基于“5E”教學(xué)模式的高中物理教學(xué)設(shè)計(jì)探究
——以人教版“液體的表面張力”教學(xué)為例

符譯丹 陳立萬

（1.重慶三峽學(xué)院教師教育學(xué)院，重慶 404100；2.重慶三峽學(xué)院繼續(xù)教育學(xué)院，重慶 404100）

目前，傳統(tǒng)的高中物理教學(xué)側(cè)重理論分析，注重考試分?jǐn)?shù)；對學(xué)生的實(shí)際操作能力不重視，忽視學(xué)生思維方法的培養(yǎng).學(xué)生照搬教師的分析方法，簡單建立了解題思維，而物理科學(xué)思維并沒有建立，學(xué)生的核心素養(yǎng)也沒有得到真正的培養(yǎng).［1］

在新課標(biāo)背景下，為突破傳統(tǒng)的物理教學(xué)方法，本文以“液體的表面張力”為例，探索采用“5E”教學(xué)模式，通過吸引、探究、解釋、遷移、評(píng)價(jià)等5個(gè)教學(xué)環(huán)節(jié)進(jìn)行高中物理教學(xué)設(shè)計(jì)和教學(xué)實(shí)踐.［2］在教學(xué)設(shè)計(jì)和實(shí)踐過程中，以核心素養(yǎng)的科學(xué)思維培養(yǎng)作為教學(xué)主線，融入課程思政、課堂探究體驗(yàn)，采用結(jié)果評(píng)價(jià)、過程評(píng)價(jià)、增值評(píng)價(jià)相結(jié)合的綜合評(píng)價(jià)，［3］以期實(shí)現(xiàn)物理學(xué)科核心素養(yǎng)的有效培養(yǎng)，并為教師進(jìn)行教學(xué)改革提供一個(gè)切實(shí)可行的方法.

1 教學(xué)內(nèi)容分析

人教社2019版教材相關(guān)的“液體的表面張力”內(nèi)容是在探討氣體和固體性質(zhì)的基礎(chǔ)上，對液體性質(zhì)的進(jìn)行探討，與上一節(jié)的內(nèi)容構(gòu)成了3種狀態(tài)完整的知識(shí)體系.同時(shí)，為后續(xù)毛細(xì)現(xiàn)象及液晶的學(xué)習(xí)打下基礎(chǔ).［4］

根據(jù)教材內(nèi)容與《普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版）》課標(biāo)要求，依據(jù)物理學(xué)科核心素養(yǎng)的水平劃分，物理核心素養(yǎng)培養(yǎng)目標(biāo)應(yīng)達(dá)到以下4個(gè)方面要求.［5］

（1）物理觀念.通過實(shí)驗(yàn)，觀察液體的表面張力現(xiàn)象；知道液體的表面張力概念.

（2）科學(xué)思維.能對物理現(xiàn)象進(jìn)行科學(xué)推理，提出猜想；通過對物理實(shí)驗(yàn)的科學(xué)推理，獲得液體表面張力特性的有關(guān)結(jié)論；能將液體表面層分子之間的關(guān)系進(jìn)行模型建構(gòu)；能從不同角度思考物理問題，質(zhì)疑創(chuàng)新，解釋液體表面張力形成原因.

（3）科學(xué)探究.通過液體表面張力實(shí)驗(yàn)和探究，了解科學(xué)探究的方法；通過對表面張力的微觀解釋，了解運(yùn)用分子動(dòng)理論解釋宏觀現(xiàn)象的方法.

（4）科學(xué)態(tài)度與責(zé)任.有學(xué)習(xí)物理的興趣，具有實(shí)事求是的態(tài)度，能與他人合作；認(rèn)識(shí)到物理研究與應(yīng)用會(huì)涉及道德與規(guī)范問題，了解科學(xué)·技術(shù)·社會(huì)·環(huán)境的關(guān)系.

“液體的表面張力”教學(xué)重點(diǎn)為液體表面張力的概念，教學(xué)難點(diǎn)為液體表面張力的產(chǎn)生原因以及微觀解釋.在教學(xué)中運(yùn)用現(xiàn)場投屏技術(shù)、視頻播放、多媒體動(dòng)畫展示等現(xiàn)代化教學(xué)手段，吸引學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣及注意力，將抽象理論“可視化”，最終解決學(xué)習(xí)的重難點(diǎn)問題.

