例談5E教學模式下物理觀念的培養

摘" 要：物理觀念是物理知識在頭腦中的提煉與升華，很大程度上影響了學生學習物理的成效。而5E教學模式強調學生對知識的主動建構，正是培養學生物理觀念的有效途徑。本文以“流體壓強與流速的關系”為例，探討5E教學模式在物理教學中的具體應用，并展示學生物理觀念的培養過程。

關鍵詞：5E教學模式；物理觀念；流體壓強與流速

1" 5E教學模式簡介

5E教學模式是美國生物研究專家R.Bybee等人在“三段式學習環”的基礎上提出的一種建構主義教學模式，旨在讓學生通過自主探究，達到對知識的深入理解，強調突出學生的主體地位。［1］該模式包括：參與、探究、解釋、遷移、評價等五個教學環節，各環節緊密聯系，并且評價環節貫穿于整個教學。［2］與傳統教學模式不同，教師從課堂的主導者轉為學生知識建構的引導者，通過創設真實的物理情境，引導學生主動建構物理知識體系。當學生在學習中發揮積極作用時，他們更容易學習和使用他們學到的知識，從而加強對物理知識的理解與記憶。［3］

2" 5E教學模式下培養學生物理觀念的教學流程

物理觀念不僅是培養學生物理核心素養的基礎，還是學生開展物理學習活動和解決實際問題的必備條件。為了有效培養學生的物理觀念，本文設計了基于5E教學模式的教學流程。首先，教師創設存在認知沖突的物理情景，幫助學生初步感知物理概念、規律，激發學生探究知識的欲望；接著，通過探究活動豐富學生的感性經驗并引導學生自主歸納總結，把握物理現象的本質，明確物理概念和規律；在解釋環節，讓學生嘗試利用所學物理知識解釋自然生活中的物理現象，教師進行適當的糾正和規范，幫助學生初步建立科學完整的物理觀念；隨后，鼓勵學生從物理學視角解決不同情境中的問題，拓展并完善物理觀念；最后，教師采用多元化的評價方式從多個維度科學合理、客觀公正地評價教學過程，及時查漏補缺，［4］促進物理觀念的形成。

以最新人教版物理八年級下冊教材第九章第4節“流體壓強與流速的關系”為例，教學流程圖如圖1所示。

3" 5E教學模式下培養學生物理觀念的教學實踐

課前準備：學生自行搜集有關流體壓強的資料。

3.1" 參與——初步感知流體壓強概念

3.1.1" 分享資料

學生分享：流體是具有流動性的液體和氣體的統稱；流體壓強與流速有關；坐公交時車上的窗簾會向窗外飄，這個現象與流體壓強有關；等等。

3.1.2" 橙子實驗

教師演示：展示自制教具（如圖2所示），將注射器里的水緩慢地注入瓶中，使橙子浮在水面上。隨后，拉動活塞將水吸回，再快速將水注入瓶中。教師可通過拉動活塞重復實驗。

學生觀察：第一次注水時橙子緩慢上浮；第二次注水時橙子不但沒有上浮，反而下沉了（如圖3所示）。

教師引導：為什么會出現這個現象？之前學過的液體和氣體的壓強都是靜止狀態的，那么當其流動時壓強會怎樣？

學生猜測原因，繼續進行實驗探究。

設計意圖：教師通過分享資料使每個學生都有發言的機會并參與到物理知識的建構當中，真正成為學習的主人；學生在交流中逐漸加深對流體壓強概念的認知，為后續探究奠定了必要的基礎。此外，創設存在認知沖突的真實情景，能夠幫助學生初步感受流體壓強的存在，激發學生的探究欲望。

3.2" 探究——明確流體壓強與流速的關系

3.2.1" 展示教具，引導思考

教師展示：將事先調好的紅墨水倒入自制教具，接著將裝滿紅墨水的瓶1倒插在瓶2中。靜止時，下方與粗細不同的管道相連的水柱1和水柱2的液面相平（如圖4所示）。

教師提問：①當液體流動時，粗細不同的管道內的流速大小關系是怎樣的？②水柱液面的高低說明了什么？

學生分析：①流量＝流速×橫截面積，液體流量相同時，細管道內流速較快，粗管道內流速較慢；②根據液體壓強公式p＝ρgh可知，液柱越高，液體壓強越大。

3.2.2" 演示實驗，探究規律

教師演示：（通過投屏將實驗現象投放到屏幕上）將水龍頭擰到全開狀態，瓶1中的水流完后關閉水龍頭。隨后，將瓶1再次灌滿紅墨水并倒插在瓶2上，將水龍頭擰到半開的狀態，學生觀察到實驗現象后立即關閉水龍頭。

