基于“5E”教学模式的物理观念教学探讨

苏州大学物理科学与技术学院（215006） 邱 蕾 袁海泉

目前，物理教学比较注重物理基本概念、客观规律的讲授，导致多数学生采用死记硬背的方式学习物理，这样学生获得的物理知识大多是一些零碎、散乱的物理概念、规律、公式以及解题技巧，因此，当学生面对新情境中的问题时常会束手无策。究其原因，很大程度上是教师不重视物理观念的教学，学生没有形成整体的物理观念。物理观念是学生认识物理概念和物理规律后在头脑中形成的概括性认识，是对概念和规律的提炼和升华，能够指导学生反作用于客观事实，并影响学生的物理学习和研究活动。可见，物理观念的形成对学生的物理素养及终身学习起到了重要的作用，物理观念的教学无疑是当前物理教学的当务之急。

一、“5E”教学模式是形成与发展学生物理观念的有效方法

（一）“5E”教学模式的基本内涵

“5E”教学模式共分五步，这五步分别是吸引（Engagement）、探究（Exploration）、解释（Expla⁃nation）、迁移（Elaboration）和评价（Evaluation）［1］。“吸引”是“5E”教学模式的起始环节，教师创设情境暴露学生的前概念，引发认知冲突，激发学生的学习兴趣。“探究”是“5E”教学模式的中心环节，学生采取小组合作的方式参与，针对特定的内容开展探究活动。“解释”是“5E”教学模式的关键环节，学生用自己的语言展示探究过程及结果，教师进一步规范物理知识的表达。在“迁移”阶段，学生运用新知识解释新情境中的问题，甚至解决新问题，全方位地理解新知识的深刻内涵。在“评价”阶段，需要评价学生对新知识的理解水平和新技能的应用情况，同时教师在这一环节可以评估自己的教学效果。

（二）“5E”教学模式对物理观念教学的适用性

“5E”教学模式是当前科学教育领域能够体现现代科学教育理论的重要教学模式之一，最终目标是指向学生科学概念的构建，发展学生解决问题的能力，而物理观念的培养目标与其具有高度的一致性，要求学生能够形成关于物质、运动与相互作用、能量等的基本认识，能够在头脑中提炼和升华物理概念和规律，并能从物理学的视角解释自然现象和解决实际问题［2］，因此，“5E”教学模式无疑为物理观念教学的实施提供了更多的可能性。此外，物理观念的形成过程既需要认知，又需要体验，还要避免物理知识的机械记忆，同时引导学生在积极主动的探究活动中理解掌握物理知识，并概括提炼形成物理观念［3］。BSCS 开展的一项实证研究表明，“5E”教学模式比传统的教学模式更有利于学生学习成绩的提高，也更能提高学生的学习兴趣。“5E”教学模式的各个环节都强调学生的主体地位，强调学生的自主构建，注重让他们经历探究过程并重视解决问题能力的培养，通过循序渐进的教学流程真正实现物理观念的深刻转变。可以说，“5E”教学模式为物理观念教学指明了方向。

二、基于“5E”教学模式培养学生物理观念的教学策略

基于物理观念的培养目标，本文设计了“5E”教学各个环节的教学活动及观念建构层级，如图1所示。

图1 基于“5E”教学模式培养物理观念的教学设计

首先，创设问题情境，引发认知冲突，在对情境的观察中得到物理事实，在对既往知识的回忆中重现既往经验，为物理观念的建构提供条件。接着，设置合作探究活动，适时引导，让学生在主动探究中初步明确物理概念，在思维深加工中尝试理解内在规律。在解释环节，学生对探究过程及结果进行分析，同时教师使用专业术语规范表述概念规律，初步建构物理观念。然后，创设新的情境，鼓励学生在新情境中拓展运用概念，强化问题解决意识，促使学生用物理观念指导实践。最后，运用正式或非正式的多种评价方式，评定学生对相关物理概念的掌握情况。

（一）吸引：创设问题情境，引发认知冲突

为进一步探索求知，需要在教学中制造认知冲突，向学生呈现原有认知结构和新知识无法包容的矛盾，从而激发学生学习物理的兴趣。基于物理观念的培养，我们认为有三种不同的认知冲突：前概念与科学概念之间的冲突；新旧知识之间的冲突；科学争论引发的冲突。基于此，教师需要根据学生的认知结构和知识基础创设恰当的问题情境，诱发认知冲突。

（1）前概念与科学概念之间的冲突

前概念指的是学生在日常生活中所习得的（或理解的）概念，当前概念与科学概念具有一定的联结性或冲突性时，科学概念的学习就比较容易。引发这类认知冲突的策略是创设直观的问题情境，比如真实的实验现象或日常体验，学生已有的粗略、模糊的知识与教师创设的问题情境存在显著的差异，就会引发学生对实验现象或日常体验进行重新思考。例如，学生通常会认为物体受到的支持力等于物体自身的重量，但这一结论是物体静止在水平面上成立，一旦物体在竖直方向上具有了加速度，就变得不一样了，因此教师可以利用这一错误的前概念设计一个演示实验，让学生观察“人突然下蹲、突然站起来”体重计示数的变化，此时错误的前概念引发学生强烈的认知冲突，教师适时引出“超重与失重”的新概念，为运动与相互作用观念的形成创造条件。

