应用5E教学模式 实现概念转变——以“物体的浮与沉”为例

(福建师范大学物理与能源学院,福建 福州 350117)

1 5E教学模式简介

5E教学模式是基于建构主义教学理论和概念转变理论的教学模式，强调学生的主体地位以及学生的自我建构。该模式包括了5个环节：引入(Engagement)、探究(Exploration)、解释(Explanation)、迁移(Elaboration)、评价(Evaluation)。引入是教学的起始环节,教师通过该环节吸引学生的注意力,创设情境引发学生认知冲突,激发学生自主探究的热情;探究是教学的中心环节,在教师引导下,学生基于之前产生的认知冲突进行合理的猜想,继而进行探究实验,得到初步的科学概念,该过程要充分发挥学生的主体作用;解释是教学的关键,学生对探究过程中的问题以及结果进行讨论,最后在教师帮助下构建完整的科学概念;在迁移阶段，教师结合具体问题和情境,让学生利用新概念解释现象和解决问题,在实践中加深或拓展对概念的理解,提高学生运用知识的能力;在评价阶段，对教师教学过程和学生学习过程做综合评价,通过评价进行反思,有利于改进教师教学,提高学生学习质量。

2 前概念及其转变

学生在没有接受正式的科学教育之前,对日常生活中所感知的现象,通过长期的经验积累与辨别式学习,会形成对事物的初步认识,我们称之为前概念。正确的前概念能帮助教师找到教学切入点,促进学生对新知识的理解与掌握。而错误的前概念则容易对学生学习新知识造成干扰,增加学生学习的难度。所以,了解学生的前概念,进而采取有效的教学策略对物理教学来说是非常重要的。

5E教学模式强调以学生为中心,认为从学生前概念出发,激发认知冲突是转变学生概念、构建科学概念的关键动力。Posner认为：学习者要转变概念,首先需要产生对自己旧概念(也就是前概念)的不满。认知冲突策略是引起学生对现有概念不满的最有效的教学策略，这正与5E教学模式相吻合。

3 5E教学模式破除学生前概念的教学设计案例

本文以沪科版第九章最后一节“物体的浮与沉”的教学为例,探讨如何利用5E教学模式转变学生错误的前概念。

3.1 教材分析

本节的主要内容为：探究物体的浮沉条件，了解物体的浮沉条件在生产、生活中的应用。本节内容是对浮力学习的深入和升华,与生活实际紧密结合,对提高学生利用所学知识解释和解决生活、生产中的现象和问题的能力有着重要意义。由于本节内容有一定的综合性,也存在一定的难度。

3.2 学情分析

学生已经有了受力分析、浮力计算的基础,对于物体在液体中上浮、下沉、漂浮的现象都有一定的感性认识,这些都为教师顺利开展教学提供了有效切入点。但学生对于物体的上浮或下沉也有很多错误的前概念,如:认为重的物体就会下沉、轻的物体就会上浮;物体上浮是因为受到的浮力大、下沉的物体受到的浮力小。同时很多学生对悬浮现象没有生活经验。

3.3 教学目标

(1) 理解物体的浮沉条件,能应用浮沉条件解释一些简单的问题,知道浮沉条件在日常生活中的应用。

(2) 观察物体上浮、下沉现象,通过探究物体的浮沉条件和设计实验控制物体的浮沉,培养学生的观察能力、动手实践能力和运用知识解决实际问题的能力。

(3) 通过了解物体浮沉条件的应用,让学生体验生活、物理、社会、科技的紧密联系,培养学生对科学的热爱之情。

3.4 教学过程

3.4.1 引入

教师应当了解学生的前概念，通过创设情境,暴露学生的前概念,激发学生的认知冲突,引起学生学习兴趣,激发学生的求知欲。

师:将柚子皮和柚子放入水中,请猜想二者的浮沉状态。

生:因为柚子皮比较轻,所以柚子皮会上浮。柚子重,所以柚子会下沉。

演示实验1:实验发现柚子皮下沉,而柚子漂浮在水面上。

通过猜想暴露了学生“重的物体会下沉,轻的物体会上浮”的错误前概念。而该实验中“重浮轻沉”的现象与学生日常生活经验相悖,引发了学生的认知冲突。

师:柚子上浮的原因是什么?

生:因为柚子所受到的浮力大!

演示实验2:将两只相同的小瓶子浸没于水中,其中一只瓶内装有沙子,让学生观察两瓶的运动状态。实验发现：装有沙子的小瓶子下沉,另一只小瓶子上浮,最终漂浮。

让学生讨论这两只瓶子静止后所受浮力大小情况。讨论中,有学生认为空小瓶上浮至漂浮是因为它受到的浮力大。但最终学生们通过阿基米德原理分析,两只瓶子浸没于水中时,二者所受浮力大小是一样的，静止后漂浮的小瓶所受浮力比下沉的小。

该问题和实验设计揭露了学生“物体上浮是因为浮力大”的错误前概念,通过讨论与分析,引发认知冲突。

师:可见,物体的浮与沉并不是由物体轻重或者所受浮力大小一个因素决定的。那么,到底是什么决定了物体的浮与沉呢?我们一起来探究。

3.4.2 探究

当学生对自己的前概念不满时,并不代表学生就会摒弃错误的前概念。要让学生真正转变概念,教师还应当调动学生充分参与科学概念的构建过程，让学生进行探究实验、合作交流是一个很好的方式。