學生觀察：水龍頭半開或全開時，水柱1始終低于水柱2；水龍頭全開時粗細不同的管道上的水柱都比半開時的水柱低；水龍頭關閉后兩個水柱逐漸趨于等高。此外，學生自行設計表格（如表1所示）記錄水柱的高度。

學生分析：打開水龍頭后，水柱1始終低于水柱2，根據p＝ρgh，可知水柱1的壓強小于水柱2的壓強，而細管道中水流流速比粗管道中流速大，由此得出，流速大的地方，水柱高度低，壓強小，且通過表格數據縱向對比再次驗證了所得規律。因此，當水龍頭關閉時，細管道、粗管道中液體的流速逐漸趨于0，壓強逐漸相等，最終也就產生了兩個水柱等高的現象。

設計意圖：利用自制教具展開探究活動，一方面彌補了教材中無液體實驗的不足，幫助學生形成對流體壓強與流速關系的完整認知；另一方面將抽象的物理規律直觀化，實驗現象明顯，數據穩定，且通過調節水龍頭的狀態改變水流的速度，實驗結果更具有普遍性。學生在感性認識的基礎上自主進行記錄、整理、歸納和總結，更有利于明確流體壓強與流速的關系，建立正確的物理觀念。

3.3" 解釋——解釋飛機升空原因，初步建立物理觀念

3.3.1" 理論解釋

教師引導：教師播放第十四屆中國國際航空航天博覽會上的視頻，讓學生觀看各種飛機飛行的狀態；隨后，教師展示某機翼結構圖（如圖5所示）引導學生思考飛機升空的原因。

學生分析：機翼的形狀上凸下平，相同時間里，機翼上方氣流通過的路程較長，速度較大，對機翼上表面的壓強較小，反之，對機翼下表面的壓強較大，上、下表面存在壓強差，形成了壓力差，所以飛機獲得升力，能升空。

3.3.2" 定性實驗

教師提問：同學們如何利用手邊的器材來證明“流體壓強與流速的關系”？

小組探究：學生利用桌上的器材自主進行實驗設計與驗證。器材有鼓風機、泡沫板、木棍、卡紙、吸管、A4紙、膠帶、膠水等。

方案一：首先，用卡紙制作機翼模型，并在機翼的中部固定一根吸管，吸管的兩端到機翼的距離要相等，且保持豎直狀態（如圖6甲所示）。氣流經過機翼時，觀察哪邊吸管的傾斜程度較大哪邊流速就大。

方案二：在自制機翼的上、下表面分別固定紙條（如圖6乙所示）。氣流經過機翼時，觀察哪邊紙條波動幅度較大哪邊流速就大。

方案三：在自制機翼的上、下表面分別粘貼等大的紙片（如圖6丙所示），使兩張紙片垂直于機翼。氣流經過機翼時，觀察哪邊紙片傾斜程度較大哪邊流速就大。

甲

乙

丙

學生活動：每組完成小組自評，選擇一個代表利用鼓風機對自制機翼的中部水平吹風并結合實驗現象解釋飛機升空的原因；其他小組選取代表對該組的表現進行評分，其中5分、4分、3分、2分分別對應著優秀、良好、一般、不好。舉手表決后將多數贊同的分值填入表格中（如表2所示）。

教師對學生的實驗表現進行多方面的點評，并鼓勵學生多動手、敢于創新、勇于發言。

3.3.3" 定量實驗

教師拿出風速測量儀（如圖7所示）并講解其使用方法，學生分組進行操作。首先，自制機翼模型并將其固定在出風口的中部以保證機翼上、下的氣體流量相同（如圖8所示）；接著，調節鼓風機上的風速旋鈕，并利用風速測量儀分別測出機翼上、下表面風速的大小；最后，學生自主設計表格記錄數據（如表3所示）并繪圖（如圖9所示）。

