基于“5E”教學模式的物理觀念教學探討

蘇州大學物理科學與技術學院（215006） 邱 蕾 袁海泉

目前，物理教學比較注重物理基本概念、客觀規律的講授，導致多數學生采用死記硬背的方式學習物理，這樣學生獲得的物理知識大多是一些零碎、散亂的物理概念、規律、公式以及解題技巧，因此，當學生面對新情境中的問題時常會束手無策。究其原因，很大程度上是教師不重視物理觀念的教學，學生沒有形成整體的物理觀念。物理觀念是學生認識物理概念和物理規律后在頭腦中形成的概括性認識，是對概念和規律的提煉和升華，能夠指導學生反作用于客觀事實，并影響學生的物理學習和研究活動。可見，物理觀念的形成對學生的物理素養及終身學習起到了重要的作用，物理觀念的教學無疑是當前物理教學的當務之急。

一、“5E”教學模式是形成與發展學生物理觀念的有效方法

（一）“5E”教學模式的基本內涵

“5E”教學模式共分五步，這五步分別是吸引（Engagement）、探究（Exploration）、解釋（Expla?nation）、遷移（Elaboration）和評價（Evaluation）［1］。“吸引”是“5E”教學模式的起始環節，教師創設情境暴露學生的前概念，引發認知沖突，激發學生的學習興趣。“探究”是“5E”教學模式的中心環節，學生采取小組合作的方式參與，針對特定的內容開展探究活動。“解釋”是“5E”教學模式的關鍵環節，學生用自己的語言展示探究過程及結果，教師進一步規范物理知識的表達。在“遷移”階段，學生運用新知識解釋新情境中的問題，甚至解決新問題，全方位地理解新知識的深刻內涵。在“評價”階段，需要評價學生對新知識的理解水平和新技能的應用情況，同時教師在這一環節可以評估自己的教學效果。

（二）“5E”教學模式對物理觀念教學的適用性

“5E”教學模式是當前科學教育領域能夠體現現代科學教育理論的重要教學模式之一，最終目標是指向學生科學概念的構建，發展學生解決問題的能力，而物理觀念的培養目標與其具有高度的一致性，要求學生能夠形成關于物質、運動與相互作用、能量等的基本認識，能夠在頭腦中提煉和升華物理概念和規律，并能從物理學的視角解釋自然現象和解決實際問題［2］，因此，“5E”教學模式無疑為物理觀念教學的實施提供了更多的可能性。此外，物理觀念的形成過程既需要認知，又需要體驗，還要避免物理知識的機械記憶，同時引導學生在積極主動的探究活動中理解掌握物理知識，并概括提煉形成物理觀念［3］。BSCS 開展的一項實證研究表明，“5E”教學模式比傳統的教學模式更有利于學生學習成績的提高，也更能提高學生的學習興趣。“5E”教學模式的各個環節都強調學生的主體地位，強調學生的自主構建，注重讓他們經歷探究過程并重視解決問題能力的培養，通過循序漸進的教學流程真正實現物理觀念的深刻轉變。可以說，“5E”教學模式為物理觀念教學指明了方向。

二、基于“5E”教學模式培養學生物理觀念的教學策略

基于物理觀念的培養目標，本文設計了“5E”教學各個環節的教學活動及觀念建構層級，如圖1所示。

圖1 基于“5E”教學模式培養物理觀念的教學設計

首先，創設問題情境，引發認知沖突，在對情境的觀察中得到物理事實，在對既往知識的回憶中重現既往經驗，為物理觀念的建構提供條件。接著，設置合作探究活動，適時引導，讓學生在主動探究中初步明確物理概念，在思維深加工中嘗試理解內在規律。在解釋環節，學生對探究過程及結果進行分析，同時教師使用專業術語規范表述概念規律，初步建構物理觀念。然后，創設新的情境，鼓勵學生在新情境中拓展運用概念，強化問題解決意識，促使學生用物理觀念指導實踐。最后，運用正式或非正式的多種評價方式，評定學生對相關物理概念的掌握情況。

