應(yīng)用5E教學(xué)模式 實現(xiàn)概念轉(zhuǎn)變
——以“物體的浮與沉”為例

(福建師范大學(xué)物理與能源學(xué)院,福建 福州 350117)

1 5E教學(xué)模式簡介

5E教學(xué)模式是基于建構(gòu)主義教學(xué)理論和概念轉(zhuǎn)變理論的教學(xué)模式，強調(diào)學(xué)生的主體地位以及學(xué)生的自我建構(gòu)。該模式包括了5個環(huán)節(jié)：引入(Engagement)、探究(Exploration)、解釋(Explanation)、遷移(Elaboration)、評價(Evaluation)。引入是教學(xué)的起始環(huán)節(jié),教師通過該環(huán)節(jié)吸引學(xué)生的注意力,創(chuàng)設(shè)情境引發(fā)學(xué)生認(rèn)知沖突,激發(fā)學(xué)生自主探究的熱情;探究是教學(xué)的中心環(huán)節(jié),在教師引導(dǎo)下,學(xué)生基于之前產(chǎn)生的認(rèn)知沖突進(jìn)行合理的猜想,繼而進(jìn)行探究實驗,得到初步的科學(xué)概念,該過程要充分發(fā)揮學(xué)生的主體作用;解釋是教學(xué)的關(guān)鍵,學(xué)生對探究過程中的問題以及結(jié)果進(jìn)行討論,最后在教師幫助下構(gòu)建完整的科學(xué)概念;在遷移階段，教師結(jié)合具體問題和情境,讓學(xué)生利用新概念解釋現(xiàn)象和解決問題,在實踐中加深或拓展對概念的理解,提高學(xué)生運用知識的能力;在評價階段，對教師教學(xué)過程和學(xué)生學(xué)習(xí)過程做綜合評價,通過評價進(jìn)行反思,有利于改進(jìn)教師教學(xué),提高學(xué)生學(xué)習(xí)質(zhì)量。

2 前概念及其轉(zhuǎn)變

學(xué)生在沒有接受正式的科學(xué)教育之前,對日常生活中所感知的現(xiàn)象,通過長期的經(jīng)驗積累與辨別式學(xué)習(xí),會形成對事物的初步認(rèn)識,我們稱之為前概念。正確的前概念能幫助教師找到教學(xué)切入點,促進(jìn)學(xué)生對新知識的理解與掌握。而錯誤的前概念則容易對學(xué)生學(xué)習(xí)新知識造成干擾,增加學(xué)生學(xué)習(xí)的難度。所以,了解學(xué)生的前概念,進(jìn)而采取有效的教學(xué)策略對物理教學(xué)來說是非常重要的。

5E教學(xué)模式強調(diào)以學(xué)生為中心,認(rèn)為從學(xué)生前概念出發(fā),激發(fā)認(rèn)知沖突是轉(zhuǎn)變學(xué)生概念、構(gòu)建科學(xué)概念的關(guān)鍵動力。Posner認(rèn)為：學(xué)習(xí)者要轉(zhuǎn)變概念,首先需要產(chǎn)生對自己舊概念(也就是前概念)的不滿。認(rèn)知沖突策略是引起學(xué)生對現(xiàn)有概念不滿的最有效的教學(xué)策略，這正與5E教學(xué)模式相吻合。

3 5E教學(xué)模式破除學(xué)生前概念的教學(xué)設(shè)計案例

本文以滬科版第九章最后一節(jié)“物體的浮與沉”的教學(xué)為例,探討如何利用5E教學(xué)模式轉(zhuǎn)變學(xué)生錯誤的前概念。

3.1 教材分析

本節(jié)的主要內(nèi)容為：探究物體的浮沉條件，了解物體的浮沉條件在生產(chǎn)、生活中的應(yīng)用。本節(jié)內(nèi)容是對浮力學(xué)習(xí)的深入和升華,與生活實際緊密結(jié)合,對提高學(xué)生利用所學(xué)知識解釋和解決生活、生產(chǎn)中的現(xiàn)象和問題的能力有著重要意義。由于本節(jié)內(nèi)容有一定的綜合性,也存在一定的難度。

3.2 學(xué)情分析

學(xué)生已經(jīng)有了受力分析、浮力計算的基礎(chǔ),對于物體在液體中上浮、下沉、漂浮的現(xiàn)象都有一定的感性認(rèn)識,這些都為教師順利開展教學(xué)提供了有效切入點。但學(xué)生對于物體的上浮或下沉也有很多錯誤的前概念,如:認(rèn)為重的物體就會下沉、輕的物體就會上浮;物體上浮是因為受到的浮力大、下沉的物體受到的浮力小。同時很多學(xué)生對懸浮現(xiàn)象沒有生活經(jīng)驗。

3.3 教學(xué)目標(biāo)