設計意圖：飛機升空的原因是本次教學的重難點，而機翼上、下方的空氣流速對學生來說過于抽象。因此，在實驗的基礎上，引導學生利用簡單的器材從定性和定量兩個角度進行解釋，這不僅能夠培養學生的發散思維和創新能力，還能夠讓學生在親身實踐中主動建構物理知識體系，形成完整的物理觀念。

3.4" 遷移——拓展完善流體壓強與流速的物理觀念

3.4.1" 首尾呼應，解開懸念

學生分析：當快速注水時，橙子下表面的水流速度增加，壓強減小，橙子上、下表面產生壓強差，形成壓力差，橙子下沉。

教師進一步提問：如何避免橙子下沉？

學生分析：當受到的合力向上時，橙子上浮。即當F壓力差＜F浮－G時，可以避免橙子下沉。因此，采取緩慢注水的方式，減小橙子下表面的液體流速，從而減小壓強差，進而達到減小壓力差，使橙子不下沉的目的。

3.4.2" 課后作業

教師結合教學目標設計相關習題，初步評估學生是否達到了教學目標所要求的認知水平（如圖10所示）。［5］

設計意圖：引導學生利用所學知識解決課堂中遺留的問題，鞏固完善所形成的物理觀念；在此基礎上，通過難度逐漸提升的課后習題，加強學生對物理知識的掌握程度，查漏補缺；而教師也可根據學生答對的題數對學生的學習情況進行反饋，對教學效果進行評價，幫助學生進一步鞏固正確的物理觀念。

3.5" 評價——多元評價，促進物理觀念形成

評價并非只存在于教學環節的末端，而應貫穿于整個教學之中。［6］在參與環節，教師對學生搜集的資料給予肯定，并鼓勵學生要充分利用手中的工具去搜集知識，開闊眼界；在探究環節，教師對學生歸納整理的結果進行合理的評價，幫助學生糾正錯誤的認識；在解釋環節，根據學生的回答及時判斷學生對流體壓強與流速關系的理解程度，并利用評價表從自評、互評和師評三方面對學生的活動表現進行多維度評價，提高學生參與知識建構的積極性；在遷移環節，通過解題情況評判學生對知識的掌握程度，查漏補缺；在評價環節，教師課后可利用問卷星、微調查、易表達等小程序制作調查問卷，線上收集學生對自身的課堂表現、自身的知識掌握程度、教師的課堂教學效果等方面的評價。在此基礎上，教師須對課堂教學評價進行反思，改進教學方法，從而提高課堂教學效率。

設計意圖：合理的、科學的評價不僅能激發學生對物理學習的熱情，還能及時反饋學生物理觀念的掌握情況，教師據此及時進行教學調整，從而促進學生正確的物理觀念的形成與發展。

4" 小結

本文基于5E教學模式，通過層層遞進的環節逐步實現對學生物理觀念的建立、拓展完善、形成與發展的培養，并通過自制教具的運用，將抽象的物理規律可視化，解決了流體壓強與流速的關系這一知識難點。此外，在解釋環節中引導學生從多角度分析飛機升空的原因，幫助學生形成完整物理觀念的同時，能有效培養學生的發散思維和動手創新的能力。雖然5E教學模式為物理觀念的培養提供了有效路徑，但該模式仍存在一些問題，比如課堂時間少、教學模式環節多、教學評價如何有效貫穿等等，這些都有待廣大教師進一步探討。

參考文獻

［1］安寧，趙振宇.“5E”探究教學模式在物理教學中的應用［J］.數理化學習（初中版），2022（04）：50-52，56.

［2］劉艷梅.基于“5E”教學模式培養學生科學探究素養的教學設計——以人教版高中物理必修1為例的研究［D］.云南：云南師范大學，2020：1-97.

［3］Ismet Ergin. Constructivist approach based 5E model and usability instructional physics［J］. Latin-American Journal of Physics Education，2012，6（1）：14-20.

［4］鄒敏秀，鄭友進.基于5E教學模式的初中物理情景化教學淺探——以《浮力》教學為例［J］.讀寫算，2022（17）：135-137.

［5］李麗，齊海燕.基于SOLO分類理論的“牛頓第三定律”教學設計［J］.教育觀察，2021，10（35）：69-72.

［6］楊戀.基于“5E”教學模式的高中物理觀念的培育——以“光的本質”為例［D］.上海：上海師范大學，2022：1-68.