基于“5E”教学模式的高中物理实验教学设计

崔方琳　陈红君

摘 要：在科技快速发展的时代背景下，社会对创新型人才的需求愈发迫切，同时，随着新课改的实施，学生的科学素养也越来越受到人们重视。在对创新与素养的双重需求下，教师需要改进传统物理实验教学模式，满足现代教育需要。文章以STEM教育理念为出发点，以探究加速度与力、质量的关系的实验为例，基于“5E”教学模式对高中物理实验创新型教学模式进行探讨，希望能为一线教师提供启发与借鉴。

关键词：高中物理；教学设计；“5E”教学模式；实验教学

基金项目：本文系长春师范大学研究生创新项目资助“后疫情时代下师范生信息素养现状调查与提升策略研究”（项目编号：［2022］第85号）的研究成果。

作者简介：崔方琳（1999—），女，长春师范大学物理学院。

陈红君（1978—），女，长春师范大学物理学院。

一、研究背景

2016年，国务院办公厅印发了《全民科学素质行动计划纲要实施方案（2016—2020年）》，文件中明确提出，要增强中学数学、物理、化学、生物等学科教学的横向配合，推进科技教育，鼓励普通高中探索开展科学创新与技术实践的跨学科探究活动［1］。同时，《普通高中物理课程标准（2017年版2020年修订）》也要求高中生在学习物理知识与技能的同时，体验科学探索的过程，掌握科学研究的方法，提升实践探究能力、科学创新能力和问题解决能力等。但是，传统的实验教学往往只关注实验结论而忽视实验探究过程，难以满足教育现代化的要求。而STEM教育理念下的“5E”教学模式不仅强调了各学科内容的整合，重视各学科知识之间的深层内在联系，还以培养学生创新能力、思维能力、核心素养为核心目标，契合新课改及创新型社会对实验教学的要求。本文以“探究加速度与合力、质量关系”实验为例，结合教育实践，探讨如何将“5E”教学模式真正落实到高中物理课堂的实验创新教学中。

二、“5E”教学模式概述

“5E”教学模式是一种基于建构主义的探究式教学模式，由美国的生物学课程研究会（Biological Sciences Curriculum Study，BSCS）在Atkin-Karplus学习环的基础上提出，包含参与（Engage）、探究（Explore）、解释（Explain）、迁移（Elaborate）和评价（Evaluate）五个环节［2］。这一教学模式注重课堂教学的情境性、尝试性、亲历性、迁移性和应用性，以学生为课堂中心，教师负责引导学生自主完成探究学习。在自主学习过程中，学生将会对知识展开有意义的构建，这对于培养学生的生命观念及社会责任意识，发展学生的科学思维及科学探究能力具有积极意义。

物理是一门以实验为基础的学科，脱离实际的理论学习无疑是纸上谈兵。通过参与实验探究，学生能够理解理论形成过程，养成独立思考的好习惯，激发探索新事物的好奇心，培养质疑精神和创新意识。因此，实验教学在高中物理学习中的重要性不言而喻。然而，当前一些高中物理教师的实验教学模式倾向于“填鸭式”教学，即教师直接提供给学生实验方案、完备的实验装置、详细的实验步骤和要点，学生按部就班地完成实验。这样的教学虽然能看似完美地完成教学任务，但实际上不利于学生素养和能力的发展。

因此，面对高中物理实验教学中的实践探究和创新需求，本文基于“5E”教学模式，就高中物理实验教学展开研究，并对“5E”教学模式的五个基础环节加以补充。这五个基础环节如下：（1）参与——创设问题情境，激发探究兴趣；（2）探究——开展合作探究，培养创新能力；（3）解释——交流探究结果，轉化学习思维；（4）迁移——联系生活实际，深化设计方案；（5）评价——反馈学习效果，培养科学思维。具体如图1所示。

三、基于“5E”教学模式的物理实验教学案例及分析

人教版高中物理必修一第四章第二节“实验：探究加速度与力、质量的关系”是非常典型的实验探究课。本章第一节讨论了牛顿第一定律，而第二节要求学生通过实验来探究物体的加速度、质量与受到的合力三者之间的关系，为下一节学习牛顿第二定律做铺垫，起到了承上启下的作用。在这一节中，教师可以让学生自行设计并改进实验，以此充实和丰富课堂教学内容，进而激发学生的求知欲望，对学生自主探究实验能力进行培养［4］。

（一）参与：创设问题情境，激发探究兴趣

教师通过多媒体设备播放两个视频：①普通小轿车全力加速到80 km/h需要十几秒，但是在其余条件不变的情况下，装满货物的大卡车同样加速到80 km/h却要慢得多。②质量和体积相差不大的小轿车与赛车同时启动，赛车能在5秒左右就加速到80 km/h［5］。视频生动有趣，能吸引学生的注意力并激发其学习兴趣，教师以此为背景为学生创设问题情境：为什么视频中这些车辆启动后速度达到80 km/h所花的时间不相同？学生对照两个视频，在思考和分析后发现，车辆的加速度可能与其自身质量及所受到的合外力有关，但具体有何种关系还需要进一步探究。

分析：在生活中，学生能够接触到许多与物理知识息息相关的现象。该环节以学生平时经常见到的汽车为切入点进行情境创设，引出本节课要探究的加速度、质量和合力三个物理概念，充分调动学生思考的积极性，使学生对接下来将要开展的实验产生强烈的学习兴趣和探究欲望。

