基于5E教學模式的探究活動設計
—以中國鐵道博物館“火車旁的隱形力量”教育活動為例

杜媛

（中國鐵道博物館，北京 100055）

0 引言

5E教學模式即吸引（Engagement）、探究（Exploration）、解釋（Explanation）、遷移（Elaboration）、評價（Evaluation），是一種基于建構主義理論的教學方法，致力于組織學生開展深度學習。5E教學模式下的學習過程不是被動灌輸，而是在情境中完成協作、實現主動建構，這與《義務教育階段小學科學課程標準》（2017年版）倡導的“探究式學習，在探究過程中學生主動參與，經歷科學探究過程，以獲取科學知識的教育理念”相吻合。為此，中國鐵道博物館設計了“火車旁的隱形力量”教育活動，通過一系列活動激發學生學習科學的興趣、培養學生的核心素養、提高學生的探究能力。

1 教學對象和學情分析

教學對象：小學3-4年級學生。

學情分析：這一階段學生的思維形式向抽象思維過渡，良好的學習動機和態度逐步形成，需要進一步激發學生探究學習的興趣。在認知上，思維從具象思維向邏輯思維過渡，具備了一定的比較、分類、判斷、推理的能力，有能力通過實驗發現問題，但仍缺少自主推理和主動探究的能力。

2 教學目標與教學重難點

2.1 教學目標

科學知識：理解伯努利原理，并能夠應用伯努利原理解釋身邊的科學現象。

科學探究：通過模型法開展科學探究獲取直接經驗，構建伯努利原理科學概念。培養學生認真觀察、根據身邊的事情提出科學問題、基于自身認知做出假設、開展探究、動手操作、尋求實證、解決問題的科學探究能力。

科學態度：通過學生身邊的事情—“站臺黃線”現象背后的科學現象引發學生的探究興趣；通過探究結果分析“站臺黃線”現象的原因，培養學生實事求是的科學態度；通過拓展模型法培養學生的創新意識；通過小組合作探究、解釋交流培養學生合作分享的科學態度。

科學技術社會環境：了解科學對人們日常生活帶來的影響。

2.2 教學重難點

教學重點：學習并應用伯努利原理，掌握模型法。

教學難點：組織學生自主制作模型，合作完成科學探究，學習伯努利原理。

教學策略：教師通過引導學生解讀模型與實際情況的對應關系，幫助學生理解物理模型，理解模型法，從而學習伯努利原理。

2.3 教學場地、教學準備、活動時間

教學場地：中國鐵道博物館正陽門展館內一層中廳區域；教學準備：撰寫活動方案；準備活動教具：乒乓球、乒乓球支撐架等；活動時間：60分鐘。

3 教學過程

3.1 吸引

吸引環節要讓學生對學習任務產生興趣、主動探究，強調通過創設情境來激發學生的學習興趣。

在吸引環節，學生的已有知識與教師創設的情境之間產生了認知沖突，這是實現概念轉變的重要策略之一。鑒于此，設計了第一環節。

第一環節：教師帶領學生參觀中國鐵道博物館展廳內的火車模型，并模仿站臺播報員的語音提示“列車即將到站，請大家不要越過站臺黃線”，激發學生學習興趣和探索欲，提出學生準備坐火車、地鐵的時候是不是總能聽到這樣的聲音？為什么？引出探究問題，創設探究情景。

階段目標：基于展廳火車展項，引導學生從身邊的事情中提出可探究的科學問題，激發學生的好奇心和探究興趣。

學情分析：這一階段學生有強烈的好奇心和探究欲望，能夠發現身邊的科學現象，但是還不能從科學現象中提出可探究的科學問題，并結合學校、生活經驗提出假設，仍需要教師的引導。

設計意圖：通過組織學生展廳參觀火車模型，創設情景引發“乘坐火車、地鐵不要越過站臺黃線”與日常生活中“乘坐公交車離車近一點可以更快速上下車”的認知沖突，引導學生提出探究問題“距離高速行駛的列車太近會有什么危險”，做出“距離高速行駛的列車太近會被卷到（擠壓），還是會被推開”的假設。

教學策略：利用展廳火車展項吸引學生發現和關注“站臺黃線”現象，通過提問的形式引導學生提出可探究的問題，引導學生聯想在日常生活中遇到的場景作出假設。

教師活動：組織學生參觀展廳，在火車展品前提出問題“大家乘坐地鐵或火車的時候在站臺上有沒有發現一條黃色的直線？大家知道為什么要設置站臺黃線嗎？”鼓勵學生開動腦筋，思考并大膽表達自己的想法，激發學生產生好奇心，引出問題“人為什么要距離快速行駛的列車遠一點”，組織學生討論并作出假設“距離太近會被卷到火車上，還是會被推開”，同時了解學生的前概念。