2 “5E”教學(xué)模式的設(shè)計(jì)

“5E”教學(xué)模式是美國生物課程研究開發(fā)所（BSCS）針對科學(xué)教育而開發(fā)的教學(xué)模式，是一種基于建構(gòu)主義教學(xué)理論和概念轉(zhuǎn)變理論的模式.包含“吸引（Engagement）”、“探究（Exploration）”、“解釋（Explanation）”、“遷移（Elaboration）”、“評(píng)價(jià)（Evaluation）”5個(gè)教學(xué)環(huán)節(jié).［6-7］

在吸引環(huán)節(jié)，創(chuàng)設(shè)問題情境以吸引學(xué)生的注意力，激發(fā)學(xué)生主動(dòng)探究欲望.在探究環(huán)節(jié)設(shè)置實(shí)驗(yàn)探究任務(wù)，學(xué)生經(jīng)歷問題探究過程，從而解決學(xué)生腦海當(dāng)中存在的認(rèn)知沖突，得到正確的問題答案，并建立起科學(xué)概念.在解釋環(huán)節(jié)，將探究環(huán)節(jié)中所獲得的結(jié)論進(jìn)行微觀分析，有助于教學(xué)內(nèi)容的內(nèi)化，形成新的科學(xué)認(rèn)知.遷移環(huán)節(jié)是對知識(shí)的拓展和應(yīng)用，以提升學(xué)生的知識(shí)運(yùn)用能力.通過評(píng)價(jià)環(huán)節(jié)，了解學(xué)生對于概念的掌握情況，從而及時(shí)的調(diào)整教學(xué)方式和進(jìn)度以改善教學(xué)的效果.［8］

在“液體的表面張力”教學(xué)中采用“5E”教學(xué)模式進(jìn)行教學(xué)實(shí)踐，能夠調(diào)動(dòng)學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性，發(fā)揮學(xué)生的主動(dòng)性，幫助學(xué)生建立物理科學(xué)概念，有效培養(yǎng)學(xué)生的物理學(xué)科核心素養(yǎng).教學(xué)流程圖如圖1所示.

圖1 “5E”教學(xué)流程圖

（1）吸引環(huán)節(jié)（新課導(dǎo)入）.

采用硬幣“漂浮”水面，激發(fā)學(xué)生的興趣和好奇心，調(diào)動(dòng)學(xué)生學(xué)習(xí)的內(nèi)驅(qū)力.展示植物葉面水珠及小時(shí)候玩耍的吹泡泡游戲，引起學(xué)生的同頻共振，從生活走進(jìn)物理.

（2）探究環(huán)節(jié)（實(shí)驗(yàn)探究）.

教師進(jìn)行實(shí)驗(yàn)演示，學(xué)生分組實(shí)施探究活動(dòng).通過探究活動(dòng)，鍛煉學(xué)生的動(dòng)手能力，語言表達(dá)能力，培養(yǎng)熱愛勞動(dòng)的習(xí)慣，培養(yǎng)學(xué)生的合作精神和分析解決問題的能力.

（3）解釋環(huán)節(jié)（微觀解釋）.

液體的表面張力形成原因的解釋環(huán)節(jié)是本節(jié)課的教學(xué)難點(diǎn).通過從液面分子拉進(jìn)液體中形成表面張力觀點(diǎn)，以及液體表面分子間引力形成表面張力觀點(diǎn)來解釋肥皂膜收縮的原因，采用多媒體模擬微觀的液體表面分子間作用，實(shí)現(xiàn)了抽象思維“可視化”，加深了學(xué)生對液體表面張力概念的理解.同時(shí)，教師提出分子鏈形成“液膜”觀點(diǎn)，鼓勵(lì)學(xué)生在科學(xué)探究過程中，要有質(zhì)疑創(chuàng)新精神.

（4）遷移環(huán)節(jié)（知識(shí)應(yīng)用）.

對硬幣“漂浮”現(xiàn)象進(jìn)行受力分析，鞏固表面張力的概念，避免概念的混淆.選取風(fēng)油精瓶設(shè)計(jì)和液體表面張力測試儀案例的應(yīng)用講解，鞏固所學(xué)知識(shí)，促進(jìn)學(xué)生對科學(xué)、技術(shù)、社會(huì)、環(huán)境之間關(guān)系的了解.

（5）評(píng)價(jià)環(huán)節(jié)（綜合評(píng)價(jià)）.

