淺談5E教學法促進物理觀念的深刻轉變*

桑蕊蕊 張皓晶 王碧鴻 李 肖 張 雄

(云南師范大學物理與電子信息學院 云南 昆明 650500)

淺談5E教學法促進物理觀念的深刻轉變*

桑蕊蕊 張皓晶 王碧鴻 李 肖 張 雄

(云南師范大學物理與電子信息學院 云南 昆明 650500)

5E教學法的物理課堂強調學生的主體地位，突出合作探究和構建知識.在對5E教學法做簡單介紹的基礎上，進一步對其促進學生物理觀念的深刻改變以及教學應用的具體實施方式進行探討，從而使學生獲得解決復雜情境中的實際問題所需要的核心素養.

5E教學法 物理教育 觀念深刻轉變 科學概念 核心素養

1 引言

1.1 5E教學法

5E教學法是對克普勒斯(R．Karplus)的三階段學習環節教學模式的改進，在原有教學環節的基礎上加入引入和評價兩個環節，組成了5E教學法的5個階段：引入(Engagement)、探究(Exploration)、解釋(Explanation)、遷移(Elaboration)、評價(Evaluation).首先，通過了解學生的迷思概念(所謂迷思概念：學生頭腦中存在的與科學概念相違背的錯誤概念)，創設問題情境，激發認知沖突，引起學生的學習興趣，從而使學生主動參與學習活動；其次，引導學生以小組合作的方式對教師提出的問題進行討論或實驗探究，從而暴露學生對所學概念的錯誤認知圖示，繼而使學生對所學概念有更深刻的理解；其三，師生共同討論，對探究結果進行概括分析，給出正確的科學概念，這一環節更加注重對學生錯誤概念的矯正；其四，對概念進行擴展，應用典型的生活場景對抽象概念進行實例映射，并且使學生能夠將新學的概念與以前學習所得的概念進行聯系與區分；最后，通過書面方式或者口頭方式對整個學習過程進行評價，包括學生對學生的評價，學生對教師的評價，教師對學生的評價3個方面.評價內容可以涉及到前4個教學活動的每一個階段，這一階段促使學生學習正確的元認知策略，并且形成更嚴謹的邏輯思維.5個階段的結合體現對學生原有認知圖示的重視，強調學生在課堂中的主動性與參與度.5E教學法的模式圖如圖1所示[1].

圖1 5E教學法

1.2 物理觀念深刻轉變的重要性

5E教學法強調學生的自主構建是5E教學模式的核心，形成新舊概念之間的沖突是主動建構概念的動力，建構概念并應用概念是5E教學模式的重要內容[2].因此，在教學過程中要注意學生的前概念對形成科學概念的影響.閻金鐸教授在《中學物理教學概論》一書中對前概念有明確的解釋，即“學生在正式學習有關的物理知識之前，頭腦中已存在著一定的原有認識和該認識賴以存在的思維方式，我們統稱為前概念，它們在很大程度上決定著學生對新知識的理解”[3].這些概念一般是學生對于事物的表象認識，大多是錯誤的概念.前概念具有自發性、頑固性、普遍存在性、無意識性、層次性等特點[4].在接受過傳統的物理學習后，學生即使記住了新的物理概念，卻出現一做題就錯的現象，并且不能運用所學科學概念解決日常生活中的物理問題，遇到問題隨即呈現的都是負性自動想法.因此，真正成功的物理教學不是實現學生 “會做題”，而是其觀念的深刻變化，這甚至是一個有些 “痛苦”的過程， 甚至可將其比之為 “扒掉一層皮”的過程[5].在探究性的物理課堂中，5E教學法無疑是促使學生物理觀念的深刻轉變并且形成科學正確的物理概念最有效的方法.

1.3 “測量小燈泡的電功率”一節的教材分析

“測量小燈泡的電功率”是人教版新課標初中物理九年級第十八章第三節的內容，是電學部分的一個重要的學生實驗，是新課程標準20個學生必做實驗之一[6].本節課的設置是在學生知道了電功率的概念、單位以及電功率的計算公式的基礎上，讓學生結合實際來測量電器的電功率，并且理解額定功率與實際功率的區別和聯系，以及不同電器功率之間的差異.結合實例理解電功率，強調物理知識與生產生活的聯系，符合義務教育物理課程標準基本理念：從生活走向物理，從物理走向生活.同時本節課對前面學過的電壓、電流、電阻的規律、歐姆定律、伏安法、分流法等起到鞏固加深的作用，又引出了后面一章將要學習的生活用電，起到承上啟下的作用，具有系統性和邏輯性，更有利于培養學生的核心素養.

