凸显实验育人：高中物理实验5E+教学模式研究

李桂旺 王军

［摘要］ 高中物理实验内隐着审辩思维、循证探究与实践应用等学科育人价值。研究引入国际科学教育的5E教学模式，以课例研究的方法，逐步生成了物理实验育人的三种5E+教学模式，即体验知识源头与建构的5E+科学史实验教学模式、促进思维显性与纵深的5E+IYPT实验教学模式、5E +定量探究实验教学模式。

［关键词］ 高中物理实验；育人价值；5E教学模式；科学史；IYPT

物理实验作为物理教育中凸显理科属性与科学本质的重要基础，其在内容设置、探究方法与内隐思维等众多方面对学生科学素养的培养均具有不可替代的作用。多年来，我们致力于物理实验教学的改革与创新，深度挖掘和转化物理实验的育人价值，旨在通过小实验来彰显大智慧。1988年，美国科学家Bybee和Landes为解决科学教育难以纵深化、线索化的问题，创设了包含参与、探索、解释、精致化及评价五个阶段在内的5E教学模式。后经历改革演变，5E教学模式成为5E“学习环”的教学策略，使该“学习环”成为一套更趋于完备、更符合学生认知特点的教学程序。5E模式改变了传统模式，以开放的方式组织教学，允许学生探究检验自己的想法，加深对新知识的理解，根据前概念设计教学，从而帮助学生进行知识建构，培养学生的探究能力。

一、体验知识的源头与建构：5E + 科学史实验教学模式

物理学史是科学史的核心，也是物理学科的一个分支，它研究人类对自然界各种物理现象与规律的认识历程。物理学史呈现了物理学下属各个领域知识内容的由来与变迁历程，其不仅蕴含着大量的科学探究方法与思维，还潜藏着科学家看待与解决现实生活问题的学科观念、科学精神、伦理态度等。因此，在物理教学特别是实验教学中融入物理学史，让学生感受科学家的探究过程与思维过程，体会物理概念与规律是如何形成的，理解其中的科学思想与方法，明确科学本质，形成科学的物理认知结构，丰富物理学科育人价值。以“牛顿第一定律”为例，采用了5E +科学史实验教学模式，促进学生体验知识的源头与建构过程。

问题产生：通过视频播放踢足球、射箭、跳高、自行车起步与刹车……让学生从生活场景中举例并进行交流讨论。以上文所述的现实生活的普遍现象为源头，促进学生主动性投入的思考。此外，情境的预设提供了学习探究的脚手架，符合学生的认知规律，便于学生进一步结合运动学和力学知识，将二者交融并学习迁移到牛顿运动定律的学习中。

历史回顾：人类早就对力和运动的关系有所关注和研究，古希腊亚里士多德通过生活观察发现车辆因为受到推力或者拉力才可以运动，不用推力或拉力就会停下来，因而总结认为：力是维持物体运动的原因，即物体受到力才可能运动，不受力物体将会停下来。虽然我们知道这个结论存在科学上的问题，但我们需要辩证地看待亚里士多德的伟大贡献。亚里士多德的观点也是事物发展过程中存在的一种可能性，即科学的发展也是历经很多曲折的过程。同时，还可以让学生对亚里士多德的“事实经验”加以分析，寻找错误结论的原因，让背景知识在课堂教学中发挥它的价值。

重演历史：伽利略认为撤去推力后的车会停下来是因为有摩擦力的作用，并提出了“理想实验法”——“理想斜面”实验来研究力与运动的关系。课堂上，利用自制教具形成实验探究。实验后，学生将多次最高点进行比较，发现小球的最高点的高度差不多相同。这样，学生通过历史经典实验的演练，感受到前科学家的问题探究的奥妙与科学精神，也认识到物理实验学之父的伟大之处。

推理归纳：鉴于以上实验的事实，可知当斜面倾角足够小时，小球依然可以“到达”原来的“高度”，由此能推理得出，当轨道水平时，小球将继续“寻找”原来的“高度”而且不停地运动下去。可见，小球在水平轨道上不需要外力也能一直运动下去，即运动不需要力来维持。就这样，让学生经历在实验研究基础上进行科学合理的逻辑推理，总结科学规律，从而体会到伽利略“理想实验”的魅力所在。

质疑创新：让学生表达“如果不受力小球将一直运动下去”的理解：（1）虽然是水平面上的实验，由于地球是圆的，即广义上看，水平面应该是“球面”，即小球将沿地球表面一直做圆周运動。但小球实际上还受到地球的引力作用，因此伽利略没有完美地解决力与运动的关系问题。（2）小球是否会沿直线飞出地球。此后，物理学家笛卡尔对伽利略的观点进行了完善。可以让学生科学地理解伽利略“理想斜面”实验的意义和价值，并思考伽利略关于“力与运动的关系”的结论是否具有完备性。再从物理学发展的角度去全面了解科学家们是如何进一步完善的。最后，让学生思考伽利略与笛卡尔只是归纳了物体不受力的情形却没有关注受力的情况下物体的运动会遵行什么规律或特点……

二、促进思维的显性与纵深：5E + IYPT实验教学模式

IYPT是三大顶级国际中学生物理竞赛之一。IYPT赛题都是贴近实际生活的开放性的原始物理问题，让学生经过真实的研究，最终通过辩论的方式进行比赛。在物理5E教学中尝试融入IYPT方式，让部分有条件的学生利用课余时间具身实践，主动参与开放式的全真探究，并在课堂中通过汇报、交流、答辩的方式开展教学，用以促进思维的显性与纵深。更重要的是，利用“IYPT”方式的探究教学活动，能够尽量排除很多教师经验性的预设因素，让学生在原生态环境中去感受探究的乐趣，包括探究过程中遇到的各种困难，以及如何克服困难的体验。以“碰撞中的守恒量”为例，具体教学过程如下。

