凸顯實(shí)驗(yàn)育人：高中物理實(shí)驗(yàn)5E+教學(xué)模式研究

李桂旺 王軍

［摘要］ 高中物理實(shí)驗(yàn)內(nèi)隱著審辯思維、循證探究與實(shí)踐應(yīng)用等學(xué)科育人價(jià)值。研究引入國(guó)際科學(xué)教育的5E教學(xué)模式，以課例研究的方法，逐步生成了物理實(shí)驗(yàn)育人的三種5E+教學(xué)模式，即體驗(yàn)知識(shí)源頭與建構(gòu)的5E+科學(xué)史實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式、促進(jìn)思維顯性與縱深的5E+IYPT實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式、5E +定量探究實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式。

［關(guān)鍵詞］ 高中物理實(shí)驗(yàn)；育人價(jià)值；5E教學(xué)模式；科學(xué)史；IYPT

物理實(shí)驗(yàn)作為物理教育中凸顯理科屬性與科學(xué)本質(zhì)的重要基礎(chǔ)，其在內(nèi)容設(shè)置、探究方法與內(nèi)隱思維等眾多方面對(duì)學(xué)生科學(xué)素養(yǎng)的培養(yǎng)均具有不可替代的作用。多年來(lái)，我們致力于物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)的改革與創(chuàng)新，深度挖掘和轉(zhuǎn)化物理實(shí)驗(yàn)的育人價(jià)值，旨在通過(guò)小實(shí)驗(yàn)來(lái)彰顯大智慧。1988年，美國(guó)科學(xué)家Bybee和Landes為解決科學(xué)教育難以縱深化、線索化的問(wèn)題，創(chuàng)設(shè)了包含參與、探索、解釋、精致化及評(píng)價(jià)五個(gè)階段在內(nèi)的5E教學(xué)模式。后經(jīng)歷改革演變，5E教學(xué)模式成為5E“學(xué)習(xí)環(huán)”的教學(xué)策略，使該“學(xué)習(xí)環(huán)”成為一套更趨于完備、更符合學(xué)生認(rèn)知特點(diǎn)的教學(xué)程序。5E模式改變了傳統(tǒng)模式，以開放的方式組織教學(xué)，允許學(xué)生探究檢驗(yàn)自己的想法，加深對(duì)新知識(shí)的理解，根據(jù)前概念設(shè)計(jì)教學(xué)，從而幫助學(xué)生進(jìn)行知識(shí)建構(gòu)，培養(yǎng)學(xué)生的探究能力。

一、體驗(yàn)知識(shí)的源頭與建構(gòu)：5E + 科學(xué)史實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式

物理學(xué)史是科學(xué)史的核心，也是物理學(xué)科的一個(gè)分支，它研究人類對(duì)自然界各種物理現(xiàn)象與規(guī)律的認(rèn)識(shí)歷程。物理學(xué)史呈現(xiàn)了物理學(xué)下屬各個(gè)領(lǐng)域知識(shí)內(nèi)容的由來(lái)與變遷歷程，其不僅蘊(yùn)含著大量的科學(xué)探究方法與思維，還潛藏著科學(xué)家看待與解決現(xiàn)實(shí)生活問(wèn)題的學(xué)科觀念、科學(xué)精神、倫理態(tài)度等。因此，在物理教學(xué)特別是實(shí)驗(yàn)教學(xué)中融入物理學(xué)史，讓學(xué)生感受科學(xué)家的探究過(guò)程與思維過(guò)程，體會(huì)物理概念與規(guī)律是如何形成的，理解其中的科學(xué)思想與方法，明確科學(xué)本質(zhì)，形成科學(xué)的物理認(rèn)知結(jié)構(gòu)，豐富物理學(xué)科育人價(jià)值。以“牛頓第一定律”為例，采用了5E +科學(xué)史實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式，促進(jìn)學(xué)生體驗(yàn)知識(shí)的源頭與建構(gòu)過(guò)程。

問(wèn)題產(chǎn)生：通過(guò)視頻播放踢足球、射箭、跳高、自行車起步與剎車……讓學(xué)生從生活場(chǎng)景中舉例并進(jìn)行交流討論。以上文所述的現(xiàn)實(shí)生活的普遍現(xiàn)象為源頭，促進(jìn)學(xué)生主動(dòng)性投入的思考。此外，情境的預(yù)設(shè)提供了學(xué)習(xí)探究的腳手架，符合學(xué)生的認(rèn)知規(guī)律，便于學(xué)生進(jìn)一步結(jié)合運(yùn)動(dòng)學(xué)和力學(xué)知識(shí)，將二者交融并學(xué)習(xí)遷移到牛頓運(yùn)動(dòng)定律的學(xué)習(xí)中。

