運(yùn)用5E教學(xué)模式 培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)探究能力
——以“探究機(jī)械能守恒定律”為例

(廣東番禺中學(xué)，廣東 廣州 511483)

5E教學(xué)模式由參與(Engagement)、探究(Exploration)、解釋(Explanation)、遷移(Elaboration)、評(píng)價(jià)(Evaluation)五個(gè)基本教學(xué)環(huán)節(jié)構(gòu)成。參與就是讓學(xué)生對(duì)學(xué)習(xí)任務(wù)產(chǎn)生興趣，激發(fā)學(xué)生的探究熱情；探究是中心環(huán)節(jié)，學(xué)生需要進(jìn)行具體的探究活動(dòng)，在獲取知識(shí)的同時(shí)，提升探究技能和對(duì)科學(xué)本質(zhì)的認(rèn)識(shí)；解釋為關(guān)鍵環(huán)節(jié)，主要解釋探究過程中遇到的問題和結(jié)果；在遷移環(huán)節(jié)學(xué)生在教師引導(dǎo)下將新知識(shí)在新情境中應(yīng)用，繼續(xù)深化對(duì)知識(shí)內(nèi)容的理解；在評(píng)價(jià)環(huán)節(jié)教師采用紙筆測(cè)試或表現(xiàn)性任務(wù)對(duì)學(xué)生的學(xué)習(xí)效果進(jìn)行評(píng)價(jià)。

物理學(xué)科核心素養(yǎng)中的科學(xué)探究要求學(xué)生能從生活現(xiàn)象中提出物理問題，形成猜想和假設(shè)；能設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案獲取和處理信息；能基于證據(jù)得出結(jié)論并做出解釋；對(duì)實(shí)驗(yàn)探究過程和結(jié)果進(jìn)行交流、評(píng)估、反思。

在高中物理課堂中，運(yùn)用5E教學(xué)模式開展實(shí)驗(yàn)教學(xué)，能有效地培養(yǎng)學(xué)生提出問題、設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案、收集證據(jù)、通過科學(xué)推理得出實(shí)驗(yàn)結(jié)論并對(duì)結(jié)論進(jìn)行評(píng)估和反思的能力，是一種有價(jià)值的探索。筆者以人教版必修2第七章第8節(jié)“機(jī)械能守恒定律”和第9節(jié)“實(shí)驗(yàn)：驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律”為例，探討5E教學(xué)模式在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用。

1 參與：視頻引入，激發(fā)思維

播放如圖1所示的小視頻，引起學(xué)生的興趣與思考。

圖1

教師設(shè)置懸疑：鋼球擺回來的時(shí)候會(huì)碰到人的下巴嗎？學(xué)生觀察、議論紛紛。教師再次提示觀察要點(diǎn)：鋼球在運(yùn)動(dòng)過程中什么物理量在發(fā)生變化？如何變化？如果學(xué)生不能從高度與速度的變化來回答，老師可以做一些必要的提示，引導(dǎo)學(xué)生得出速度變大而高度變小，高度變大而速度變小。速度與高度之間是否存在某種交換，如高度換速度？如果真有這樣交換，那么，又是怎樣的交換方法？是怎樣實(shí)現(xiàn)的？有怎樣的規(guī)律？引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行深度思考。

設(shè)計(jì)意圖：通過視頻引入，設(shè)置懸疑，引入課題，激發(fā)興趣，引起思考。

2 探究：提出問題，實(shí)驗(yàn)探究

教師提問：重力勢(shì)能是與物體位置(高度h)相關(guān)的物理量，物體動(dòng)能是與物體速度v相關(guān)的物理量，剛才的高度變大而速度變小會(huì)不會(huì)與動(dòng)能和勢(shì)能相關(guān)呢？為了研究這些問題，我們需要引入一個(gè)便于測(cè)量的情境。

讓物體從某一高度自由下落，做直線運(yùn)動(dòng)，可測(cè)出物體通過不同位置的速度和高度，探究速度與高度(或者是動(dòng)能與勢(shì)能)之間的關(guān)系。

設(shè)計(jì)意圖：說明速度、高度分別與動(dòng)能、勢(shì)能相關(guān)，引出最簡單的研究情境，以便學(xué)生進(jìn)行有目的的探究活動(dòng)。

學(xué)生探究活動(dòng)：根據(jù)實(shí)驗(yàn)室給出的實(shí)驗(yàn)器材，自行設(shè)計(jì)探究方案，探究速度與高度(或者是動(dòng)能與勢(shì)能)之間的關(guān)系。實(shí)驗(yàn)室提供的實(shí)驗(yàn)器材有鐵架臺(tái)、打點(diǎn)計(jì)時(shí)器及相應(yīng)的電源和紙帶、毫米刻度尺、光電門、數(shù)字計(jì)時(shí)器、重錘、已知直徑的小球等。

每4人為一組，設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案并展示，介紹主要的設(shè)計(jì)思路。

有學(xué)生設(shè)計(jì)了如圖2所示的落體法探究方案。通過重錘拖動(dòng)紙帶做自由下落運(yùn)動(dòng)，打點(diǎn)計(jì)時(shí)器在紙帶上打出一系列的點(diǎn)，研究紙帶上相距一定高度的兩個(gè)點(diǎn)，計(jì)算出其速度就可以研究速度與高度(或者是動(dòng)能與勢(shì)能)之間的關(guān)系。