評(píng)價(jià)環(huán)節(jié)貫穿整個(gè)教學(xué)過程中，包含學(xué)生在吸引環(huán)節(jié)、探究環(huán)節(jié)、解釋環(huán)節(jié)、遷移環(huán)節(jié)學(xué)習(xí)表現(xiàn)的評(píng)價(jià)，以及課后作業(yè)完成情況的評(píng)價(jià).

3 “5E”教學(xué)法的教學(xué)設(shè)計(jì)實(shí)踐

3.1 吸引環(huán)節(jié)

3.1.1 魔術(shù)表演

教師在課堂上進(jìn)行硬幣“漂浮”水面的魔術(shù)表演（采用投屏技術(shù)，將表演過程投放到屏幕上）.第1次，隨意把硬幣慢慢往水中放，發(fā)現(xiàn)硬幣馬上沉入水中，如圖2（a）所示；第2次，用手指托起硬幣，使硬幣水平接觸水面上，當(dāng)發(fā)現(xiàn)硬幣有“漂浮”在水面上的趨勢時(shí)，再將手慢慢從水中拿出，如圖2（b）所示.

圖2 魔術(shù)表演效果

教師提問：硬幣為什么能夠“漂浮”在水面上？

學(xué)生猜測：硬幣受到的浮力等于硬幣的重力.

教師引導(dǎo)：硬幣受到液體的浮力跟排開液體的容積有關(guān)，第1次，硬幣沉入水中，說明硬幣受到的浮力小于硬幣的重力.第2次，硬幣“漂浮”在水面上，并沒有排開液體，沒有受到浮力，反而沒有沉入水中.大家仔細(xì)觀察硬幣“漂浮”時(shí)，液體的表面現(xiàn)象.

學(xué)生分析：液面上好像有一個(gè)具有彈性的“液膜”，把硬幣托起.

3.1.2 生活現(xiàn)象重現(xiàn)

教師通過多媒體動(dòng)畫向?qū)W生展示植物葉面水珠形狀，以及肥皂水吹出球狀的泡泡.如圖3所示.

圖3 生活現(xiàn)象演示

教師引導(dǎo)：同學(xué)們發(fā)現(xiàn)液體表面有什么特點(diǎn)？

學(xué)生分析：液體表面好像有一層“膜”產(chǎn)生，將液體包圍成球形.

3.2 探究環(huán)節(jié)

3.2.1 教師演示肥皂膜收縮實(shí)驗(yàn)

（1）利用中間綁有棉線和棉線圈的圓形金屬圈進(jìn)行水膜實(shí)驗(yàn)（采用投屏技術(shù)，將實(shí)驗(yàn)過程投放到屏幕上），如圖4所示.

圖4 水膜收縮實(shí)驗(yàn)

教師提問：刺破肥皂膜的一邊后，另一邊變化如何？將變化的現(xiàn)象填在表1中.

表1 水膜實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象

學(xué)生觀察：刺破棉線一側(cè)薄膜，另一側(cè)薄膜收縮，棉線繃緊，呈圓弧形狀；刺破棉線圈中間薄膜，棉線圈呈圓形.

教師引導(dǎo)：液體表面具有收縮趨勢，形成最小面積的“液膜”.下面請各位同學(xué)進(jìn)行探究體驗(yàn)，利用實(shí)驗(yàn)和數(shù)學(xué)推導(dǎo)來證明老師的說法是否正確？

3.2.2 學(xué)生探究體驗(yàn)

（1）肥皂膜收縮實(shí)驗(yàn).

提供金屬絲、鉗子、棉線、肥皂水等材料，教師現(xiàn)場指導(dǎo)學(xué)生制作各種金屬框進(jìn)行肥皂膜收縮實(shí)驗(yàn).

教師點(diǎn)評(píng)：同學(xué)們做的金屬框非常有創(chuàng)意，也非常精美；肥皂膜收縮實(shí)驗(yàn)也很成功.學(xué)生探究成果如圖5所示（現(xiàn)場拍攝照片）.

圖5 學(xué)生探究成果展示

（2）同周長圓面積最大推導(dǎo).

教師引導(dǎo)：對比周長為2πR的圓、正六邊形、正方形、等邊三角形（如圖6所示），推導(dǎo)出面積最大的平面圖形.