（二）探究：开展合作探究，培养创新能力

教师引入新课后，向学生提供必要的实验仪器和一个简单的传统实验装置（如图2），并提出三个问题，引导学生探究思考：①怎样确定物体运动加速度与其受力或质量的关系？②如何正确且简便地测量出物体的加速度？③如何测量物体所受合力？通过小组讨论，学生对这三个问题及相关实验研究过程有了大致的想法。在此基础上，教师提出新的问题：此实验中是否有其他因素会影响实验探究结果呢？面对这一问题，学生大胆发散思维并提出自己的想法。

分析：明确整个实验的设计方案及细节是实验探究课的重难点，因此，在这个部分教师需要给予学生充足的时间进行思考探究。教师要认识到，学生是这一环节的主体，教师只起到启发引导的作用，应提出需要解决的关键问题，调动学生主动思考的积极性，从而培养学生分析问题和解决问题的能力。

（三）解释：交流探究结果，转化学习思维

该环节中，各学习小组展示本组探究成果，其他学生提出质疑或进行补充。对于第一个探究问题，有学生选择控制变量法作为探究方法，即先保证物体的受力情况不变，对不同质量的物体的加速度进行测量，并分析加速度与力的关系，然后再保证物体的质量不变，测量同一物体在不同受力情况下的加速度，并分析加速度与质量的关系。对于第二个探究问题，有学生想到让物体从静止开始释放，做无初速度的直线运动，其位移可以用刻度尺测出，运动时间可以用秒表测出，再根据运动学公式计算出加速度。其他学生补充不同方法：利用打点计时器可以更快速准确地使用逐差法求出加速度。对于第三个探究问题，学生发现在忽略摩擦力的影响下，恒力F可以代表物体所受合力，因此可以把放在木板平面上的小车受到的拉力当作合外力，并通過实验得出：物体加速度大小与作用力成正比，跟物体体质量成反比。教师需要结合每个小组在此过程中的具体表现，对各个成员的自主学习能力、问题解决能力、思维创新能力等进行相应的评价与反馈。

在探究实验的影响因素时，大部分学生都能判断出小车与木板间产生的摩擦阻力对实验结果是有影响的，并根据此影响因素提出相应的解决方案：利用物体重力沿斜面向下的分力平衡物体与接触面间的摩擦阻力，可以将木板一端适当垫高来平衡物体在运动中所受到的摩擦阻力。

分析：学生以小组为单位展示探究成果，锻炼了语言表达能力及逻辑思维能力。学生在分析实验影响因素的过程中，通过构建物理模型进行受力分析，找到平衡摩擦力的方法，培养了模型建构能力；通过小组合作交流，设计实验步骤，讨论实验细节，体会到了合作探究的力量，增强了实践意识，锻炼了科学思维和探究能力。

（四）迁移：联系生活实际，深化设计方案

教师引导学生回顾课堂一开始提出的汽车加速快慢的问题，学生尝试运用已学知识对此作出解释：小轿车加速到80 km/h的时间比装满货物的大卡车快，是因为小轿车的质量较小；赛车加速到80 km/h的时间比小轿车快，是因为赛车有性能更强大的发动机，合外力大。同时，教师引导学生尝试对实验进行优化：将传统实验中的长木板换成气垫导轨，从而减轻摩擦力对实验结果的影响，也能使实验变得更加简单。并给学生留下课后作业：怎样改进实验才能在小车质量并非远大于砝码质量的情况下使小车所受合外力等于砝码重力呢？

分析：在教学过程中，教师联系生活实际能够进一步发展学生严谨的逻辑思维能力，同时对促进学生深度理解与掌握知识也能起到良好的效果。在本节教学设计中，通过解决课堂导入问题，学生能进一步理解与应用本节物理知识；通过完成课后任务，学生能进一步增强应用所学物理知识分析与解决问题的能力。

（五）评价：反馈学习效果，培养科学思维

教师在课堂的各个环节都需要对学生进行及时的评价，评价方式应是多元的，不仅包括对学生学习效果、探究积极性等的课堂评价，还包括教师评价、学生自评与互评等。多元的评价能够使学生及时获得反馈，也能提升学生的自我认知，使其知错就改。同时，正向的评价也能使学生树立自信，为其往后的学习打好基础。在评价内容上，教师需要同时考虑到学生的基础知识和基础能力两方面，这样才能对学生做出较为准确且有效的评价，并且教师评价要与生生评价相互配合，以有效培养学生的反思能力和科学思维。

［参考文献］

［1］赵呈领，赵文君，蒋志辉.面向STEM教育的5E探究式教学模式设计［J］.现代教育技术，2018，28（3）：106-112.

［2］顾容，张东.中等职业学校STEM教学模式改革研究［J］.职业技术教育，2019，40（2）：44-47.

［3］孙霞，曲思凤.基于医学创新人才培养的STEM教学模式在药理学课程中的探索与实践［J］.重庆医学，2022，51（4）：706-708.

［4］李杨生，李伟康.“加速度与力、质量的关系”深度教学设计［J］.实验教学与仪器，2021，38（5）：37-39.

［5］袁亚丽.谈高中物理核心素养视野下实验探究课的教学设计：以“探究加速度与力、质量的关系”为例［J］.考试与评价，2019（5）：74-76.