學生活動：參觀展廳，在教師的引導下思考“站臺黃線”現象，提出問題“設置站臺黃線的原因是什么”，同學之間開展討論并作出假設。

3.2 探究

這一環節的特別之處，在于學生需要在老師的引導下自己動手制作實驗道具，通過模型法開展探究，使學生能在實踐中獲得真知，然后將它們融入原有的認知結構中。鑒于此，設計了第二、第三環節。

第二環節：引導學生動手搭建模型，為開展科學探究、理解伯努利原理做準備。

階段目標：讓學生了解模型法的概念，引導學生自己動手搭建實驗道具，為開展探究做準備。

學情分析：學生通過引入環節了解到需要通過探究來驗證“人距離高速列車比較近會有什么危險”的假說，但不了解如何安全地探究現實中比較危險的問題，更沒有自己設計模型教具去驗證假說的經歷，不知道如何操作。

設計意圖：通過引導學生動手搭建制作實驗模型，經歷和了解科學探究的過程與方法，尤其是親自動手組建實驗教具，進一步提升學生的探究能力，體現學生的主體地位。

教學策略：教師給出模型的基本框架做參考，向學生解釋模型與實際情況的相似之處，引導學生動手、動腦制作自己的實驗教具，在模型與實際情形之間建立關聯，同時給學生一定的自由度。

教師活動：鼓勵學生小組合作搭建教具，根據自身認知嘗試新的組建方法，在必要時進行引導。

學生活動：動手制作模型教具，需要邊動手邊動腦，模型為什么這樣組建？思考模型與實際情形的相似之處，別的組建方法是否可行，哪些地方可以改進以更好地符合實際情形，參數的變化會有什么影響？

“相互吸引的乒乓球”實驗教具組建步驟：

①將兩個立柱分別插在兩個底座的中心孔位置。②將緊銷插入第三立柱頂端的孔中。③將第三立柱插入固定好立柱兩側最上方的孔中。④將棉線剪成合適的長度一頭系在掛件頂端，然后將掛件插入泡沫球。⑤將棉線另一頭纏在十字銷較粗的一側，調整至合適的長度后（兩球高度要相同）將兩個十字銷（較粗端）插入橫立柱對稱的第六孔中。

第三環節：模型法探究高速行駛列車與行人之間的危險性。

階段目標：通過模型法探究高速行駛的列車與行人之間可能發生的危害，以驗證提出的假說。

學情分析：相比較聽老師講，這一年齡段的學生更喜歡動手操作，他們會通過動手操作將原有的知識經驗進行印證、完善，尤其是用自己親自動手制作的實驗教具進行科學驗證。

設計意圖：通過探究實驗獲得直接經驗，驗證假說。

教學策略：引導、鼓勵學生用自己組建的模型教具開展科學探究。

教師活動：引導學生分組開展科學探究，進行實驗操作，觀察并記錄實驗現象，根據實驗現象驗證所提出的假設。

學生活動：學生用吸管向小球的中間勻速吹氣，兩只小球分別代表人與列車，吹氣模擬列車行駛帶來的氣流變化，記錄兩個小球的運動狀態。

3.3 解釋

此環節是5E教學模式的關鍵環節，在完成探究活動之后，學生獲得實驗現象，需要依據獲得的實驗現象嘗試尋找現象背后的原因與規律，歸納得出伯努利原理的概念。這是使新概念、過程或方法明確化和可理解化的過程。此環節通常體現小組內個體交流發言和小組代表交流匯報。鑒于此，設計了第四環節。

第四環節：學生以小組為單位發言交流匯報，學習伯努利原理這一科學概念。

階段目標：學生根據獲得的實驗現象提煉出現象背后的規律，教師對學生提煉的科學概念進行完善。

學情分析：學生通過探究獲得實驗現象，組員合作、討論形成小組意見，有意愿將自己的探究過程、結果表達出來。但模型法存在一定的抽象性，學生很難準確地把模型法得到的現象與實際情況相關聯，并用科學術語表達出來，需要教師的進一步引導。

設計意圖：學生通過解釋環節，對實驗現象進行分析、思考，驗證科學假設，加深對伯努利原理這一科學概念的理解。

教學策略：教師能夠從學生的陳述中了解學生對于科學概念的掌握程度，通過詳細解讀幫助學生構建模型與實際現象的關聯，掌握伯努利原理。

教師活動：引導學生用科學語言陳述探究過程和觀察到的現象，如何從現象推理到現象背后的規律。分解模型各個部分，并與實際情形一一對應，幫助學生理解模型法，完善學生解釋的科學概念。

學生活動：以小組為單位，介紹探究過程以及探究過程中遇到的問題、解決辦法、闡釋探究結果，解釋結果背后的規律，把通過模型法探究的結論與實際情形相關聯，解讀“站臺黃線”現象背后的科學原理。聽取教師對于結果的解釋，構建伯努利原理這一科學概念。

