運用5E教學模式 培養實驗探究能力
——以“探究機械能守恒定律”為例

(廣東番禺中學，廣東 廣州 511483)

5E教學模式由參與(Engagement)、探究(Exploration)、解釋(Explanation)、遷移(Elaboration)、評價(Evaluation)五個基本教學環節構成。參與就是讓學生對學習任務產生興趣，激發學生的探究熱情；探究是中心環節，學生需要進行具體的探究活動，在獲取知識的同時，提升探究技能和對科學本質的認識；解釋為關鍵環節，主要解釋探究過程中遇到的問題和結果；在遷移環節學生在教師引導下將新知識在新情境中應用，繼續深化對知識內容的理解；在評價環節教師采用紙筆測試或表現性任務對學生的學習效果進行評價。

物理學科核心素養中的科學探究要求學生能從生活現象中提出物理問題，形成猜想和假設；能設計實驗方案獲取和處理信息；能基于證據得出結論并做出解釋；對實驗探究過程和結果進行交流、評估、反思。

在高中物理課堂中，運用5E教學模式開展實驗教學，能有效地培養學生提出問題、設計實驗方案、收集證據、通過科學推理得出實驗結論并對結論進行評估和反思的能力，是一種有價值的探索。筆者以人教版必修2第七章第8節“機械能守恒定律”和第9節“實驗：驗證機械能守恒定律”為例，探討5E教學模式在實驗教學中的應用。

1 參與：視頻引入，激發思維

播放如圖1所示的小視頻，引起學生的興趣與思考。

圖1

教師設置懸疑：鋼球擺回來的時候會碰到人的下巴嗎？學生觀察、議論紛紛。教師再次提示觀察要點：鋼球在運動過程中什么物理量在發生變化？如何變化？如果學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，引導學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？是怎樣實現的？有怎樣的規律？引導學生進行深度思考。

設計意圖：通過視頻引入，設置懸疑，引入課題，激發興趣，引起思考。

2 探究：提出問題，實驗探究

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

讓物體從某一高度自由下落，做直線運動，可測出物體通過不同位置的速度和高度，探究速度與高度(或者是動能與勢能)之間的關系。

設計意圖：說明速度、高度分別與動能、勢能相關，引出最簡單的研究情境，以便學生進行有目的的探究活動。

學生探究活動：根據實驗室給出的實驗器材，自行設計探究方案，探究速度與高度(或者是動能與勢能)之間的關系。實驗室提供的實驗器材有鐵架臺、打點計時器及相應的電源和紙帶、毫米刻度尺、光電門、數字計時器、重錘、已知直徑的小球等。

每4人為一組，設計實驗方案并展示，介紹主要的設計思路。

有學生設計了如圖2所示的落體法探究方案。通過重錘拖動紙帶做自由下落運動，打點計時器在紙帶上打出一系列的點，研究紙帶上相距一定高度的兩個點，計算出其速度就可以研究速度與高度(或者是動能與勢能)之間的關系。

有學生設計出如圖3所示的實驗方案，使用光電門和數字計時器測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(或者是動能與勢能)之間的關系。

圖2

圖3

教師對以上兩種方案給予充分肯定，也給出合理化的建議。如利用光電門和數字計時器測量速度時盡量使小球從正中間通過光電門；利用打點計時器實驗時，紙帶不必太長，以免產生較大阻力。我們可以從下落的時刻開始研究，初速度為零，使得實驗更加簡單、易操作。

表1

圖4

分小組匯報實驗所得結論：不是高度轉化為速度，而是重力勢能轉化為動能，重力勢能的減少量和動能增加量的圖像是正比例函數，且直線的斜率為1。

教師引導學生總結：減少的重力勢能等于增加的動能，也就是說重力勢能與動能之和保持不變，我們把勢能與動能統稱為機械能。在運動過程中重力勢能和動能之間相互轉化，而總機械能守恒。

3 解釋：理論推導，解釋結論

教師進一步追問：我們能從實驗探究過程發現動能和勢能相互轉化，機械能守恒，這是偶然還是必然的事實呢？能否從理論上進一步推導并證明其正確性？要求學生自行推導、解釋、展示。

圖5

設計意圖：讓學生體驗完整的探究過程，又通過理論的推導，解釋實驗結果，體現了科學的嚴謹性。

4 遷移：首尾呼應，實踐拓展

回顧引入視頻，請同學解釋鋼球能否碰到下巴，并解釋原因。由于釋放初狀態鋼球在緊貼下巴處，擺動過程中機械能守恒，重力勢能與動能相互轉化，回到出發點處動能(速度)剛好為零，不會碰到下巴。

教師引導學生總結：無論是實驗探究，還是理論推導，我們得到機械能守恒的條件都是只有重力做功，同學們設想一下：如果沒有“只有重力做功”的條件，機械能守恒還會成立嗎？

學生討論，得到結論：沒有“只有重力做功”條件，機械能守恒定律不成立，根據動能定理，若除了重力還有其他力做功，則動能的變化量和重力勢能的變化量不相等。

教師強調：只有重力做功的物體系統內，動能和重力勢能相互轉化，而總量保持不變，即機械能守恒。

5 評價：例題檢測，完善知識

圖6

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

要求學生自行檢查學習效果，重點關注運用機械能守恒定律解決問題的基本程序：選定研究過程，判斷是否滿足運用條件，確定零勢能面并確定初、末狀態的機械能，利用機械能守恒定律列式求解。

6 結語

5E教學模式在真實情境中引導學生參與，探究是中心環節，往往要求學生自主確定探究方案、開展探究活動，解釋是關鍵步驟，需要有較強的運用數學解決問題的能力，遷移應用是學習的價值所在。在物理課堂中基于真實的情境提出問題、猜想與假設、設計方案、搜集證據、推理論證得出結論、應用結論解決問題并進行適當的反思，有利于提升學生實驗探究能力，以更好地培養學生的創新精神與實踐能力，為國家培養具備科學素養、技術專長和實踐能力的復合型、創新型人才做出努力。