5E教學(xué)法在中學(xué)物理重心概念教學(xué)中的探討

顏國英 張皓晶 鄭原琛 李寶金 張 雄

(云南師范大學(xué),云南 昆明 650500)

1 5E教學(xué)法的基本內(nèi)涵

“三階段學(xué)習(xí)環(huán)”是R. Karplus基于瑞士心理學(xué)家皮亞杰的理論研究而提出的,美國生物科學(xué)課程專家對此在實踐的基礎(chǔ)上,進(jìn)一步細(xì)分形成5個前后密切聯(lián)系的階段:引入(Engagement)、探究(Explore)、解釋(Explain)、拓展(Elaborate)、評價(Evaluate),故稱為5E學(xué)習(xí)環(huán)或5E教學(xué)模式,[1]是一種結(jié)合構(gòu)建主義和概念轉(zhuǎn)變理論,強調(diào)學(xué)生的主體地位,學(xué)生在創(chuàng)設(shè)的情境中經(jīng)歷概念的引入,再進(jìn)行各種探究活動,發(fā)展經(jīng)驗形成新概念的探究式教學(xué). 5E教學(xué)法讓學(xué)生學(xué)會對生活情境運用概念進(jìn)行實例映射,多維度拓展促進(jìn)對所學(xué)概念的更深入理解,5E教學(xué)法最后“評價”階段,通過教師口頭提出開放性問題、書面表達(dá)或表現(xiàn)性任務(wù)對學(xué)生整個學(xué)習(xí)過程進(jìn)行正式評價的有效探究教學(xué).

5個階段的緊密進(jìn)行體現(xiàn)了學(xué)習(xí)者基于原有的知識經(jīng)驗生成意義、建構(gòu)理解的概念構(gòu)建過程,同時也是引發(fā)認(rèn)知沖突并加以理解消化的過程,是原有的某種知識經(jīng)驗由于受到與此不一致的新經(jīng)驗的影響而發(fā)生的重大改變的概念轉(zhuǎn)變過程.

2 運用5E教學(xué)法建立重心概念的過程

在中學(xué)物理中,一個物體的各部分都受到重力的作用,從效果上看,可以認(rèn)為各部分受到的重力作用集中的點叫做物體的重心.重心是一個比較重要的概念,與物體的形狀和質(zhì)量分布情況有關(guān).而生活的情景中會遇到有關(guān)重心偏離幾何中心以及重心發(fā)生變化等問題．本文以幾個有關(guān)重心的有趣物理現(xiàn)象為例,運用5E教學(xué)法體現(xiàn)出學(xué)生建立重心概念的過程.

2.1 “爬坡的圓盤”引入重心概念

首先通過演示圓盤在斜坡上的運動,創(chuàng)設(shè)圓盤爬坡這樣一種與原認(rèn)知沖突的問題情境,引起學(xué)生的好奇心和注意力,從而主動參與到本課的概念學(xué)習(xí)中.圓盤可由食品鐵盒a在內(nèi)部用透明膠等物體固定一重物b制作而成,在演示的過程蓋好蓋子避免讓學(xué)生看到內(nèi)部結(jié)構(gòu).開始時先以圖1[2]中的A狀態(tài)擺放好,提問學(xué)生由靜止釋放后圓盤會如何運動,學(xué)生根據(jù)先驗經(jīng)驗會回答沿斜面滾下,結(jié)果發(fā)現(xiàn)圓盤向上“爬坡” 依次經(jīng)過B、C后在B點靜止;再以B狀態(tài)擺放好,提問學(xué)生猜想圓盤會如何運動,學(xué)生回答后由靜止釋放圓盤進(jìn)行演示,結(jié)果發(fā)現(xiàn)圓盤只會輕微擺動仍停留在B處;最后以D狀態(tài)擺放好同樣進(jìn)行演示,結(jié)果發(fā)現(xiàn)圓盤會向下滾動依次經(jīng)過C、B、A最后向上滾動停留在B處.學(xué)生在每一次演示之前的猜想都極有可能是錯誤的,通常在觀察后仍不能說明為何會有如此神奇的運動現(xiàn)象,順勢引入重心概念.

圖1 “爬坡的圓盤”示意圖

5E教法依據(jù):5E教學(xué)法中“引入”環(huán)節(jié)意味著學(xué)生應(yīng)該在知識產(chǎn)生的真實情境中,通過與教師、同伴的互動,學(xué)習(xí)建構(gòu)新知.在這一環(huán)節(jié)中,教師需要通過創(chuàng)設(shè)情境,設(shè)計一些引入活動來吸引學(xué)生的注意力.這些引入活動中有一部分與當(dāng)代普遍認(rèn)可的新經(jīng)驗一致.而有一些是不一致的.[1]由“爬坡的圓盤”創(chuàng)設(shè)的問題情境在很大程度上與學(xué)生當(dāng)前的認(rèn)知造成了極大的沖突,可以引起學(xué)生強烈的求知欲從而達(dá)到了引入重心概念的演示效果.

