基于5E教学模式的探究活动设计<br/>—以中国铁道博物馆“火车旁的隐形力量”教育活动为例

基于5E教学模式的探究活动设计
—以中国铁道博物馆“火车旁的隐形力量”教育活动为例

2022-09-15杜媛

文物鉴定与鉴赏 2022年15期

杜媛

（中国铁道博物馆，北京 100055）

0 引言

5E教学模式即吸引（Engagement）、探究（Exploration）、解释（Explanation）、迁移（Elaboration）、评价（Evaluation），是一种基于建构主义理论的教学方法，致力于组织学生开展深度学习。5E教学模式下的学习过程不是被动灌输，而是在情境中完成协作、实现主动建构，这与《义务教育阶段小学科学课程标准》（2017年版）倡导的“探究式学习，在探究过程中学生主动参与，经历科学探究过程，以获取科学知识的教育理念”相吻合。为此，中国铁道博物馆设计了“火车旁的隐形力量”教育活动，通过一系列活动激发学生学习科学的兴趣、培养学生的核心素养、提高学生的探究能力。

1 教学对象和学情分析

教学对象：小学3-4年级学生。

学情分析：这一阶段学生的思维形式向抽象思维过渡，良好的学习动机和态度逐步形成，需要进一步激发学生探究学习的兴趣。在认知上，思维从具象思维向逻辑思维过渡，具备了一定的比较、分类、判断、推理的能力，有能力通过实验发现问题，但仍缺少自主推理和主动探究的能力。

2 教学目标与教学重难点

2.1 教学目标

科学知识：理解伯努利原理，并能够应用伯努利原理解释身边的科学现象。

科学探究：通过模型法开展科学探究获取直接经验，构建伯努利原理科学概念。培养学生认真观察、根据身边的事情提出科学问题、基于自身认知做出假设、开展探究、动手操作、寻求实证、解决问题的科学探究能力。

科学态度：通过学生身边的事情—“站台黄线”现象背后的科学现象引发学生的探究兴趣；通过探究结果分析“站台黄线”现象的原因，培养学生实事求是的科学态度；通过拓展模型法培养学生的创新意识；通过小组合作探究、解释交流培养学生合作分享的科学态度。

科学技术社会环境：了解科学对人们日常生活带来的影响。

2.2 教学重难点

教学重点：学习并应用伯努利原理，掌握模型法。

教学难点：组织学生自主制作模型，合作完成科学探究，学习伯努利原理。

教学策略：教师通过引导学生解读模型与实际情况的对应关系，帮助学生理解物理模型，理解模型法，从而学习伯努利原理。

2.3 教学场地、教学准备、活动时间

教学场地：中国铁道博物馆正阳门展馆内一层中厅区域；教学准备：撰写活动方案；准备活动教具：乒乓球、乒乓球支撑架等；活动时间：60分钟。

3 教学过程

3.1 吸引

吸引环节要让学生对学习任务产生兴趣、主动探究，强调通过创设情境来激发学生的学习兴趣。

在吸引环节，学生的已有知识与教师创设的情境之间产生了认知冲突，这是实现概念转变的重要策略之一。鉴于此，设计了第一环节。

第一环节：教师带领学生参观中国铁道博物馆展厅内的火车模型，并模仿站台播报员的语音提示“列车即将到站，请大家不要越过站台黄线”，激发学生学习兴趣和探索欲，提出学生准备坐火车、地铁的时候是不是总能听到这样的声音？为什么？引出探究问题，创设探究情景。

阶段目标：基于展厅火车展项，引导学生从身边的事情中提出可探究的科学问题，激发学生的好奇心和探究兴趣。

学情分析：这一阶段学生有强烈的好奇心和探究欲望，能够发现身边的科学现象，但是还不能从科学现象中提出可探究的科学问题，并结合学校、生活经验提出假设，仍需要教师的引导。

设计意图：通过组织学生展厅参观火车模型，创设情景引发“乘坐火车、地铁不要越过站台黄线”与日常生活中“乘坐公交车离车近一点可以更快速上下车”的认知冲突，引导学生提出探究问题“距离高速行驶的列车太近会有什么危险”，做出“距离高速行驶的列车太近会被卷到（挤压），还是会被推开”的假设。

教学策略：利用展厅火车展项吸引学生发现和关注“站台黄线”现象，通过提问的形式引导学生提出可探究的问题，引导学生联想在日常生活中遇到的场景作出假设。

教师活动：组织学生参观展厅，在火车展品前提出问题“大家乘坐地铁或火车的时候在站台上有没有发现一条黄色的直线？大家知道为什么要设置站台黄线吗？”鼓励学生开动脑筋，思考并大胆表达自己的想法，激发学生产生好奇心，引出问题“人为什么要距离快速行驶的列车远一点”，组织学生讨论并作出假设“距离太近会被卷到火车上，还是会被推开”，同时了解学生的前概念。