(1) 理解物體的浮沉條件,能應(yīng)用浮沉條件解釋一些簡單的問題,知道浮沉條件在日常生活中的應(yīng)用。

(2) 觀察物體上浮、下沉現(xiàn)象,通過探究物體的浮沉條件和設(shè)計實驗控制物體的浮沉,培養(yǎng)學(xué)生的觀察能力、動手實踐能力和運用知識解決實際問題的能力。

(3) 通過了解物體浮沉條件的應(yīng)用,讓學(xué)生體驗生活、物理、社會、科技的緊密聯(lián)系,培養(yǎng)學(xué)生對科學(xué)的熱愛之情。

3.4 教學(xué)過程

3.4.1 引入

教師應(yīng)當(dāng)了解學(xué)生的前概念，通過創(chuàng)設(shè)情境,暴露學(xué)生的前概念,激發(fā)學(xué)生的認(rèn)知沖突,引起學(xué)生學(xué)習(xí)興趣,激發(fā)學(xué)生的求知欲。

師:將柚子皮和柚子放入水中,請猜想二者的浮沉狀態(tài)。

生:因為柚子皮比較輕,所以柚子皮會上浮。柚子重,所以柚子會下沉。

演示實驗1:實驗發(fā)現(xiàn)柚子皮下沉,而柚子漂浮在水面上。

通過猜想暴露了學(xué)生“重的物體會下沉,輕的物體會上浮”的錯誤前概念。而該實驗中“重浮輕沉”的現(xiàn)象與學(xué)生日常生活經(jīng)驗相悖,引發(fā)了學(xué)生的認(rèn)知沖突。

師:柚子上浮的原因是什么?

生:因為柚子所受到的浮力大!

演示實驗2:將兩只相同的小瓶子浸沒于水中,其中一只瓶內(nèi)裝有沙子,讓學(xué)生觀察兩瓶的運動狀態(tài)。實驗發(fā)現(xiàn)：裝有沙子的小瓶子下沉,另一只小瓶子上浮,最終漂浮。

讓學(xué)生討論這兩只瓶子靜止后所受浮力大小情況。討論中,有學(xué)生認(rèn)為空小瓶上浮至漂浮是因為它受到的浮力大。但最終學(xué)生們通過阿基米德原理分析,兩只瓶子浸沒于水中時,二者所受浮力大小是一樣的，靜止后漂浮的小瓶所受浮力比下沉的小。

該問題和實驗設(shè)計揭露了學(xué)生“物體上浮是因為浮力大”的錯誤前概念,通過討論與分析,引發(fā)認(rèn)知沖突。

師:可見,物體的浮與沉并不是由物體輕重或者所受浮力大小一個因素決定的。那么,到底是什么決定了物體的浮與沉呢?我們一起來探究。

3.4.2 探究

當(dāng)學(xué)生對自己的前概念不滿時,并不代表學(xué)生就會摒棄錯誤的前概念。要讓學(xué)生真正轉(zhuǎn)變概念,教師還應(yīng)當(dāng)調(diào)動學(xué)生充分參與科學(xué)概念的構(gòu)建過程，讓學(xué)生進(jìn)行探究實驗、合作交流是一個很好的方式。

教師提供的實驗器材為:木塊、鐵塊、裝有少量水的玻璃瓶和裝有較多水的玻璃瓶、橡皮泥、蠟塊、彈簧測力計、天平、量筒、溢水杯、小桶、燒杯等。

首先讓學(xué)生把木塊等研究對象浸沒于水中,觀察浮沉情況。教師引導(dǎo)學(xué)生對物體進(jìn)行受力分析，畫出受力圖后,初步了解到物體浮沉與重力和浮力兩個因素有關(guān)。

然后引導(dǎo)學(xué)生明確實驗的目的:(1) 記錄研究對象的浮沉情況;(2) 測量其所受重力和浮力大小,記錄于表格中;(3) 分析物體浮沉情況與重力和浮力大小之間的關(guān)系。

學(xué)生自己設(shè)計表格，記錄物體的浮沉狀況,此過程可以鍛煉學(xué)生設(shè)計表格的能力。在測量浮力大小的過程中,有的小組采用拉力差法測量浮力,有的采用溢水法測量浮力,有的則用量筒測出排開水的體積,再根據(jù)阿基米德原理得出浮力大小。這就涉及浮力計算方法的應(yīng)用,能夠提高學(xué)生應(yīng)用知識的能力。測量重力也有不同方法,這種開放性實驗充分給予學(xué)生發(fā)揮的空間,做到了真正將課堂還給學(xué)生,也開拓了學(xué)生的思維。

3.4.3 解釋

學(xué)生實驗后,對物體的浮沉條件有了初步的理解,教師就要在此基礎(chǔ)上與學(xué)生進(jìn)一步討論,引導(dǎo)學(xué)生構(gòu)建更為完整的科學(xué)概念。

首先,讓學(xué)生分析實驗數(shù)據(jù),歸納出物體的浮沉條件。然后教師組織小組之間交流探究過程中遇到的問題,討論和評價彼此的測量方法和結(jié)論。這一過程有利于提高學(xué)生的表達(dá)能力和歸納總結(jié)能力。