歷史回顧：人類早就對(duì)力和運(yùn)動(dòng)的關(guān)系有所關(guān)注和研究，古希臘亞里士多德通過(guò)生活觀察發(fā)現(xiàn)車輛因?yàn)槭艿酵屏蛘呃Σ趴梢赃\(yùn)動(dòng)，不用推力或拉力就會(huì)停下來(lái)，因而總結(jié)認(rèn)為：力是維持物體運(yùn)動(dòng)的原因，即物體受到力才可能運(yùn)動(dòng)，不受力物體將會(huì)停下來(lái)。雖然我們知道這個(gè)結(jié)論存在科學(xué)上的問(wèn)題，但我們需要辯證地看待亞里士多德的偉大貢獻(xiàn)。亞里士多德的觀點(diǎn)也是事物發(fā)展過(guò)程中存在的一種可能性，即科學(xué)的發(fā)展也是歷經(jīng)很多曲折的過(guò)程。同時(shí)，還可以讓學(xué)生對(duì)亞里士多德的“事實(shí)經(jīng)驗(yàn)”加以分析，尋找錯(cuò)誤結(jié)論的原因，讓背景知識(shí)在課堂教學(xué)中發(fā)揮它的價(jià)值。

重演歷史：伽利略認(rèn)為撤去推力后的車會(huì)停下來(lái)是因?yàn)橛心Σ亮Φ淖饔?，并提出了“理想?shí)驗(yàn)法”——“理想斜面”實(shí)驗(yàn)來(lái)研究力與運(yùn)動(dòng)的關(guān)系。課堂上，利用自制教具形成實(shí)驗(yàn)探究。實(shí)驗(yàn)后，學(xué)生將多次最高點(diǎn)進(jìn)行比較，發(fā)現(xiàn)小球的最高點(diǎn)的高度差不多相同。這樣，學(xué)生通過(guò)歷史經(jīng)典實(shí)驗(yàn)的演練，感受到前科學(xué)家的問(wèn)題探究的奧妙與科學(xué)精神，也認(rèn)識(shí)到物理實(shí)驗(yàn)學(xué)之父的偉大之處。

推理歸納：鑒于以上實(shí)驗(yàn)的事實(shí)，可知當(dāng)斜面傾角足夠小時(shí)，小球依然可以“到達(dá)”原來(lái)的“高度”，由此能推理得出，當(dāng)軌道水平時(shí)，小球?qū)⒗^續(xù)“尋找”原來(lái)的“高度”而且不停地運(yùn)動(dòng)下去?？梢?jiàn)，小球在水平軌道上不需要外力也能一直運(yùn)動(dòng)下去，即運(yùn)動(dòng)不需要力來(lái)維持。就這樣，讓學(xué)生經(jīng)歷在實(shí)驗(yàn)研究基礎(chǔ)上進(jìn)行科學(xué)合理的邏輯推理，總結(jié)科學(xué)規(guī)律，從而體會(huì)到伽利略“理想實(shí)驗(yàn)”的魅力所在。

質(zhì)疑創(chuàng)新：讓學(xué)生表達(dá)“如果不受力小球?qū)⒁恢边\(yùn)動(dòng)下去”的理解：（1）雖然是水平面上的實(shí)驗(yàn)，由于地球是圓的，即廣義上看，水平面應(yīng)該是“球面”，即小球?qū)⒀氐厍虮砻嬉恢弊鰣A周運(yùn)動(dòng)。但小球?qū)嶋H上還受到地球的引力作用，因此伽利略沒(méi)有完美地解決力與運(yùn)動(dòng)的關(guān)系問(wèn)題。（2）小球是否會(huì)沿直線飛出地球。此后，物理學(xué)家笛卡爾對(duì)伽利略的觀點(diǎn)進(jìn)行了完善?？梢宰寣W(xué)生科學(xué)地理解伽利略“理想斜面”實(shí)驗(yàn)的意義和價(jià)值，并思考伽利略關(guān)于“力與運(yùn)動(dòng)的關(guān)系”的結(jié)論是否具有完備性。再?gòu)奈锢韺W(xué)發(fā)展的角度去全面了解科學(xué)家們是如何進(jìn)一步完善的。最后，讓學(xué)生思考伽利略與笛卡爾只是歸納了物體不受力的情形卻沒(méi)有關(guān)注受力的情況下物體的運(yùn)動(dòng)會(huì)遵行什么規(guī)律或特點(diǎn)……

二、促進(jìn)思維的顯性與縱深：5E + IYPT實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式