2 運用5E教學法促進物理觀念深刻轉變的過程

2.1 引入

首先教師通過小實驗創設問題情境，引起學生的注意力和好奇心，引發學生的認知沖突，從而進行思考，主動參與到教學中.

實驗1：請學生觀察圖2所示實驗，判斷小燈泡為什么能正常發光.

圖2 判斷小燈泡為什么能正常發光

學生普遍認為開關閉合時，燈泡中有電流通過，所以小燈泡亮了.不能解釋正常發光的原因.

實驗2：請學生觀察圖3所示實驗，R1和R2哪個燈泡亮，為什么？

圖3 串聯電路中比較R1和R2哪個燈泡亮

學生都能觀察到R1比R2亮，但是卻不能給出正確的原因.有學生認為通過R1的電流比通過R2的電流大，所以R1更亮；還有學生認為R1的電阻小，所以更亮；更有學生認為R1距離電源近，所以更亮.

實驗3：請學生觀察圖4所示實驗，R1和R2哪個燈泡亮，為什么？

圖4 并聯電路中觀察R1和R2哪個燈泡亮

學生都能觀察到R2比R1亮，有學生認為通過R2的電流比通過R1的電流大，所以R2更亮；還有學生認為R2的電阻小，所以更亮.

總結起來，學生關于電學的迷思概念有[7，8]：

(1)學生將電流概念和能量概念相混淆，以能量的觀點來解釋電流，即形成“電流消耗模式”；

(2)燈泡發光是因為電流無法通過燈泡，從而在燈泡上積累能量促使燈泡發光，即形成“能量積累模式”；

(3)電源的電力是一定的，開始只供給一個燈泡，而后面要供給2個甚至3個燈泡，所以通過一個燈泡的電流會越來越小，即形成“恒定電流源”的概念；

(4)電源越多，電源的輸出功率也就越大；

(5)只要增加用電器，回路中的總阻值一定增加；

(6)電阻的阻值是由電壓和電流所決定的；

(7)只要用電器和電源連接，即使短路或是斷路也能工作；

(8)電流越大燈泡越亮.

通過這一階段，充分挖掘學生的已有知識，暴露出學生對“測量小燈泡的電功率”的迷思概念，學生經過討論，對測量小燈泡的電功率有初步的認識，產生問題意識，激發了學生的求知欲望.同時，教師了解到使學生形成科學的概念和正確觀念需要重點探究的問題.

2.2 探究

教師給學生提供實驗教具：干電池若干，導線若干，電壓表，電流表，滑動變阻器，開關，2.5V的1號小燈泡，3.8V的2號小燈泡.

組織學生以小組合作的形式進行實驗探究.在閱讀探究步驟的基礎上教師提出問題讓學生討論：

(1)上一節已經學過電功率的計算公式P=UI,那么要測量小燈泡的電功率，需測量哪幾個物理量呢？分別用什么來測量呢？

(2)為了控制小燈泡的電功率，可以用滑動變阻器與小燈泡串聯，從而控制小燈泡兩端的電壓.小燈泡的電阻小，電流表的內阻相比于小燈泡來說不可以忽略，電壓表的內阻很大，相比于小燈泡來說分流作用可以忽略，那么電流表和電壓表應該分別連在什么位置？

(3)所用小燈泡的額定電壓是多少？為了不使電壓過多地超過額定電壓，實驗中電源兩端電壓應該是多少？用幾節干電池串聯供電[9]？

(4)畫出測量小燈泡電功率的電路圖，并且分析原因.

在交流討論完這些問題后，學生基本能理解探究實驗的內涵，可以順利進行實驗探究.實驗探究電路圖如圖5所示.

圖5 實驗探究電路

實驗1探究目的：

(1)固定額定功率的小燈泡的亮度由什么決定；

(2)小燈泡的實際功率與什么有關，是什么關系；

(3)什么時候小燈泡才屬于安全用電狀態.

實驗1探究步驟：

(1)不同的小組分別選取不同額定電壓的小燈泡連接到實驗電路中；

(2)閉合開關，移動滑片，調節燈泡兩端的電壓為額定電壓，記錄電壓表和電流表的示數，同時觀察燈泡的發光情況；

在完成實驗1后，學生統計數據，統計表格如表1和表2所示.(選擇1號小燈泡進行實驗的小組用表1記錄數據，選擇2號小燈泡進行實驗的小組用表2記錄數據)

表1 選擇1號小燈泡進行實驗的小組記錄用表

表2 選擇2號小燈泡進行實驗的小組記錄用表

各組學生的實驗1都結束后，教師組織學生將1號燈泡電路和2號燈泡電路放在一塊進行對比實驗，即實驗2.

實驗2目的：加深學生對于額定功率與實際功率的理解，明白它們的區別和聯系.