2.2 深入探究“多變的幾何板”

教師給學(xué)生提供探究教具:正六邊形硬紙板若干、沿正六邊形對角線剪下的硬紙片若干、掛有10g鉤碼的重垂線以及雙面膠若干.

(1) 組織學(xué)生以小組合作形式探究不同形狀、質(zhì)地均勻的幾何硬板重心,教師示范說明兩次懸掛法的具體過程,學(xué)生進(jìn)行操作探究,分析兩次懸掛法確定重心的合理性,最后總結(jié)操作步驟如圖2中的A:用重垂線與幾何紙板于同一點懸掛后,在紙板上畫出重垂線的路徑,改變懸掛點再畫出一條重垂線的路徑,兩線交點M即該紙板的重心;總結(jié)出探究結(jié)論:質(zhì)地均勻的物體其重心位于幾何圖形的中心.

(2) 組織學(xué)生按照圖2中將正六邊形沿K1、K2對角線對折后用雙面膠固定好,就制成了質(zhì)地不均勻的五邊形紙板(如圖2中的B),學(xué)生繼續(xù)探究該紙板的重心.提出問題學(xué)生討論:如何判斷B圖形質(zhì)地是否均勻?該紙板是否是軸對稱圖形?重心有何特點?在探究交流后,學(xué)生基本能區(qū)分出何種物體是質(zhì)地均勻的,對于軸對稱的物體,重心必落在對稱軸上的一點，如圖2中的B圖形重心N，必落在該圖形對稱軸上.

圖2 “多變幾何板”的變換過程

(3) 組織學(xué)生將上述B圖五邊形紙板再沿對角線K1K3對折,變成既不是對稱又不是質(zhì)地均勻的C圖形紙板,探究該圖形的重心.提出問題學(xué)生討論:如何判斷C圖形質(zhì)地是否均勻?該紙板是否是軸對稱圖形?重心有何特點?學(xué)生總結(jié)出質(zhì)地不均勻的不規(guī)則圖形的重心位置無明顯規(guī)律特點，但可通過兩次懸掛法找出重心位置，如圖2中的C圖形重心P.此處操作是對兩次懸掛法尋找重心的強化練習(xí).

5E教法依據(jù):以上探究活動始于學(xué)生對課前引入的興趣,激發(fā)了學(xué)習(xí)探究的動力,因而學(xué)生具有較大的主動性符合探究的科學(xué)發(fā)展觀.探究活動各環(huán)節(jié)由淺入深層層遞進(jìn),能夠讓學(xué)生充分調(diào)用已有知識和主體能動性開展探究,各環(huán)節(jié)緊密關(guān)聯(lián)又有新的挑戰(zhàn),符合學(xué)生已有知識的元認(rèn)知結(jié)構(gòu)以及最近發(fā)展區(qū)理論的要求.“探究”是整個5E教學(xué)模式的中心環(huán)節(jié),獲取知識、掌握技能和技巧都是在這個過程完成的.[2]

2.3 解釋明確重心概念

根據(jù)以上的實驗探究結(jié)果,教師鼓勵學(xué)生對操作的經(jīng)驗、概念的理論化以及思維的過程等進(jìn)行多維度的分析、解釋.出聲思維就是要讓學(xué)生將其思維過程充分展示出來,借助于語言向老師或同學(xué)吐露其內(nèi)隱的思維過程.因此,解釋的過程能夠更好地暴露學(xué)生對于多變的幾何板重心測量的迷思概念以及低效思維方式,學(xué)生能夠及時形成正確的概念并且將零散的知識整理成系統(tǒng)化認(rèn)知結(jié)構(gòu),形成正確的物理觀念,培養(yǎng)學(xué)生的核心素養(yǎng).[3]

2.4 制作“雙錐體爬坡” 拓展多維學(xué)習(xí)

在高中《物理·必修 1 》中通過觀察與思考雙錐體沿斜面軌道上滾的現(xiàn)象,使學(xué)生加深了解在重力場中物體總是以降低重心,趨于穩(wěn)定的規(guī)律運動.[4]雙錐體上坡的演示實驗裝置有實驗室的專業(yè)裝置,也有用籃球和竹竿等改進(jìn)的裝置.本文介紹一種讓學(xué)生用生活中常見的一次性紙杯就能制作的雙錐,如圖3,用兩個紙杯在開口處用透明膠連接好制成“雙錐”,軌道可以用光滑的金屬棒或者木棍制成.[5]演示雙錐爬坡:開始時雙錐放在距離較小的軌道e內(nèi),再慢慢向外移動兩邊軌道到達(dá)f處,結(jié)果發(fā)現(xiàn)雙錐由G1處運動到了H1處,距離斜坡最高點更近了,此過程看起來雙錐在爬坡.教師提供紙杯、透明膠、木棒等讓學(xué)生動手制作雙錐,學(xué)生嘗試使雙錐運動到“坡頂”并在上述學(xué)習(xí)的基礎(chǔ)上找出雙錐的重心以及重心的運動軌跡,分析該現(xiàn)象產(chǎn)生原因.提出問題學(xué)生討論:若將兩個杯子底部相連接,應(yīng)如何移動軌道使其“爬坡”?

