合，能夠幫助學生建立抽象思維、體驗科學探究過程、運用知識解釋生活現象并處理相關問題，是培養學生科學思維的重要教學內容.［11］

在“液體的表面張力”教學中采用“5E”教學模式進行教學設計及教學實踐.遵循學習梯度和認知規律，按照啟發思維、強化思維、呈現微觀思維、訓練思維的層層遞進邏輯；對應教學內容設置“吸引”、“探究”、“解釋”、“遷移”、“評價”5個教學環節，培養學生從物理學的角度認識自然，從生活走進物理，建立起物理科學思維，實現了物理學科核心素養的有效培養.