凸顯實驗育人：高中物理實驗5E+教學模式研究

李桂旺 王軍

［摘要］ 高中物理實驗內隱著審辯思維、循證探究與實踐應用等學科育人價值。研究引入國際科學教育的5E教學模式，以課例研究的方法，逐步生成了物理實驗育人的三種5E+教學模式，即體驗知識源頭與建構的5E+科學史實驗教學模式、促進思維顯性與縱深的5E+IYPT實驗教學模式、5E +定量探究實驗教學模式。

［關鍵詞］ 高中物理實驗；育人價值；5E教學模式；科學史；IYPT

物理實驗作為物理教育中凸顯理科屬性與科學本質的重要基礎，其在內容設置、探究方法與內隱思維等眾多方面對學生科學素養的培養均具有不可替代的作用。多年來，我們致力于物理實驗教學的改革與創新，深度挖掘和轉化物理實驗的育人價值，旨在通過小實驗來彰顯大智慧。1988年，美國科學家Bybee和Landes為解決科學教育難以縱深化、線索化的問題，創設了包含參與、探索、解釋、精致化及評價五個階段在內的5E教學模式。后經歷改革演變，5E教學模式成為5E“學習環”的教學策略，使該“學習環”成為一套更趨于完備、更符合學生認知特點的教學程序。5E模式改變了傳統模式，以開放的方式組織教學，允許學生探究檢驗自己的想法，加深對新知識的理解，根據前概念設計教學，從而幫助學生進行知識建構，培養學生的探究能力。

一、體驗知識的源頭與建構：5E + 科學史實驗教學模式

物理學史是科學史的核心，也是物理學科的一個分支，它研究人類對自然界各種物理現象與規律的認識歷程。物理學史呈現了物理學下屬各個領域知識內容的由來與變遷歷程，其不僅蘊含著大量的科學探究方法與思維，還潛藏著科學家看待與解決現實生活問題的學科觀念、科學精神、倫理態度等。因此，在物理教學特別是實驗教學中融入物理學史，讓學生感受科學家的探究過程與思維過程，體會物理概念與規律是如何形成的，理解其中的科學思想與方法，明確科學本質，形成科學的物理認知結構，豐富物理學科育人價值。以“牛頓第一定律”為例，采用了5E +科學史實驗教學模式，促進學生體驗知識的源頭與建構過程。

問題產生：通過視頻播放踢足球、射箭、跳高、自行車起步與剎車……讓學生從生活場景中舉例并進行交流討論。以上文所述的現實生活的普遍現象為源頭，促進學生主動性投入的思考。此外，情境的預設提供了學習探究的腳手架，符合學生的認知規律，便于學生進一步結合運動學和力學知識，將二者交融并學習遷移到牛頓運動定律的學習中。

歷史回顧：人類早就對力和運動的關系有所關注和研究，古希臘亞里士多德通過生活觀察發現車輛因為受到推力或者拉力才可以運動，不用推力或拉力就會停下來，因而總結認為：力是維持物體運動的原因，即物體受到力才可能運動，不受力物體將會停下來。雖然我們知道這個結論存在科學上的問題，但我們需要辯證地看待亞里士多德的偉大貢獻。亞里士多德的觀點也是事物發展過程中存在的一種可能性，即科學的發展也是歷經很多曲折的過程。同時，還可以讓學生對亞里士多德的“事實經驗”加以分析，尋找錯誤結論的原因，讓背景知識在課堂教學中發揮它的價值。

重演歷史：伽利略認為撤去推力后的車會停下來是因為有摩擦力的作用，并提出了“理想實驗法”——“理想斜面”實驗來研究力與運動的關系。課堂上，利用自制教具形成實驗探究。實驗后，學生將多次最高點進行比較，發現小球的最高點的高度差不多相同。這樣，學生通過歷史經典實驗的演練，感受到前科學家的問題探究的奧妙與科學精神，也認識到物理實驗學之父的偉大之處。