圖6 同周長不同形狀平面圖形

學(xué)生推導(dǎo)：圓的面積為3.14R2，正六邊形的面積為2.81R2，正方形的面積為2.46R2，等邊三角形的面積為1.91R2；形狀越趨近于圓，面積越大.

教師提問：為什么平面液膜收縮實(shí)驗(yàn)的棉線呈現(xiàn)弧形，繃緊狀態(tài)？

學(xué)生分析：液體表面具有收縮趨勢，刺破的液面面積最大，剩下的液面形成最小面積的“液膜”.

（3）同體積球面積最小推導(dǎo).

圖7 同體積不同形狀立體圖形

學(xué)生推導(dǎo)：球的面積為12.56R2，正圓柱體的面積為14.38R2，正方體的面積為15.59R2，正三棱錐的面積為18.75R2；形狀越趨近于球，面積越小.

教師提問：為什么露珠和肥皂泡泡是球形？

學(xué)生分析：液體表面具有收縮趨勢，包圍在露珠和肥皂泡泡的“液膜”，形成最小面積的球狀.

教師總結(jié)：表面張力作用于液面上，使液面具有收縮趨勢的力.在物理中我們就把這種力叫做液體的表面張力.

3.3 解釋環(huán)節(jié)

采用PPT展示液體內(nèi)部及表面分子分布情況，從液面分子拉進(jìn)內(nèi)部觀念、液面分子吸引力觀點(diǎn)、分子鏈形成“液膜”觀點(diǎn)進(jìn)行類比分析講解，多角度來思考理解表面張力.

3.3.1 液體表面分子拉進(jìn)內(nèi)部觀點(diǎn)

教師引導(dǎo)：表面層分子受一個(gè)指向液體內(nèi)部的合力f⊥，在f⊥作用下，液體表面的分子有被拉進(jìn)液體內(nèi)部的趨勢（如圖8所示）.

圖8 液體表面的分子排布及受力情況

學(xué)生猜想：在宏觀上表現(xiàn)為液體表面有收縮的趨勢.

3.3.2 液體表面分子吸引力觀點(diǎn)

教師引導(dǎo)：同學(xué)們觀察分子間作用力與距離的關(guān)系示意圖，當(dāng)分子間距r＞r0，作用力為吸引力.當(dāng)分子間距r＜r0，作用力為排斥力（如圖9所示）.

圖9 液體表面的分子間作用情況

學(xué)生分析：表面層分子間距比較稀疏，分子間距r＞r0，分子間的作用表現(xiàn)為相互吸引.分子引力的有效作用距離大于斥力.

教師總結(jié)：液體的表面張力作用于液面，方向與液面相切，使液面有收縮的趨勢.

3.3.3 分子鏈形成“液膜”觀點(diǎn)

播放航天員王亞平開設(shè)的太空第一課視頻，展示太空中大水球?qū)嶒?yàn).

教師引導(dǎo)：設(shè)想水球表面的分子鏈排布均勻有序，導(dǎo)致液面表面形成“液膜”，具有張力，表現(xiàn)為彈性“膜”（如圖10所示）.在失重狀態(tài)下，水能夠形成一個(gè)大水球.

圖10 分子鏈形成“液膜”情況

鼓勵(lì)學(xué)生：同學(xué)們覺得老師的觀點(diǎn)是否可行？同學(xué)們要有勇于質(zhì)疑、大膽創(chuàng)新的科學(xué)探究精神，你們就有可能成為未來的物理學(xué)家.

3.4 遷移環(huán)節(jié)

3.4.1 硬幣“漂浮”受力分析

教師引導(dǎo)：對“漂浮”在水面上的硬幣進(jìn)行受力分析，畫出受力分析圖.

學(xué)生分析：硬幣受到液體表面張力T1、T2的作用，液體表面張力的合力與硬幣受到的重力G相等，硬幣靜止在水面上（如圖11所示）.

圖11 硬幣受力分析（第1次）

教師分析：液體的表面張力作用于液體的表面，不作用于硬幣，因此，硬幣沒有受到液體表面張力的作用，受力分析錯(cuò)誤.請同學(xué)們思考后，再進(jìn)行受力分析.

學(xué)生猜想：難道有新的力出現(xiàn)，托住了硬幣？

教師引導(dǎo)：同學(xué)們猜想很有道理，液面的表面張力形成的“液膜”具有“彈性”，硬幣靜止在水面上，“液膜”發(fā)生彈性形變，出現(xiàn)向上的彈力.請同學(xué)們再次進(jìn)行受力分析，第2次畫出受力分析圖.