實驗2步驟：

(1)閉合開關，移動滑片，分別調節1號和2號燈泡兩端的電壓同時為2V，記錄電壓表和電流表的示數，同時觀察兩燈泡的發光情況；

(2)移動滑片，調節1號和2號燈泡兩端的電壓同時為2.5V，記錄電壓表和電流表示數，同時觀察兩燈泡的發光情況；

(3)移動滑片，調節1號和2號燈泡兩端的電壓同時為3V，記錄電壓表和電流表示數，同時觀察兩燈泡的發光情況.

實驗記錄表如表3所示.

表3 實驗記錄用表

2.3 解釋

本階段根據探究的結果，教師和學生共同合作對結果進行分析解釋.學生理解到燈泡發光不是因為燈泡消耗了電流，也不是因為電流無法通過燈泡，從而在燈泡上積累能量促使燈泡發光，更不僅僅因為通過小燈泡的電流大，或者電壓大燈泡就更亮.師生通過“出聲思維”的方法共同討論小燈泡電功率的測量原理、注意細節以及實驗情況.出聲思維就是要讓學生將其思維過程充分展示出來，借助于語言向老師或同學吐露其內隱的思維過程[10].因此，能夠更好地暴露學生對于小燈泡電功率測量的迷思概念以及低效思維方式，學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化認知結構，形成正確的物理觀念，培養學生的核心素養.

通過實驗1的探究，學生和教師共同討論得知：

(1)小燈泡的亮度由它的實際功率決定；

(2)小燈泡兩端的實際電壓越高，小燈泡的實際功率越大，小燈泡越亮；

(3)當小燈泡的實際功率與額定功率相等時，才屬于安全用電狀態.

通過實驗2的探究，學生和教師共同討論得知：兩個小燈泡的亮暗對比取決于它們的額定功率與實際功率的比較，額定功率不隨電壓的變化而變化.

Posner等人提出的概念轉變的條件有4個[11]：

(1)對原有認知的不滿；

(2)對新概念的可理解性；

(3)新概念的合理性；

(4)新概念的有效性.

同時，研究者指出[12]：學生的觀念應當與教師的觀念受到同樣的重視，為學生提供表達自己觀念的機會，這意味著學生有機會選擇不同的觀念，其選擇的依據不是以誰說的為準， 而是以每一種觀念所具有的解釋力為準.學生通過探究、體驗和交流能夠把潛意識中的錯誤概念調動到工作記憶中，從而對其識別，與當前觀察和探究到的實驗結果形成沖突，從而對原有的認知產生不滿，而新概念又具有足夠的可信度，并且能夠正確解釋實驗現象，因此學生自主構建新的知識，并且形成的新觀念能夠自主調用，學生物理觀念發生深刻轉變并且成為學生的相對穩定的特質.

2.4 遷移

通過上一階段的討論和探究，學生基本上知道小燈泡發光的原因，并且能夠清楚知道探究實驗的步驟.有學者指出：物理學科能力不是在“告知”和“機械訓練”中發展出來的，而是在應用物理觀念分析實際問題，進行預測、解釋、推論等實踐活動的過程中逐漸養成的[13].因此，遷移階段教師為學生提供新的問題情境，讓學生對新習得的“測量小燈泡的電功率”的知識和方法進行鞏固、拓展和遷移.

其次，教師在之前給學生提供的實驗儀器的基礎上，給學生提供與小燈泡亮度相當的發光二極管.組織學生設計實驗，測量二極管兩端的電壓和電流，并且計算其功率.調節其兩端的電壓，測量幾組數據，比較在與小燈泡亮度相當的情況下，哪個電功率較大，并且讓學生進行出聲思維，表達清晰的設計思路和實驗思路.同時也可以通過逆向提問的方式讓學生進行問題解答，比如已知小燈泡的額定電壓，讓學生讀出當小燈泡正常發光時電流表的示數，并且計算其額定功率與實際功率.讓學生在新情境下解決問題，使學生對概念達到更深層次的理解.大部分學生都能順利解決在新的生活情景中的問題，因此本次5E教學法成功使學生物理觀念發生了深刻的轉變.