有學(xué)生設(shè)計(jì)出如圖3所示的實(shí)驗(yàn)方案，使用光電門和數(shù)字計(jì)時(shí)器測(cè)量自由落體的小球通過光電門速度和光電門到初始釋放位置的高度，探究速度與高度(或者是動(dòng)能與勢(shì)能)之間的關(guān)系。

圖2

圖3

教師對(duì)以上兩種方案給予充分肯定，也給出合理化的建議。如利用光電門和數(shù)字計(jì)時(shí)器測(cè)量速度時(shí)盡量使小球從正中間通過光電門；利用打點(diǎn)計(jì)時(shí)器實(shí)驗(yàn)時(shí)，紙帶不必太長，以免產(chǎn)生較大阻力。我們可以從下落的時(shí)刻開始研究，初速度為零，使得實(shí)驗(yàn)更加簡單、易操作。

表1

圖4

分小組匯報(bào)實(shí)驗(yàn)所得結(jié)論：不是高度轉(zhuǎn)化為速度，而是重力勢(shì)能轉(zhuǎn)化為動(dòng)能，重力勢(shì)能的減少量和動(dòng)能增加量的圖像是正比例函數(shù)，且直線的斜率為1。

教師引導(dǎo)學(xué)生總結(jié)：減少的重力勢(shì)能等于增加的動(dòng)能，也就是說重力勢(shì)能與動(dòng)能之和保持不變，我們把勢(shì)能與動(dòng)能統(tǒng)稱為機(jī)械能。在運(yùn)動(dòng)過程中重力勢(shì)能和動(dòng)能之間相互轉(zhuǎn)化，而總機(jī)械能守恒。

3 解釋：理論推導(dǎo)，解釋結(jié)論

教師進(jìn)一步追問：我們能從實(shí)驗(yàn)探究過程發(fā)現(xiàn)動(dòng)能和勢(shì)能相互轉(zhuǎn)化，機(jī)械能守恒，這是偶然還是必然的事實(shí)呢？能否從理論上進(jìn)一步推導(dǎo)并證明其正確性？要求學(xué)生自行推導(dǎo)、解釋、展示。

圖5

設(shè)計(jì)意圖：讓學(xué)生體驗(yàn)完整的探究過程，又通過理論的推導(dǎo)，解釋實(shí)驗(yàn)結(jié)果，體現(xiàn)了科學(xué)的嚴(yán)謹(jǐn)性。

4 遷移：首尾呼應(yīng)，實(shí)踐拓展

回顧引入視頻，請(qǐng)同學(xué)解釋鋼球能否碰到下巴，并解釋原因。由于釋放初狀態(tài)鋼球在緊貼下巴處，擺動(dòng)過程中機(jī)械能守恒，重力勢(shì)能與動(dòng)能相互轉(zhuǎn)化，回到出發(fā)點(diǎn)處動(dòng)能(速度)剛好為零，不會(huì)碰到下巴。

教師引導(dǎo)學(xué)生總結(jié)：無論是實(shí)驗(yàn)探究，還是理論推導(dǎo)，我們得到機(jī)械能守恒的條件都是只有重力做功，同學(xué)們?cè)O(shè)想一下：如果沒有“只有重力做功”的條件，機(jī)械能守恒還會(huì)成立嗎？

學(xué)生討論，得到結(jié)論：沒有“只有重力做功”條件，機(jī)械能守恒定律不成立，根據(jù)動(dòng)能定理，若除了重力還有其他力做功，則動(dòng)能的變化量和重力勢(shì)能的變化量不相等。

教師強(qiáng)調(diào)：只有重力做功的物體系統(tǒng)內(nèi)，動(dòng)能和重力勢(shì)能相互轉(zhuǎn)化，而總量保持不變，即機(jī)械能守恒。

5 評(píng)價(jià)：例題檢測(cè)，完善知識(shí)

圖6

例：如圖6所示，假設(shè)從下巴處由靜止釋放的鋼球質(zhì)量為m，繩子的長度為l，初始擺繩偏離豎直方向夾角為θ，求球運(yùn)動(dòng)到最低位置時(shí)的速度大小？

要求學(xué)生自行檢查學(xué)習(xí)效果，重點(diǎn)關(guān)注運(yùn)用機(jī)械能守恒定律解決問題的基本程序：選定研究過程，判斷是否滿足運(yùn)用條件，確定零勢(shì)能面并確定初、末狀態(tài)的機(jī)械能，利用機(jī)械能守恒定律列式求解。

6 結(jié)語

5E教學(xué)模式在真實(shí)情境中引導(dǎo)學(xué)生參與，探究是中心環(huán)節(jié)，往往要求學(xué)生自主確定探究方案、開展探究活動(dòng)，解釋是關(guān)鍵步驟，需要有較強(qiáng)的運(yùn)用數(shù)學(xué)解決問題的能力，遷移應(yīng)用是學(xué)習(xí)的價(jià)值所在。在物理課堂中基于真實(shí)的情境提出問題、猜想與假設(shè)、設(shè)計(jì)方案、搜集證據(jù)、推理論證得出結(jié)論、應(yīng)用結(jié)論解決問題并進(jìn)行適當(dāng)?shù)姆此?，有利于提升學(xué)生實(shí)驗(yàn)探究能力，以更好地培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新精神與實(shí)踐能力，為國家培養(yǎng)具備科學(xué)素養(yǎng)、技術(shù)專長和實(shí)踐能力的復(fù)合型、創(chuàng)新型人才做出努力。