學(xué)生分析：硬幣受到“液膜”向上的彈力F，硬幣受到的重力G與F相等，硬幣靜止在水面上（如圖12所示）.［9］

圖12 硬幣受力分析（第2次）

3.4.2 生活應(yīng)用

（1）風(fēng)油精瓶口設(shè)計(jì).

教師引導(dǎo)：同學(xué)們在使用風(fēng)油精的時(shí)候，發(fā)現(xiàn)很難倒出來，每次都需要用點(diǎn)力甩一甩才行（如圖13所示）.同學(xué)們能解釋一下原因嗎？

圖13 風(fēng)油精瓶

學(xué)生分析：風(fēng)油精的瓶口比較小，在瓶口處形成的液體表面張力，使瓶內(nèi)的液體很難靠重力自然流出.使用的時(shí)候甩一下，破壞表面張力，風(fēng)油精就可以流出.

教師總結(jié)：同學(xué)們分析正確.風(fēng)油精瓶口很小，形成的液體表面張力可以防止風(fēng)油精揮發(fā)，這個(gè)設(shè)計(jì)在很多相似的情境都有應(yīng)用.

（2）表面張力測試儀.

教師引導(dǎo)：不同液體的表面張力大小不同.利用表面張力測試儀（如圖14所示）測量河流污染前后河水的表面張力大小，經(jīng)過對比，即可知道該河流的污染情況.

圖14 表面張力測試儀

同時(shí)，播放水資源環(huán)境保護(hù)及習(xí)近平總書記講話視頻，引出環(huán)境保護(hù)重要性，培養(yǎng)學(xué)生環(huán)境保護(hù)意識(shí)，將思政元素融入課堂.

教師對課程進(jìn)行小結(jié)，并布置課后作業(yè).課后作業(yè)包含觀察水黽停在水面上的現(xiàn)象、紙片逃跑實(shí)驗(yàn)、肥皂小船制作3個(gè)任務(wù)，并分析產(chǎn)生現(xiàn)象的原因.

3.5 評(píng)價(jià)環(huán)節(jié)

在評(píng)價(jià)過程中，選舉學(xué)生代表及家長代表與任課教師共同組成評(píng)價(jià)小組.依據(jù)評(píng)價(jià)方案，利用釘釘?shù)刃畔⒒脚_(tái)，線上線下方式開展評(píng)價(jià).評(píng)價(jià)方案如表2所列，根據(jù)學(xué)生課堂表現(xiàn)、思政表現(xiàn)、課堂任務(wù)完成情況、課后作業(yè)完成情況，采用結(jié)果評(píng)價(jià)、過程評(píng)價(jià)、增值評(píng)價(jià)、綜合評(píng)價(jià)相結(jié)合的“4個(gè)評(píng)價(jià)”，對學(xué)生學(xué)習(xí)效果進(jìn)行評(píng)價(jià)及檢驗(yàn).［10］

表2 教學(xué)評(píng)價(jià)方案

4 總結(jié)

“液體的表面張力”這一節(jié)內(nèi)容很好地反映了“理論和實(shí)際”、“宏觀和微觀”的結(jié)合，能夠幫助學(xué)生建立抽象思維、體驗(yàn)科學(xué)探究過程、運(yùn)用知識(shí)解釋生活現(xiàn)象并處理相關(guān)問題，是培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)思維的重要教學(xué)內(nèi)容.［11］

在“液體的表面張力”教學(xué)中采用“5E”教學(xué)模式進(jìn)行教學(xué)設(shè)計(jì)及教學(xué)實(shí)踐.遵循學(xué)習(xí)梯度和認(rèn)知規(guī)律，按照啟發(fā)思維、強(qiáng)化思維、呈現(xiàn)微觀思維、訓(xùn)練思維的層層遞進(jìn)邏輯；對應(yīng)教學(xué)內(nèi)容設(shè)置“吸引”、“探究”、“解釋”、“遷移”、“評(píng)價(jià)”5個(gè)教學(xué)環(huán)節(jié)，培養(yǎng)學(xué)生從物理學(xué)的角度認(rèn)識(shí)自然，從生活走進(jìn)物理，建立起物理科學(xué)思維，實(shí)現(xiàn)了物理學(xué)科核心素養(yǎng)的有效培養(yǎng).