推理歸納：鑒于以上實驗的事實，可知當斜面傾角足夠小時，小球依然可以“到達”原來的“高度”，由此能推理得出，當軌道水平時，小球將繼續“尋找”原來的“高度”而且不停地運動下去。可見，小球在水平軌道上不需要外力也能一直運動下去，即運動不需要力來維持。就這樣，讓學生經歷在實驗研究基礎上進行科學合理的邏輯推理，總結科學規律，從而體會到伽利略“理想實驗”的魅力所在。

質疑創新：讓學生表達“如果不受力小球將一直運動下去”的理解：（1）雖然是水平面上的實驗，由于地球是圓的，即廣義上看，水平面應該是“球面”，即小球將沿地球表面一直做圓周運動。但小球實際上還受到地球的引力作用，因此伽利略沒有完美地解決力與運動的關系問題。（2）小球是否會沿直線飛出地球。此后，物理學家笛卡爾對伽利略的觀點進行了完善。可以讓學生科學地理解伽利略“理想斜面”實驗的意義和價值，并思考伽利略關于“力與運動的關系”的結論是否具有完備性。再從物理學發展的角度去全面了解科學家們是如何進一步完善的。最后，讓學生思考伽利略與笛卡爾只是歸納了物體不受力的情形卻沒有關注受力的情況下物體的運動會遵行什么規律或特點……

二、促進思維的顯性與縱深：5E + IYPT實驗教學模式

IYPT是三大頂級國際中學生物理競賽之一。IYPT賽題都是貼近實際生活的開放性的原始物理問題，讓學生經過真實的研究，最終通過辯論的方式進行比賽。在物理5E教學中嘗試融入IYPT方式，讓部分有條件的學生利用課余時間具身實踐，主動參與開放式的全真探究，并在課堂中通過匯報、交流、答辯的方式開展教學，用以促進思維的顯性與縱深。更重要的是，利用“IYPT”方式的探究教學活動，能夠盡量排除很多教師經驗性的預設因素，讓學生在原生態環境中去感受探究的樂趣，包括探究過程中遇到的各種困難，以及如何克服困難的體驗。以“碰撞中的守恒量”為例，具體教學過程如下。

問題生產：通過播放視頻觀察生活中常見的碰撞現象（交通汽車碰撞、臺球運動和冰壺運動），并建立“碰撞”的物理概念。根據化繁為簡的基本思路，引入“牛頓擺”的演示實驗。通過觀察交流分析小球間依次發生一維碰撞，并建立“一維碰撞”的概念。從各種碰撞中是否存在一定規律的角度，引出“電荷守恒定律”和“機械能守恒定律”，從而嘗試研究“碰撞中是否也存在‘不變量”的規律，即探尋碰撞中的“不變量”。

方案設計：考慮到課堂教學的實際，將學有余力和有興趣的同學分成幾個小組提出問題，然后利用課余時間各自相對獨立地通過自己的方案開展探究（大約需要2周的課余時間方可得到相對充分的探究）。每組同學選擇一種合適的探究方案，教師可進行適當的方向性和技術性的幫助，通過探究，最終形成研究報告。

答辯匯報：方案確定的依據（包括其他方案排除的原因或困難）、實驗探究詳細過程（模型、原理、器材、表格設計、數據測量和分析、初步結論和誤差分析），課堂中所有同學及老師共同參與交流討論，項目小組同學答辯——此即為對“IYPT”模式的借鑒。

歸納應用：借以項目探究的小球碰撞“速度交換”現象總結產生的條件，分析“牛頓擺”現象的原因；同時介紹“冰壺比賽”中“打定”的技術原理，理論回歸實踐。通過“IYPT”模式的教學實踐，讓學生參與到全真問題研究中，用研究的方式經歷物理學習，培養學生的物理學科核心素養，讓深度學習真正發生。