问题生产：通过播放视频观察生活中常见的碰撞现象（交通汽车碰撞、台球运动和冰壶运动），并建立“碰撞”的物理概念。根据化繁为简的基本思路，引入“牛顿摆”的演示实验。通过观察交流分析小球间依次发生一维碰撞，并建立“一维碰撞”的概念。从各种碰撞中是否存在一定规律的角度，引出“电荷守恒定律”和“机械能守恒定律”，从而尝试研究“碰撞中是否也存在‘不变量”的规律，即探寻碰撞中的“不变量”。

方案设计：考虑到课堂教学的实际，将学有余力和有兴趣的同学分成几个小组提出问题，然后利用课余时间各自相对独立地通过自己的方案开展探究（大约需要2周的课余时间方可得到相对充分的探究）。每组同学选择一种合适的探究方案，教师可进行适当的方向性和技术性的帮助，通过探究，最终形成研究报告。

答辩汇报：方案确定的依据（包括其他方案排除的原因或困难）、实验探究详细过程（模型、原理、器材、表格设计、数据测量和分析、初步结论和误差分析），课堂中所有同学及老师共同参与交流讨论，项目小组同学答辩——此即为对“IYPT”模式的借鉴。

归纳应用：借以项目探究的小球碰撞“速度交换”现象总结产生的条件，分析“牛顿摆”现象的原因；同时介绍“冰壶比赛”中“打定”的技术原理，理论回归实践。通过“IYPT”模式的教学实践，让学生参与到全真问题研究中，用研究的方式经历物理学习，培养学生的物理学科核心素养，让深度学习真正发生。

三、品悟科学的实证与审辩：5E +定量探究实验教学模式

物理学作为与数学结合最为紧密的自然科学，其定量化的实验探究不仅让学生通过动手做、做中学主动地发现问题，并且让学生在实验操作、收集处理信息、调查数据、表达交流等探索活动中品悟科学的实证与审辩。从定性走向定量化的探究过程，一定程度上可以让学生进一步回归物理学的理科属性与科学本质，让其更为实证、审辩地采用数理逻辑建构学科体系。现代教育教学中，采用各类学科教具或实验器材进行教学的有效展开已然成为常态。研究者将5E教学模式与定量探究实验相融合，构建了品悟科学实证与审辩的5E +定量探究实验教学模式。以“光的折射”为例，对其规律的具体实验教学过程如下。

方案设计：空气中吹入少量烟雾，在水中滴入一点牛奶，将激光从空气斜射入水中，可以更清楚地看到“光路”（丁达尔现象），光的传播方向发生了变化；随着入射光方向的变化，折射光的方向同步变化。利用光的折射反射演示仪，将光线从空气射入半圆形玻璃的非圆心时，传播方向发生变化，而经过圆心的光线射出玻璃砖时传播方向“不变”（与介质分界面垂直）。

变量分析：入射角、折射角及激光的颜色（本实验中用红色与绿色）。方案确定：实验器材：激光笔（红光、绿光）、水、烟雾、牛奶、光的折射反向演示仪、Excel等数据分析软件；研究对象：激光、入射光、反射光与折射光；研究手段：借助背景板的量角器测量激光的入射角和折射角；猜想其所遵循的规律或可能存在的

“不变量”：、、……

方案实施：定性方案中可以清楚地看到入射角增加，折射角同步增加。利用光的折射反射演示仪，首先使用红色激光，分别测量当入射角（每次实验增加一定角度，本次实验是递增10°，可能更小一点）0°、10°、20°、30°……80°时对应的折射角；然后利用绿色激光进行同样的实验。数据处理：将实验中入射角θ1与折射角θ2等数据记录在表格中。利用Excel软件进行数据处理，结合合理的猜想，尝试进行相关数据的研究。

情形A：入射角与折射角的比值在入射角小于20°时变化不明显，此后随着角度的增大而增加，无明显的定量规律。情形B：入射角与折射角的正切值的比值在入射角小于20°时变化不明显，此后也是随着角度增大而增加，且变化比情形A更快，也没有明显的严格定量规律。情形C：入射角与折射角的正弦比值在某一数值范围内无规律地很小幅度变化，在误差范围内，其比值是“不变量”。情形D：改用绿色激光进行同样的实验，其入射角与折射角的正弦比值比红色激光实验略大（用同一玻璃进行实验）。

分析归纳：通过实验探究综合分析得出三线共平面，入射角的正弦与折射角的正弦成正比（比值即相对折射率）的结论。本实验中存在测量、读数及系统误差因素，在实验误差范围内，实验探究的结论应该是科

学的。

应用交流：设计趣味实验让学生体验光的折射现象的神奇所在。一个储油桶的底面直径与高均为d。当桶内没有油时，从某点A恰能看到桶底边缘的某点B。当桶内油的深度等于桶高的一半时，仍沿AB方向看去，恰好看到桶底上的点C，C、B两点距离d/4。

创新设计：让一束激光沿AB方向射入，然后注入未知透明液体，在体验实验的基础上，启发学生逆向思维，尝试设计未知透明液体折射率的测量仪器或方案，并以刻度的方式标注在仪器底部。实践中，可以进行必要的提示：B点标注折射率是多少，C点标注折射率是多少，这个折射率的刻度分布是不是均匀；如何制作一份该仪器的“说明书”等。

[本文系江苏省教育科学“十四五”规划2021年度重点课题“促进深度学习发生的物理实验5E教学模式研究”（项目编号：B/2021/02/45）研究成果]

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