IYPT是三大頂級(jí)國(guó)際中學(xué)生物理競(jìng)賽之一。IYPT賽題都是貼近實(shí)際生活的開放性的原始物理問(wèn)題，讓學(xué)生經(jīng)過(guò)真實(shí)的研究，最終通過(guò)辯論的方式進(jìn)行比賽。在物理5E教學(xué)中嘗試融入IYPT方式，讓部分有條件的學(xué)生利用課余時(shí)間具身實(shí)踐，主動(dòng)參與開放式的全真探究，并在課堂中通過(guò)匯報(bào)、交流、答辯的方式開展教學(xué)，用以促進(jìn)思維的顯性與縱深。更重要的是，利用“IYPT”方式的探究教學(xué)活動(dòng)，能夠盡量排除很多教師經(jīng)驗(yàn)性的預(yù)設(shè)因素，讓學(xué)生在原生態(tài)環(huán)境中去感受探究的樂(lè)趣，包括探究過(guò)程中遇到的各種困難，以及如何克服困難的體驗(yàn)。以“碰撞中的守恒量”為例，具體教學(xué)過(guò)程如下。

問(wèn)題生產(chǎn)：通過(guò)播放視頻觀察生活中常見(jiàn)的碰撞現(xiàn)象（交通汽車碰撞、臺(tái)球運(yùn)動(dòng)和冰壺運(yùn)動(dòng)），并建立“碰撞”的物理概念。根據(jù)化繁為簡(jiǎn)的基本思路，引入“牛頓擺”的演示實(shí)驗(yàn)。通過(guò)觀察交流分析小球間依次發(fā)生一維碰撞，并建立“一維碰撞”的概念。從各種碰撞中是否存在一定規(guī)律的角度，引出“電荷守恒定律”和“機(jī)械能守恒定律”，從而嘗試研究“碰撞中是否也存在‘不變量”的規(guī)律，即探尋碰撞中的“不變量”。

方案設(shè)計(jì)：考慮到課堂教學(xué)的實(shí)際，將學(xué)有余力和有興趣的同學(xué)分成幾個(gè)小組提出問(wèn)題，然后利用課余時(shí)間各自相對(duì)獨(dú)立地通過(guò)自己的方案開展探究（大約需要2周的課余時(shí)間方可得到相對(duì)充分的探究）。每組同學(xué)選擇一種合適的探究方案，教師可進(jìn)行適當(dāng)?shù)姆较蛐院图夹g(shù)性的幫助，通過(guò)探究，最終形成研究報(bào)告。

答辯匯報(bào)：方案確定的依據(jù)（包括其他方案排除的原因或困難）、實(shí)驗(yàn)探究詳細(xì)過(guò)程（模型、原理、器材、表格設(shè)計(jì)、數(shù)據(jù)測(cè)量和分析、初步結(jié)論和誤差分析），課堂中所有同學(xué)及老師共同參與交流討論，項(xiàng)目小組同學(xué)答辯——此即為對(duì)“IYPT”模式的借鑒。

歸納應(yīng)用：借以項(xiàng)目探究的小球碰撞“速度交換”現(xiàn)象總結(jié)產(chǎn)生的條件，分析“牛頓擺”現(xiàn)象的原因；同時(shí)介紹“冰壺比賽”中“打定”的技術(shù)原理，理論回歸實(shí)踐。通過(guò)“IYPT”模式的教學(xué)實(shí)踐，讓學(xué)生參與到全真問(wèn)題研究中，用研究的方式經(jīng)歷物理學(xué)習(xí)，培養(yǎng)學(xué)生的物理學(xué)科核心素養(yǎng)，讓深度學(xué)習(xí)真正發(fā)生。

三、品悟科學(xué)的實(shí)證與審辯：5E +定量探究實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式

物理學(xué)作為與數(shù)學(xué)結(jié)合最為緊密的自然科學(xué)，其定量化的實(shí)驗(yàn)探究不僅讓學(xué)生通過(guò)動(dòng)手做、做中學(xué)主動(dòng)地發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，并且讓學(xué)生在實(shí)驗(yàn)操作、收集處理信息、調(diào)查數(shù)據(jù)、表達(dá)交流等探索活動(dòng)中品悟科學(xué)的實(shí)證與審辯。從定性走向定量化的探究過(guò)程，一定程度上可以讓學(xué)生進(jìn)一步回歸物理學(xué)的理科屬性與科學(xué)本質(zhì)，讓其更為實(shí)證、審辯地采用數(shù)理邏輯建構(gòu)學(xué)科體系?，F(xiàn)代教育教學(xué)中，采用各類學(xué)科教具或?qū)嶒?yàn)器材進(jìn)行教學(xué)的有效展開已然成為常態(tài)。研究者將5E教學(xué)模式與定量探究實(shí)驗(yàn)相融合，構(gòu)建了品悟科學(xué)實(shí)證與審辯的5E +定量探究實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式。以“光的折射”為例，對(duì)其規(guī)律的具體實(shí)驗(yàn)教學(xué)過(guò)程如下。