學生討論實驗結果背后的原因：向兩個小球的中間吹氣的時候，把中間的空氣都吹跑了。那么兩邊的空氣多、中間的空氣少，就會把小球擠到中間去了。也就是說，空氣流速快的地方壓強小，空氣流速慢的地方壓強大，壓強差把球往中間擠，這時教師引導學生從模型獲得的規律關聯到地鐵黃色安全線，將實驗結果關聯到地鐵黃線的現實問題中，并得出列車（地鐵）站臺上都畫有黃色安全線是因為當列車高速通過站臺時，人與車體就會產生相對運動，流動的空氣流速越高壓強越小，所以這時候人若越過站臺黃線很容易被吸過去，造成很大的危險。

3.4 遷移

讓學生根據自己“已有概念”進行擴展，教師引導學生運用獲取的知識、原理、方法來思考或者解決新的問題。鑒于此，設計了第五環節。

第五環節：讓學生利用學習的伯努利原理、模型法，解決新環境中遇到的問題。

階段目標：強化學生對伯努利原理的掌握與應用。

學情分析：通過前面幾個環節的探究，大部分學生能夠從實踐中了解伯努利原理，知道空氣流速快的地方壓強小、空氣流速慢的地方壓強大。但是，對于伯努利原理的掌握程度還沒有達到從理解到應用的層次，不能做到理論與實踐的結合。

設計意圖：讓學生能夠應用所學的伯努利原理去解釋生活中一些問題背后的科學原理。

教學策略：教師結合學生身邊的事情提出與伯努利原理相關的問題，引導學生利用所學概念及模型法結合之前的探究環節，進一步拓展使用模型法解決新問題。

教師活動：組織學生參觀展廳，在普通列車與高鐵列車模型前提出問題“與普通列車相比，高鐵列車站臺的黃色安全線距離軌道的距離是變遠還是變近了”，并要求學生自行設計實驗驗證自己的答案。

學生活動：思考伯努利原理，小組討論“空氣流速快的地方壓強小、空氣流速慢的地方壓強大”，分析列車速度加快所帶來的地方壓強的變化、人流兩側壓強差的變化。從安全性的角度考慮，提出安全線應該是變遠還是變近的答案。

得到答案之后，學生思考之前開展探究所用的實驗方法，并開展小組討論。在教師的引導下，學生小組討論如何拓展、完善模型法，應用控制變量原則，用吹風機的不同風速代表普通列車、高速列車通過時帶來的空氣流動。小球向中間聚攏的速度、靠攏的程度表示壓強差所帶來的壓力大小。通過實驗結果驗證自己的假說。

3.5 評價

此活動的評價貫穿了整個教學過程，采用正式和非正式的方式評價學生對科學概念的掌握及應用。這里的評價包括老師對學生的評價、學生之間的評價、家長對活動的評價，形成此活動長效的評價體系，探索構建教師與學生、學生與家長、家長與教師之間的評價體系新途徑。

教師過程性評價：教師對學生在整個探究過程的表現進行觀察評價，從提出問題（“站臺黃線”現象）、思考作出假設、動手制作模型、利用模型進行探究，探究之后學生討論提煉現象背后的原因，學生對探究過程、探究結果進行解釋，學習模型法、伯努利原理之后如何進一步應用所學模型法、科學概念去解釋身邊現象背后的科學原理。在整個過程中評價學生的學習態度、動手動腦表現，對伯努利原理的掌握和對模型法的學習，是否達到了預期的課程目標。

教師總結性評價：教師進一步提出關于“香蕉球”“飛機機翼如何產生上升的力量”“乒乓球如何從一個杯子跳到另一個杯子”等科學問題、科學現象讓學生去解釋，來評價學生對伯努利原理的概念掌握。在拓展環節同時檢測學生對于模型法的理解和應用情況。

學生自評：設計自評表格，讓學生自我評價對于伯努利原理的掌握程度、對于模型法的掌握和應用。

4 活動特點與亮點

活動能夠通過教師的引導，暴露學生們對關于“站臺黃線”現象的原有認知，教師通過學生原有認知對標引導自主探究，打破原有的認知平衡，從而達成認知沖突，進一步激發學生的思維碰撞，從而達到自主探究的目的。

活動利用各種方式創設教學情境，如教師模仿站臺播報員的語音提示“列車即將到站，請大家不要越過站臺黃線”激發學生學習興趣和探索欲，鼓勵學生采用觀察、假設與論證、討論與分析、歸納與推理、分工與合作、表達與交流等學習方法，利用任務（實驗探究）驅動，層層設疑探索，幫助學生通過自主探究構建對伯努利原理的認知，鼓勵學生能夠大膽地將理論應用于實踐，解決新環境中遇到的問題，培養學生學習科學知識、運用科學知識、關注社會生活的熱情，增加為人類美好生活而不懈努力的社會責任感與使命感。

5 結語

本活動通過展廳中的火車展項引出學生身邊的事情—“站臺黃線”現象，充分利用展廳展項資源，采用模型法幫助學生開展完整的科學探究以解釋現實生活中的科學現象，構建伯努利原理，提升學生的科學探究能力。在活動中秉承培養學生基于一定依據提出假設，基于證據證實假說的理念，實事求是、合作分享、積極創新的科學態度。