教师提供的实验器材为:木块、铁块、装有少量水的玻璃瓶和装有较多水的玻璃瓶、橡皮泥、蜡块、弹簧测力计、天平、量筒、溢水杯、小桶、烧杯等。

首先让学生把木块等研究对象浸没于水中,观察浮沉情况。教师引导学生对物体进行受力分析，画出受力图后,初步了解到物体浮沉与重力和浮力两个因素有关。

然后引导学生明确实验的目的:(1) 记录研究对象的浮沉情况;(2) 测量其所受重力和浮力大小,记录于表格中;(3) 分析物体浮沉情况与重力和浮力大小之间的关系。

学生自己设计表格，记录物体的浮沉状况,此过程可以锻炼学生设计表格的能力。在测量浮力大小的过程中,有的小组采用拉力差法测量浮力,有的采用溢水法测量浮力,有的则用量筒测出排开水的体积,再根据阿基米德原理得出浮力大小。这就涉及浮力计算方法的应用,能够提高学生应用知识的能力。测量重力也有不同方法,这种开放性实验充分给予学生发挥的空间,做到了真正将课堂还给学生,也开拓了学生的思维。

3.4.3 解释

学生实验后,对物体的浮沉条件有了初步的理解,教师就要在此基础上与学生进一步讨论,引导学生构建更为完整的科学概念。

首先,让学生分析实验数据,归纳出物体的浮沉条件。然后教师组织小组之间交流探究过程中遇到的问题,讨论和评价彼此的测量方法和结论。这一过程有利于提高学生的表达能力和归纳总结能力。

图1

值得注意的是,上述实验中有上浮、漂浮、下沉现象,但未出现悬浮,并且很多学生缺乏关于悬浮的生活体验。调查发现,有一部分学生觉得物体不可能悬浮于液体中,也有学生认为物体要实现悬浮,必须受到其他外力作用，如与图1中情况类似，所以关于漂浮和悬浮两种特殊状态的认识和理解还需要老师的指导，可采用以下步骤进行教学。

(1) 教师将鸡蛋放入水中,鸡蛋下沉,让学生画出此时鸡蛋的受力示意图(如图2)。

图2

图3

(2) 教师往水中加盐,直至鸡蛋出现悬浮状态。教师介绍该状态称为“悬浮”,接着教师引导学生得出：此时鸡蛋所处状态是平衡状态,让学生画出悬浮状态的受力分析,发现悬浮的特点(如图3)。

(3) 教师提问:如果继续加盐,鸡蛋会发生怎样的改变?学生通过思考回答:鸡蛋会上浮,最终漂浮于液面(如图4)。

(4) 教师继续加盐,验证学生猜想。然后让学生画出鸡蛋上浮的受力示意图(如图5)。

图4

图5

(5) 教师与学生一起讨论、总结物体的浮沉条件(如表1)。

表1

3.4.4 迁移

经过引入、探究、解释的过程,学生自主建构了新概念,为了达到学以致用的目的,还需要联系生活实际,让学生结合具体的情境运用知识。

师:怎样让原来下沉的物体上浮、让原来悬浮的物体下沉?

下沉的物体为:装较多水的玻璃瓶、橡皮泥、柚子皮、气球;上浮的物体为:瘪的牙膏盒、装少量水的玻璃瓶。

学生们集思广益,提出方案(如图6)。

图6

学生完成实验后,教师提问:要改变物体浮沉状态,仅仅靠改变浮力或者重力大小就一定能实现吗?

学生回答:不一定,必须要改变浮力和重力之间的大小关系。

教师在学生实验基础上,引申浮力在生活中的应用:① 潜水艇通过增大和减小自身重力实现沉浮;② 密度计的使用。通过展示浮力在生活中的应用,可以进一步加深学生对物体浮沉条件的理解,同时让学生体会到学有所用,增强学生对科学的热爱和学习兴趣。

3.4.5 评价

评价阶段采取师生互评、生生互评方式,多元化评价可以帮助学生和教师双方都获得及时的反馈,从而改进学习和教学。教师可以通过提问,获得更多学生学习情况的反馈信息,如提问：上浮过程中浮力大小是如何变化的?这是对物体浮沉条件理解的升华,也能进一步了解学生是否真正掌握了上浮与漂浮的区别。教师也要评价学生的学习态度和表现情况,对于学生的积极表现要给予充分的肯定。学生也可以对教师的教学不足之处提出自己的意见,对自己课堂中未能理解的问题提出讨论。在生生互评阶段,既可以互相评价课堂表现情况,也可以交流自己的学习成果。在此过程中,会暴露出学生前概念的顽固性特点,与此同时,学生间的争辩与交流可以更好地促进概念转变。

4 结语

要转变学生的错误前概念并非易事,利用5E教学模式,能够引发认知冲突,帮助学生发现自己的错误前概念,然后在教师引导下自主探究,最后通过迁移与运用知识促进科学概念的升华与巩固。总之,应用5E教学模式能有效地帮助学生转变错误前概念,发展学生探究的能力、运用知识的能力,提升学生的物理核心素养。