方案設(shè)計(jì)：空氣中吹入少量煙霧，在水中滴入一點(diǎn)牛奶，將激光從空氣斜射入水中，可以更清楚地看到“光路”（丁達(dá)爾現(xiàn)象），光的傳播方向發(fā)生了變化；隨著入射光方向的變化，折射光的方向同步變化。利用光的折射反射演示儀，將光線從空氣射入半圓形玻璃的非圓心時(shí)，傳播方向發(fā)生變化，而經(jīng)過(guò)圓心的光線射出玻璃磚時(shí)傳播方向“不變”（與介質(zhì)分界面垂直）。

變量分析：入射角、折射角及激光的顏色（本實(shí)驗(yàn)中用紅色與綠色）。方案確定：實(shí)驗(yàn)器材：激光筆（紅光、綠光）、水、煙霧、牛奶、光的折射反向演示儀、Excel等數(shù)據(jù)分析軟件；研究對(duì)象：激光、入射光、反射光與折射光；研究手段：借助背景板的量角器測(cè)量激光的入射角和折射角；猜想其所遵循的規(guī)律或可能存在的

“不變量”：、、……

方案實(shí)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儀，首先使用紅色激光，分別測(cè)量當(dāng)入射角（每次實(shí)驗(yàn)增加一定角度，本次實(shí)驗(yàn)是遞增10°，可能更小一點(diǎn)）0°、10°、20°、30°……80°時(shí)對(duì)應(yīng)的折射角；然后利用綠色激光進(jìn)行同樣的實(shí)驗(yàn)。數(shù)據(jù)處理：將實(shí)驗(yàn)中入射角θ1與折射角θ2等數(shù)據(jù)記錄在表格中。利用Excel軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，結(jié)合合理的猜想，嘗試進(jìn)行相關(guān)數(shù)據(jù)的研究。

情形A：入射角與折射角的比值在入射角小于20°時(shí)變化不明顯，此后隨著角度的增大而增加，無(wú)明顯的定量規(guī)律。情形B：入射角與折射角的正切值的比值在入射角小于20°時(shí)變化不明顯，此后也是隨著角度增大而增加，且變化比情形A更快，也沒(méi)有明顯的嚴(yán)格定量規(guī)律。情形C：入射角與折射角的正弦比值在某一數(shù)值范圍內(nèi)無(wú)規(guī)律地很小幅度變化，在誤差范圍內(nèi)，其比值是“不變量”。情形D：改用綠色激光進(jìn)行同樣的實(shí)驗(yàn)，其入射角與折射角的正弦比值比紅色激光實(shí)驗(yàn)略大（用同一玻璃進(jìn)行實(shí)驗(yàn)）。

分析歸納：通過(guò)實(shí)驗(yàn)探究綜合分析得出三線共平面，入射角的正弦與折射角的正弦成正比（比值即相對(duì)折射率）的結(jié)論。本實(shí)驗(yàn)中存在測(cè)量、讀數(shù)及系統(tǒng)誤差因素，在實(shí)驗(yàn)誤差范圍內(nèi)，實(shí)驗(yàn)探究的結(jié)論應(yīng)該是科

學(xué)的。

應(yīng)用交流：設(shè)計(jì)趣味實(shí)驗(yàn)讓學(xué)生體驗(yàn)光的折射現(xiàn)象的神奇所在。一個(gè)儲(chǔ)油桶的底面直徑與高均為d。當(dāng)桶內(nèi)沒(méi)有油時(shí)，從某點(diǎn)A恰能看到桶底邊緣的某點(diǎn)B。當(dāng)桶內(nèi)油的深度等于桶高的一半時(shí)，仍沿AB方向看去，恰好看到桶底上的點(diǎn)C，C、B兩點(diǎn)距離d/4。

創(chuàng)新設(shè)計(jì)：讓一束激光沿AB方向射入，然后注入未知透明液體，在體驗(yàn)實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，啟發(fā)學(xué)生逆向思維，嘗試設(shè)計(jì)未知透明液體折射率的測(cè)量?jī)x器或方案，并以刻度的方式標(biāo)注在儀器底部。實(shí)踐中，可以進(jìn)行必要的提示：B點(diǎn)標(biāo)注折射率是多少，C點(diǎn)標(biāo)注折射率是多少，這個(gè)折射率的刻度分布是不是均勻；如何制作一份該儀器的“說(shuō)明書”等。

[本文系江蘇省教育科學(xué)“十四五”規(guī)劃2021年度重點(diǎn)課題“促進(jìn)深度學(xué)習(xí)發(fā)生的物理實(shí)驗(yàn)5E教學(xué)模式研究”（項(xiàng)目編號(hào)：B/2021/02/45）研究成果]

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