2.5 評價

評價貫穿于5E教學法的整個階段，整個教學階段教師要對學生的學習過程、思維方式以及學習態度進行評價，同時教師要鼓勵學生進行自我評價、互相評價以及對教師的教學過程進行評價.在引入階段，教師要指出學生的錯誤認識，比如學生對于燈泡亮暗現象原因的錯誤解釋，引發學生的認知沖突；探究階段，教師要允許學生有不同的想法，使學生有興趣進行實驗，并且教師要對學生的問題進行及時反饋；解釋階段，教師清楚表達科學的思維過程，學生可以進行評價以及質疑，鼓勵學生們表達自己的思維過程，并且進行相互評價；遷移階段，教師創設新情境讓學生進行探究，教師能夠及時評價學生對于知識的掌握情況以及運用情況；評價階段，教師組織學生對于整個教學活動進行相互評價，學生可以反饋教師的教學有哪些不足之處，教師評價學生在整個學習過程中的態度以及知識能力.在整個評價的過程中，教師能夠及時調整自己的教學過程和方法，學生的迷思概念能夠及時得到糾正.通過評價階段，學生不僅能從整體上把握本節課所講的知識內容，而且能夠形成自我反思、自我評價的元認知策略，使學生能夠更好地監控自己的學習活動.

3 結束語

長期以來，在分析學生形成物理概念時，是以“感知-理解-鞏固-應用”的公式加以描繪的，而按皮亞杰的發生認識論理論來研究，事情將不全是這樣的[14].依據皮亞杰的具體論述，研究者認為：“物理概念并不是由物理知覺、物理表象產生的，而是由學生的觀察活動及觀察活動建構起來的認知圖式產生的.學生頭腦中物理概念的真正建立必然對應于其認知圖式的建構，學生頭腦中正確而牢固的物理概念必然根植于認知圖式的沃土之中.”[14]而5E教學法通過暴露迷思概念，探究科學概念，對比迷思概念與科學概念，構建科學概念，運用科學概念等過程，促使學生形成觀念的深刻轉變，培養學生成功應對實際生活中某種活動或行為所需要的“勝任力或競爭力”，提高學生完成該種活動所需要的知識、技能、態度等多種素質要素構成的核心素養[15].

1 鄭永愛．論科學教育學習環模式的涵義和發展．內蒙古師范大學學報(教育科學版)，2005，18(6)：33～35

2 吳成軍，張敏．美國生物學“5E”教學模式的內涵、實例及其本質特征．課程·教材·教法，2010，30(6)：108～112

3 閻金鐸，郭玉英．中學物理教學概論．北京：高等教育出版社，2009

4 周佳蕊，王永成．淺談前概念對初中物理教學的影響及應對策略．中學物理：初中版，2016(9)：26～27

5 胡揚洋．從“‘前’科學概念”到“‘前科學’概念”：中國物理前概念教學思想的流變與反思．課程教學研究，2015(3)：72～75

6 陳永強．《測量小燈泡的電功率》的高效課堂教學設計．中學物理：初中版，2013(2)：56～57

7 魯佩用．初中生關于電流的錯誤前概念的成因分析及轉變策略．物理教師：初中版，2011(2)：12～14

8 平磊．恒定電流中的前概念轉換．湖南中學物理，2013(1)：72～73

9 彭前程，杜敏．義務教育教科書 物理．北京：人民教育出版社，2013

10方盛，周洪偉．運用出聲思考法探查物理前概念教學的實踐．麗水學院學報，2015(2)：95～99

11鄧陽，王后雄．利用二段式測驗診斷高三化學復習中學生的迷思概念．化學教育，2010(12)：48～51

12陳彥芬．學生前科學概念的特點及對理科教學的啟示．上海教育科研，2004(10)：44～47

13郭玉英，張玉峰，姚建欣．物理學科能力及其表現研究．教育學報，2016(4)：57～63

14邢紅軍．物理教學心理學．成都：成都科技大學出版社，1994.56～57

15陳佑清．“核心素養”研究：新意及意義何在？——基于“素質教育”比較的分析．課程·教材·教法，2016(12)：3～8

Discussion on Promoting the Profound Transformation of Physics Concepts by 5E Teaching Method

Sang Ruirui Zhang Haojing Wang Bihong Li Xiao Zhang Xiong

(College of Physics and Electronic Information，Yunnan Normal University，Kunming, Yunnan 650500)

The 5E Teaching Methodemphasizes the student's dominant statusin a physics classroom, which focusesontheabilityof their cooperation research and knowledgeconstruction.Basedona brief introduction of 5E Teaching Method, the thesis is going to further discuss its role in promoting the transformation of students' physics concept to a large extent, and to probe into a specific mode of implementation, which may enable students to acquire a key competence to deal with those practical problems in complex situations.

5E teaching method; physical education; profound transformation in physical concepts; scientific concept; key competence

*國家教育部高等學校本科“物理學專業綜合改革試點”項目資助，項目編號：ZG489

桑蕊蕊(1993- )，女,在讀研究生，研究方向為課程與教學論(物理).

張皓晶(1982- )，男，副教授，研究生導師，研究方向為天體物理和學科教學(物理).

2017-01-08)