（一）吸引：創設問題情境，引發認知沖突

為進一步探索求知，需要在教學中制造認知沖突，向學生呈現原有認知結構和新知識無法包容的矛盾，從而激發學生學習物理的興趣。基于物理觀念的培養，我們認為有三種不同的認知沖突：前概念與科學概念之間的沖突；新舊知識之間的沖突；科學爭論引發的沖突。基于此，教師需要根據學生的認知結構和知識基礎創設恰當的問題情境，誘發認知沖突。

（1）前概念與科學概念之間的沖突

前概念指的是學生在日常生活中所習得的（或理解的）概念，當前概念與科學概念具有一定的聯結性或沖突性時，科學概念的學習就比較容易。引發這類認知沖突的策略是創設直觀的問題情境，比如真實的實驗現象或日常體驗，學生已有的粗略、模糊的知識與教師創設的問題情境存在顯著的差異，就會引發學生對實驗現象或日常體驗進行重新思考。例如，學生通常會認為物體受到的支持力等于物體自身的重量，但這一結論是物體靜止在水平面上成立，一旦物體在豎直方向上具有了加速度，就變得不一樣了，因此教師可以利用這一錯誤的前概念設計一個演示實驗，讓學生觀察“人突然下蹲、突然站起來”體重計示數的變化，此時錯誤的前概念引發學生強烈的認知沖突，教師適時引出“超重與失重”的新概念，為運動與相互作用觀念的形成創造條件。

（2）新舊知識之間的沖突

物理概念的教學往往是由淺入深的，很多新知識是舊知識的延伸和拓展。學生在新舊知識的連接點上，如果不能順利地將新知識同化到原有的認知結構中，就會產生認知沖突。引發這類認知沖突的策略是重現既往知識，同時充分利用新舊知識的連接點，引出新知識，發現新舊知識的關聯，引發認知沖突，采取的教學策略通常是講授法。例如，初中階段給出的功的定量表達式為W=Fs，功是力與物體在力的方向上通過的距離的乘積。到了高中階段，在認識到力和位移都是矢量之后，需要重新討論功的定義，給出功的矢量表達式W=F·s=Fscosθ，功等于力的大小、位移的大小、力與位移夾角的余弦這三者的乘積。

（3）科學爭論引發的沖突

追溯科學的演進歷程，科學真理向來是所有科學家的畢生追求，但科學的進步往往伴以激烈的斗爭和爭論。由于社會背景、人文環境、科學研究的種種限制，一些在當時不被眾人接受的科學理論有可能明天就會成為科學界廣泛接納和認同的說法，由此可見，科學的發展是一個否定之否定螺旋上升的過程。因此，可以重現科學發展過程中的爭論，帶領學生親身體會科學發展的過程，引發認知沖突，激發學生學習物理的興趣，培養學生的批判質疑精神。例如，教師以17 世紀光的微粒說與波動說之爭為背景，帶領學生感受學界泰斗上下求索、追求真理的過程，講述人類對光的本性的認識是由矛盾對立走向辯證統一的，使學生經歷物理觀念變革的洗禮，從而為物質觀念的形成提供條件。

（二）探究：設置合作探究活動，引導學生開展合作探究

物理觀念的形成，與科學探究活動的開展息息相關。學生親歷探究過程，在發現問題、猜想假設、設計實驗、收集證據、分析論證、合作交流的過程中充分調動學生的物理思維，引導學生參與物理概念和規律的構建過程，使學生物理觀念的形成由被動變為主動。教師在探究環節的作用是學生學習的促進者，為學生提供一些必需的支架式支持，比如實驗儀器、問題鏈，支架的支持方式和支持力度取決于學習任務的性質、學習者的真實能力。此外，在學生遇到困難時不能直接說明答案，而是通過問題或建議的形式給學生恰當的指導，同時避免讓學生過快得到結論。