学生活动：参观展厅，在教师的引导下思考“站台黄线”现象，提出问题“设置站台黄线的原因是什么”，同学之间开展讨论并作出假设。

3.2 探究

这一环节的特别之处，在于学生需要在老师的引导下自己动手制作实验道具，通过模型法开展探究，使学生能在实践中获得真知，然后将它们融入原有的认知结构中。鉴于此，设计了第二、第三环节。

第二环节：引导学生动手搭建模型，为开展科学探究、理解伯努利原理做准备。

阶段目标：让学生了解模型法的概念，引导学生自己动手搭建实验道具，为开展探究做准备。

学情分析：学生通过引入环节了解到需要通过探究来验证“人距离高速列车比较近会有什么危险”的假说，但不了解如何安全地探究现实中比较危险的问题，更没有自己设计模型教具去验证假说的经历，不知道如何操作。

设计意图：通过引导学生动手搭建制作实验模型，经历和了解科学探究的过程与方法，尤其是亲自动手组建实验教具，进一步提升学生的探究能力，体现学生的主体地位。

教学策略：教师给出模型的基本框架做参考，向学生解释模型与实际情况的相似之处，引导学生动手、动脑制作自己的实验教具，在模型与实际情形之间建立关联，同时给学生一定的自由度。

教师活动：鼓励学生小组合作搭建教具，根据自身认知尝试新的组建方法，在必要时进行引导。

学生活动：动手制作模型教具，需要边动手边动脑，模型为什么这样组建？思考模型与实际情形的相似之处，别的组建方法是否可行，哪些地方可以改进以更好地符合实际情形，参数的变化会有什么影响？

“相互吸引的乒乓球”实验教具组建步骤：

①将两个立柱分别插在两个底座的中心孔位置。②将紧销插入第三立柱顶端的孔中。③将第三立柱插入固定好立柱两侧最上方的孔中。④将棉线剪成合适的长度一头系在挂件顶端，然后将挂件插入泡沫球。⑤将棉线另一头缠在十字销较粗的一侧，调整至合适的长度后（两球高度要相同）将两个十字销（较粗端）插入横立柱对称的第六孔中。

第三环节：模型法探究高速行驶列车与行人之间的危险性。

阶段目标：通过模型法探究高速行驶的列车与行人之间可能发生的危害，以验证提出的假说。

学情分析：相比较听老师讲，这一年龄段的学生更喜欢动手操作，他们会通过动手操作将原有的知识经验进行印证、完善，尤其是用自己亲自动手制作的实验教具进行科学验证。

设计意图：通过探究实验获得直接经验，验证假说。

教学策略：引导、鼓励学生用自己组建的模型教具开展科学探究。

教师活动：引导学生分组开展科学探究，进行实验操作，观察并记录实验现象，根据实验现象验证所提出的假设。

学生活动：学生用吸管向小球的中间匀速吹气，两只小球分别代表人与列车，吹气模拟列车行驶带来的气流变化，记录两个小球的运动状态。

3.3 解释

此环节是5E教学模式的关键环节，在完成探究活动之后，学生获得实验现象，需要依据获得的实验现象尝试寻找现象背后的原因与规律，归纳得出伯努利原理的概念。这是使新概念、过程或方法明确化和可理解化的过程。此环节通常体现小组内个体交流发言和小组代表交流汇报。鉴于此，设计了第四环节。

第四环节：学生以小组为单位发言交流汇报，学习伯努利原理这一科学概念。

阶段目标：学生根据获得的实验现象提炼出现象背后的规律，教师对学生提炼的科学概念进行完善。

学情分析：学生通过探究获得实验现象，组员合作、讨论形成小组意见，有意愿将自己的探究过程、结果表达出来。但模型法存在一定的抽象性，学生很难准确地把模型法得到的现象与实际情况相关联，并用科学术语表达出来，需要教师的进一步引导。

设计意图：学生通过解释环节，对实验现象进行分析、思考，验证科学假设，加深对伯努利原理这一科学概念的理解。

教学策略：教师能够从学生的陈述中了解学生对于科学概念的掌握程度，通过详细解读帮助学生构建模型与实际现象的关联，掌握伯努利原理。

教师活动：引导学生用科学语言陈述探究过程和观察到的现象，如何从现象推理到现象背后的规律。分解模型各个部分，并与实际情形一一对应，帮助学生理解模型法，完善学生解释的科学概念。

学生活动：以小组为单位，介绍探究过程以及探究过程中遇到的问题、解决办法、阐释探究结果，解释结果背后的规律，把通过模型法探究的结论与实际情形相关联，解读“站台黄线”现象背后的科学原理。听取教师对于结果的解释，构建伯努利原理这一科学概念。