圖1

值得注意的是,上述實驗中有上浮、漂浮、下沉現(xiàn)象,但未出現(xiàn)懸浮,并且很多學(xué)生缺乏關(guān)于懸浮的生活體驗。調(diào)查發(fā)現(xiàn),有一部分學(xué)生覺得物體不可能懸浮于液體中,也有學(xué)生認(rèn)為物體要實現(xiàn)懸浮,必須受到其他外力作用，如與圖1中情況類似，所以關(guān)于漂浮和懸浮兩種特殊狀態(tài)的認(rèn)識和理解還需要老師的指導(dǎo)，可采用以下步驟進(jìn)行教學(xué)。

(1) 教師將雞蛋放入水中,雞蛋下沉,讓學(xué)生畫出此時雞蛋的受力示意圖(如圖2)。

圖2

圖3

(2) 教師往水中加鹽,直至雞蛋出現(xiàn)懸浮狀態(tài)。教師介紹該狀態(tài)稱為“懸浮”,接著教師引導(dǎo)學(xué)生得出：此時雞蛋所處狀態(tài)是平衡狀態(tài),讓學(xué)生畫出懸浮狀態(tài)的受力分析,發(fā)現(xiàn)懸浮的特點(如圖3)。

(3) 教師提問:如果繼續(xù)加鹽,雞蛋會發(fā)生怎樣的改變?學(xué)生通過思考回答:雞蛋會上浮,最終漂浮于液面(如圖4)。

(4) 教師繼續(xù)加鹽,驗證學(xué)生猜想。然后讓學(xué)生畫出雞蛋上浮的受力示意圖(如圖5)。

圖4

圖5

(5) 教師與學(xué)生一起討論、總結(jié)物體的浮沉條件(如表1)。

表1

3.4.4 遷移

經(jīng)過引入、探究、解釋的過程,學(xué)生自主建構(gòu)了新概念,為了達(dá)到學(xué)以致用的目的,還需要聯(lián)系生活實際,讓學(xué)生結(jié)合具體的情境運用知識。

師:怎樣讓原來下沉的物體上浮、讓原來懸浮的物體下沉?

下沉的物體為:裝較多水的玻璃瓶、橡皮泥、柚子皮、氣球;上浮的物體為:癟的牙膏盒、裝少量水的玻璃瓶。

學(xué)生們集思廣益,提出方案(如圖6)。

圖6

學(xué)生完成實驗后,教師提問:要改變物體浮沉狀態(tài),僅僅靠改變浮力或者重力大小就一定能實現(xiàn)嗎?

學(xué)生回答:不一定,必須要改變浮力和重力之間的大小關(guān)系。

教師在學(xué)生實驗基礎(chǔ)上,引申浮力在生活中的應(yīng)用:① 潛水艇通過增大和減小自身重力實現(xiàn)沉浮;② 密度計的使用。通過展示浮力在生活中的應(yīng)用,可以進(jìn)一步加深學(xué)生對物體浮沉條件的理解,同時讓學(xué)生體會到學(xué)有所用,增強學(xué)生對科學(xué)的熱愛和學(xué)習(xí)興趣。

3.4.5 評價

評價階段采取師生互評、生生互評方式,多元化評價可以幫助學(xué)生和教師雙方都獲得及時的反饋,從而改進(jìn)學(xué)習(xí)和教學(xué)。教師可以通過提問,獲得更多學(xué)生學(xué)習(xí)情況的反饋信息,如提問：上浮過程中浮力大小是如何變化的?這是對物體浮沉條件理解的升華,也能進(jìn)一步了解學(xué)生是否真正掌握了上浮與漂浮的區(qū)別。教師也要評價學(xué)生的學(xué)習(xí)態(tài)度和表現(xiàn)情況,對于學(xué)生的積極表現(xiàn)要給予充分的肯定。學(xué)生也可以對教師的教學(xué)不足之處提出自己的意見,對自己課堂中未能理解的問題提出討論。在生生互評階段,既可以互相評價課堂表現(xiàn)情況,也可以交流自己的學(xué)習(xí)成果。在此過程中,會暴露出學(xué)生前概念的頑固性特點,與此同時,學(xué)生間的爭辯與交流可以更好地促進(jìn)概念轉(zhuǎn)變。

4 結(jié)語

要轉(zhuǎn)變學(xué)生的錯誤前概念并非易事,利用5E教學(xué)模式,能夠引發(fā)認(rèn)知沖突,幫助學(xué)生發(fā)現(xiàn)自己的錯誤前概念,然后在教師引導(dǎo)下自主探究,最后通過遷移與運用知識促進(jìn)科學(xué)概念的升華與鞏固。總之,應(yīng)用5E教學(xué)模式能有效地幫助學(xué)生轉(zhuǎn)變錯誤前概念,發(fā)展學(xué)生探究的能力、運用知識的能力,提升學(xué)生的物理核心素養(yǎng)。