例如，在教學杠桿平衡條件時，可以設計如表1 所示的探究活動，從學生的認知水平出發，針對學生學習過程中將要解決的問題或可能產生的困惑，將教材知識轉換成為層次鮮明、具有系統性的一連串的教學問題，讓學生能夠沿著問題支架逐步攀升，體驗像科學家那樣探索物理世界的過程，從而獲得更加生動、豐富的感性認識。

（三）解釋：系統歸納總結，規范概念規律

物理觀念需要具體的物理知識作為支撐，但不等同于物理知識的簡單積累，而是對物理知識的凝練提升。因此在解釋環節，為了初步建構物理觀念，需要引導學生對探究結果進行分析總結，規范概念和規律的定義、術語、公式表達，引導學生思考：物理知識與哪些物理觀念相對應？物理觀念與支撐它的物理知識之間存在怎樣的關系？從而讓學生站在一個更高的層面看待物理知識。此外，還可以類比相關物理知識，尋找物理知識之間的統一性，促進觀念的改組并形成新的觀念框架，使新知識成功融入重構的觀念框架中。

例如，在進行“電場力做功和電勢能轉化的關系”教學時，就可以借助類比法。因為此前學生已建立了功是能量轉化的量度及重力做功與重力勢能轉化關系等觀點，所以在教學中可以讓學生通過類比法體會電場力做功和電勢能轉化的關系。這樣，新的能量觀念被整合到原有的觀念框架中，進一步拓展了物理觀念的廣度和深度。

（四）遷移：拓展運用概念，強化問題解決

物理觀念形成的重要標志是學生能夠從物理學的視角解釋自然現象和解決實際問題，因此在遷移環節，學生需要運用物理觀念解決實際問題，問題盡可能地選取“原始”物理問題，即自然界及社會生產中客觀存在且未被加工的物理問題。原始問題往往只暴露了現象的某些特征，需要從中抽象并設置物理量，因此能夠充分調動學生的各種物理觀點、思想方法，培養學生運用所學知識解決陌生復雜的實際問題的能力，達到用物理觀念指導實踐的目的。

例如，在秋冬季的夜晚脫衣服時經常看到火花，請完整解釋這一現象。此現象可以用平行板電容器模型對其做出粗略解釋。脫衣服時衣服相互摩擦，相互摩擦的兩物體緊密接觸時，其電壓是有限的，由電容器電容的定義可知，如果平行板電容器帶電荷量不變，分離時相互間的距離（相當于平行板電容器兩極板的距離）有巨大變化，帶電物體的電容非常小，那么即使只帶少量電荷，也會產生非常高的靜電電壓，產生電火花［4］。

（五）評價：運用多種方式，評定掌握情況

評價環節是檢查學生物理觀念建構水平的環節，也是反思教學目標達成度的環節。評價的形式多樣，就評價主體而言，可分為自評、互評、師評、組評；就評價方式而言，可以分為正式評價和非正式評價；就評價工具而言，可分為評價表、測試題、思維導圖。基于觀念建構，正確的做法是，為學生搭建體驗、評價、交流的平臺，提供概括反思的方向和線索。如引導學生反思對核心概念的理解程度、能力的養成情況、觀念框架的架構層次等［5］。

三、結論與啟示

物理觀念的提出對中學物理的教與學提出了更高的要求，促使一線物理教師重新審視“知識為本”的教學現狀，同時也對學生學科能力的培養提出了新的挑戰。“5E”教學模式對物理觀念的形成與發展起到了積極的促進作用。創設問題情境，引發認知沖突，在主動探究中使學生明確物理概念，在知識的解釋歸納中初步建構物理觀念，在新情境中落實用物理觀念指導實踐能力的養成，并在評價過程中完成物理觀念的進一步提升。因此，將“5E”教學模式作為實施物理觀念教學的路徑和模板，開展積極的教學嘗試，相信實證性的教學研究會取得理想的效果。