圖3 雙錐爬坡演示圖及其前視圖

由圖3的前視圖可以發(fā)現(xiàn):G1處雙錐半徑較大,重心所在的直線到導(dǎo)軌的距離較大,即重心高;在軌道變寬后,H1處雙錐半徑小,重心較低,故雙錐爬坡的過程實質(zhì)上是重心向下運動的過程.若將兩個杯子底部相連接制成雙錐,則軌道應(yīng)由寬變窄才能使雙錐“上坡”,其原理相同.

5E教學(xué)法依據(jù):拓展環(huán)節(jié)主要包括兩個方面的內(nèi)容.一是拓寬知識面,二是學(xué)以致用,這是學(xué)生把所學(xué)知識不斷精致化的過程.[6]雙錐爬坡的現(xiàn)象學(xué)生可能通過生活中的民俗游戲接觸到,學(xué)習(xí)這部分內(nèi)容,不僅是一個動手操作的知識應(yīng)用過程,更是對我國優(yōu)秀傳統(tǒng)文化的學(xué)習(xí)、傳承過程.

2.5 嵌入課堂的評價

嵌入課堂,即說明課堂評價具有教學(xué)意義,是一個教學(xué)事件的特殊表現(xiàn)形式,評價始于教學(xué),為了教學(xué).本次探究學(xué)習(xí)的課堂中,教師可通過學(xué)生對探究的反饋、學(xué)生的自我評價和同伴評價,開展本次評價,或者通過口頭提出開放性問題:學(xué)生分析如圖4“翻筋斗的魔丸”的重心變化過程進(jìn)行非正式評價.

5E教學(xué)法的評價理論與我國新課程理念下的評價相契合:主體由教師主導(dǎo)到師生共同參與,評價手段從單一的形成性測驗到正式和非正式評價方法相結(jié)合,評價功能從只對學(xué)生學(xué)習(xí)結(jié)果查漏補缺到持續(xù)支持學(xué)生學(xué)習(xí)再到改善教與學(xué).

圖4 “翻筋斗的魔丸”重心變化示意圖

3 討論

本文討論了5E教學(xué)法的各階段在重心概念建立過程的滲透,結(jié)合有關(guān)重心概念的幾個易引起認(rèn)知沖突的例子,貫穿闡述了5個階段教學(xué)法的設(shè)計理念和教學(xué)依據(jù),從簡明的原理圖中進(jìn)行形象生動的分析,有利于學(xué)生重心概念的建立以及探究能力的提升.各環(huán)節(jié)末尾從理論基礎(chǔ)、教學(xué)目標(biāo)和基本特征3個方面討論了5E教學(xué)法和我國探究式教學(xué)的聯(lián)系,為我國中學(xué)物理探究教學(xué)的發(fā)展尋找新的動力.文中的例子在教學(xué)中的實用性很強,不僅是因為實驗現(xiàn)象非常明顯,更是因為實驗現(xiàn)象與學(xué)生的認(rèn)知存在一定的沖突,給學(xué)生以極大的好奇心和求知動力,探究過程有利于發(fā)展學(xué)生的動手操作能力和科學(xué)素養(yǎng),在此希望能為其他知識的教學(xué)提供有效借鑒.

參考文獻(xiàn)：

1 李娜.基于5E模式的中學(xué)物理教學(xué)研究——以《物體的沉浮條件及應(yīng)用》為例[J].物理教學(xué)探討2014(5):5-8.

2 B Nuri. Teaching torque with 5E learning strategy: an off-center disk case[J].Phys. Educ. 2018(53)： 013001.

3 桑蕊蕊.淺談5E教學(xué)法促進(jìn)物理觀念的深刻轉(zhuǎn)變[J].物理通報，2017(8):111-115.

4 張瑛.雙錐體上坡實驗的改進(jìn)[J].物理通報.2016(5):78-79.

5 B Nuri. New versions of the rolling double cone[J]. Phys. Teach. 2002(40): 156-157.

6 廖伯琴.初中物理教學(xué)策略[M].北京:北京師范大學(xué)出版社,2010:66-69.