三、品悟科學的實證與審辯：5E +定量探究實驗教學模式

物理學作為與數學結合最為緊密的自然科學，其定量化的實驗探究不僅讓學生通過動手做、做中學主動地發現問題，并且讓學生在實驗操作、收集處理信息、調查數據、表達交流等探索活動中品悟科學的實證與審辯。從定性走向定量化的探究過程，一定程度上可以讓學生進一步回歸物理學的理科屬性與科學本質，讓其更為實證、審辯地采用數理邏輯建構學科體系。現代教育教學中，采用各類學科教具或實驗器材進行教學的有效展開已然成為常態。研究者將5E教學模式與定量探究實驗相融合，構建了品悟科學實證與審辯的5E +定量探究實驗教學模式。以“光的折射”為例，對其規律的具體實驗教學過程如下。

方案設計：空氣中吹入少量煙霧，在水中滴入一點牛奶，將激光從空氣斜射入水中，可以更清楚地看到“光路”（丁達爾現象），光的傳播方向發生了變化；隨著入射光方向的變化，折射光的方向同步變化。利用光的折射反射演示儀，將光線從空氣射入半圓形玻璃的非圓心時，傳播方向發生變化，而經過圓心的光線射出玻璃磚時傳播方向“不變”（與介質分界面垂直）。

變量分析：入射角、折射角及激光的顏色（本實驗中用紅色與綠色）。方案確定：實驗器材：激光筆（紅光、綠光）、水、煙霧、牛奶、光的折射反向演示儀、Excel等數據分析軟件；研究對象：激光、入射光、反射光與折射光；研究手段：借助背景板的量角器測量激光的入射角和折射角；猜想其所遵循的規律或可能存在的

“不變量”：、、……

方案實施：定性方案中可以清楚地看到入射角增加，折射角同步增加。利用光的折射反射演示儀，首先使用紅色激光，分別測量當入射角（每次實驗增加一定角度，本次實驗是遞增10°，可能更小一點）0°、10°、20°、30°……80°時對應的折射角；然后利用綠色激光進行同樣的實驗。數據處理：將實驗中入射角θ1與折射角θ2等數據記錄在表格中。利用Excel軟件進行數據處理，結合合理的猜想，嘗試進行相關數據的研究。

情形A：入射角與折射角的比值在入射角小于20°時變化不明顯，此后隨著角度的增大而增加，無明顯的定量規律。情形B：入射角與折射角的正切值的比值在入射角小于20°時變化不明顯，此后也是隨著角度增大而增加，且變化比情形A更快，也沒有明顯的嚴格定量規律。情形C：入射角與折射角的正弦比值在某一數值范圍內無規律地很小幅度變化，在誤差范圍內，其比值是“不變量”。情形D：改用綠色激光進行同樣的實驗，其入射角與折射角的正弦比值比紅色激光實驗略大（用同一玻璃進行實驗）。

分析歸納：通過實驗探究綜合分析得出三線共平面，入射角的正弦與折射角的正弦成正比（比值即相對折射率）的結論。本實驗中存在測量、讀數及系統誤差因素，在實驗誤差范圍內，實驗探究的結論應該是科

學的。

應用交流：設計趣味實驗讓學生體驗光的折射現象的神奇所在。一個儲油桶的底面直徑與高均為d。當桶內沒有油時，從某點A恰能看到桶底邊緣的某點B。當桶內油的深度等于桶高的一半時，仍沿AB方向看去，恰好看到桶底上的點C，C、B兩點距離d/4。

創新設計：讓一束激光沿AB方向射入，然后注入未知透明液體，在體驗實驗的基礎上，啟發學生逆向思維，嘗試設計未知透明液體折射率的測量儀器或方案，并以刻度的方式標注在儀器底部。實踐中，可以進行必要的提示：B點標注折射率是多少，C點標注折射率是多少，這個折射率的刻度分布是不是均勻；如何制作一份該儀器的“說明書”等。

[本文系江蘇省教育科學“十四五”規劃2021年度重點課題“促進深度學習發生的物理實驗5E教學模式研究”（項目編號：B/2021/02/45）研究成果]

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