（2）新旧知识之间的冲突

物理概念的教学往往是由浅入深的，很多新知识是旧知识的延伸和拓展。学生在新旧知识的连接点上，如果不能顺利地将新知识同化到原有的认知结构中，就会产生认知冲突。引发这类认知冲突的策略是重现既往知识，同时充分利用新旧知识的连接点，引出新知识，发现新旧知识的关联，引发认知冲突，采取的教学策略通常是讲授法。例如，初中阶段给出的功的定量表达式为W=Fs，功是力与物体在力的方向上通过的距离的乘积。到了高中阶段，在认识到力和位移都是矢量之后，需要重新讨论功的定义，给出功的矢量表达式W=F·s=Fscosθ，功等于力的大小、位移的大小、力与位移夹角的余弦这三者的乘积。

（3）科学争论引发的冲突

追溯科学的演进历程，科学真理向来是所有科学家的毕生追求，但科学的进步往往伴以激烈的斗争和争论。由于社会背景、人文环境、科学研究的种种限制，一些在当时不被众人接受的科学理论有可能明天就会成为科学界广泛接纳和认同的说法，由此可见，科学的发展是一个否定之否定螺旋上升的过程。因此，可以重现科学发展过程中的争论，带领学生亲身体会科学发展的过程，引发认知冲突，激发学生学习物理的兴趣，培养学生的批判质疑精神。例如，教师以17 世纪光的微粒说与波动说之争为背景，带领学生感受学界泰斗上下求索、追求真理的过程，讲述人类对光的本性的认识是由矛盾对立走向辩证统一的，使学生经历物理观念变革的洗礼，从而为物质观念的形成提供条件。

（二）探究：设置合作探究活动，引导学生开展合作探究

物理观念的形成，与科学探究活动的开展息息相关。学生亲历探究过程，在发现问题、猜想假设、设计实验、收集证据、分析论证、合作交流的过程中充分调动学生的物理思维，引导学生参与物理概念和规律的构建过程，使学生物理观念的形成由被动变为主动。教师在探究环节的作用是学生学习的促进者，为学生提供一些必需的支架式支持，比如实验仪器、问题链，支架的支持方式和支持力度取决于学习任务的性质、学习者的真实能力。此外，在学生遇到困难时不能直接说明答案，而是通过问题或建议的形式给学生恰当的指导，同时避免让学生过快得到结论。

例如，在教学杠杆平衡条件时，可以设计如表1 所示的探究活动，从学生的认知水平出发，针对学生学习过程中将要解决的问题或可能产生的困惑，将教材知识转换成为层次鲜明、具有系统性的一连串的教学问题，让学生能够沿着问题支架逐步攀升，体验像科学家那样探索物理世界的过程，从而获得更加生动、丰富的感性认识。

（三）解释：系统归纳总结，规范概念规律

物理观念需要具体的物理知识作为支撑，但不等同于物理知识的简单积累，而是对物理知识的凝练提升。因此在解释环节，为了初步建构物理观念，需要引导学生对探究结果进行分析总结，规范概念和规律的定义、术语、公式表达，引导学生思考：物理知识与哪些物理观念相对应？物理观念与支撑它的物理知识之间存在怎样的关系？从而让学生站在一个更高的层面看待物理知识。此外，还可以类比相关物理知识，寻找物理知识之间的统一性，促进观念的改组并形成新的观念框架，使新知识成功融入重构的观念框架中。

例如，在进行“电场力做功和电势能转化的关系”教学时，就可以借助类比法。因为此前学生已建立了功是能量转化的量度及重力做功与重力势能转化关系等观点，所以在教学中可以让学生通过类比法体会电场力做功和电势能转化的关系。这样，新的能量观念被整合到原有的观念框架中，进一步拓展了物理观念的广度和深度。

（四）迁移：拓展运用概念，强化问题解决

物理观念形成的重要标志是学生能够从物理学的视角解释自然现象和解决实际问题，因此在迁移环节，学生需要运用物理观念解决实际问题，问题尽可能地选取“原始”物理问题，即自然界及社会生产中客观存在且未被加工的物理问题。原始问题往往只暴露了现象的某些特征，需要从中抽象并设置物理量，因此能够充分调动学生的各种物理观点、思想方法，培养学生运用所学知识解决陌生复杂的实际问题的能力，达到用物理观念指导实践的目的。

例如，在秋冬季的夜晚脱衣服时经常看到火花，请完整解释这一现象。此现象可以用平行板电容器模型对其做出粗略解释。脱衣服时衣服相互摩擦，相互摩擦的两物体紧密接触时，其电压是有限的，由电容器电容的定义可知，如果平行板电容器带电荷量不变，分离时相互间的距离（相当于平行板电容器两极板的距离）有巨大变化，带电物体的电容非常小，那么即使只带少量电荷，也会产生非常高的静电电压，产生电火花［4］。

（五）评价：运用多种方式，评定掌握情况

评价环节是检查学生物理观念建构水平的环节，也是反思教学目标达成度的环节。评价的形式多样，就评价主体而言，可分为自评、互评、师评、组评；就评价方式而言，可以分为正式评价和非正式评价；就评价工具而言，可分为评价表、测试题、思维导图。基于观念建构，正确的做法是，为学生搭建体验、评价、交流的平台，提供概括反思的方向和线索。如引导学生反思对核心概念的理解程度、能力的养成情况、观念框架的架构层次等［5］。

三、结论与启示

物理观念的提出对中学物理的教与学提出了更高的要求，促使一线物理教师重新审视“知识为本”的教学现状，同时也对学生学科能力的培养提出了新的挑战。“5E”教学模式对物理观念的形成与发展起到了积极的促进作用。创设问题情境，引发认知冲突，在主动探究中使学生明确物理概念，在知识的解释归纳中初步建构物理观念，在新情境中落实用物理观念指导实践能力的养成，并在评价过程中完成物理观念的进一步提升。因此，将“5E”教学模式作为实施物理观念教学的路径和模板，开展积极的教学尝试，相信实证性的教学研究会取得理想的效果。