学生讨论实验结果背后的原因：向两个小球的中间吹气的时候，把中间的空气都吹跑了。那么两边的空气多、中间的空气少，就会把小球挤到中间去了。也就是说，空气流速快的地方压强小，空气流速慢的地方压强大，压强差把球往中间挤，这时教师引导学生从模型获得的规律关联到地铁黄色安全线，将实验结果关联到地铁黄线的现实问题中，并得出列车（地铁）站台上都画有黄色安全线是因为当列车高速通过站台时，人与车体就会产生相对运动，流动的空气流速越高压强越小，所以这时候人若越过站台黄线很容易被吸过去，造成很大的危险。

3.4 迁移

让学生根据自己“已有概念”进行扩展，教师引导学生运用获取的知识、原理、方法来思考或者解决新的问题。鉴于此，设计了第五环节。

第五环节：让学生利用学习的伯努利原理、模型法，解决新环境中遇到的问题。

阶段目标：强化学生对伯努利原理的掌握与应用。

学情分析：通过前面几个环节的探究，大部分学生能够从实践中了解伯努利原理，知道空气流速快的地方压强小、空气流速慢的地方压强大。但是，对于伯努利原理的掌握程度还没有达到从理解到应用的层次，不能做到理论与实践的结合。

设计意图：让学生能够应用所学的伯努利原理去解释生活中一些问题背后的科学原理。

教学策略：教师结合学生身边的事情提出与伯努利原理相关的问题，引导学生利用所学概念及模型法结合之前的探究环节，进一步拓展使用模型法解决新问题。

教师活动：组织学生参观展厅，在普通列车与高铁列车模型前提出问题“与普通列车相比，高铁列车站台的黄色安全线距离轨道的距离是变远还是变近了”，并要求学生自行设计实验验证自己的答案。

学生活动：思考伯努利原理，小组讨论“空气流速快的地方压强小、空气流速慢的地方压强大”，分析列车速度加快所带来的地方压强的变化、人流两侧压强差的变化。从安全性的角度考虑，提出安全线应该是变远还是变近的答案。

得到答案之后，学生思考之前开展探究所用的实验方法，并开展小组讨论。在教师的引导下，学生小组讨论如何拓展、完善模型法，应用控制变量原则，用吹风机的不同风速代表普通列车、高速列车通过时带来的空气流动。小球向中间聚拢的速度、靠拢的程度表示压强差所带来的压力大小。通过实验结果验证自己的假说。

3.5 评价

此活动的评价贯穿了整个教学过程，采用正式和非正式的方式评价学生对科学概念的掌握及应用。这里的评价包括老师对学生的评价、学生之间的评价、家长对活动的评价，形成此活动长效的评价体系，探索构建教师与学生、学生与家长、家长与教师之间的评价体系新途径。

教师过程性评价：教师对学生在整个探究过程的表现进行观察评价，从提出问题（“站台黄线”现象）、思考作出假设、动手制作模型、利用模型进行探究，探究之后学生讨论提炼现象背后的原因，学生对探究过程、探究结果进行解释，学习模型法、伯努利原理之后如何进一步应用所学模型法、科学概念去解释身边现象背后的科学原理。在整个过程中评价学生的学习态度、动手动脑表现，对伯努利原理的掌握和对模型法的学习，是否达到了预期的课程目标。

教师总结性评价：教师进一步提出关于“香蕉球”“飞机机翼如何产生上升的力量”“乒乓球如何从一个杯子跳到另一个杯子”等科学问题、科学现象让学生去解释，来评价学生对伯努利原理的概念掌握。在拓展环节同时检测学生对于模型法的理解和应用情况。

学生自评：设计自评表格，让学生自我评价对于伯努利原理的掌握程度、对于模型法的掌握和应用。

4 活动特点与亮点

活动能够通过教师的引导，暴露学生们对关于“站台黄线”现象的原有认知，教师通过学生原有认知对标引导自主探究，打破原有的认知平衡，从而达成认知冲突，进一步激发学生的思维碰撞，从而达到自主探究的目的。

活动利用各种方式创设教学情境，如教师模仿站台播报员的语音提示“列车即将到站，请大家不要越过站台黄线”激发学生学习兴趣和探索欲，鼓励学生采用观察、假设与论证、讨论与分析、归纳与推理、分工与合作、表达与交流等学习方法，利用任务（实验探究）驱动，层层设疑探索，帮助学生通过自主探究构建对伯努利原理的认知，鼓励学生能够大胆地将理论应用于实践，解决新环境中遇到的问题，培养学生学习科学知识、运用科学知识、关注社会生活的热情，增加为人类美好生活而不懈努力的社会责任感与使命感。