“乐高飞轮车与惯性”教育活动教案——基于5E教学模式的教育项目设计

董金妮

一、教案设计思考

近些年，科技馆事业飞速发展，公众对科学的理解和需求也日新月异。为了顺应这种形势，科技馆的教育方式不能再仅仅局限于展览展品，更需要通过科学教育活动的设计和开发将科学知识、科学方法、科学精神和科学态度更广泛地传播。但是由于缺乏经典的科学教育活动范例参照，往往设计出来的教育活动没能达到预期的教学效果。为此，笔者以山西科技馆 “乐高飞轮车与惯性”教育活动设计为例，对如何运用5E教学模式进行探讨。展品还是原来的展品 (科技馆内关于惯性的展品)，教具还是原来的教具 (乐高器材)，但由于引进了先进的教育理念、教学方法，形成了与以往不同的新型展教资源，产生了新的教育效果。

5E教学模式也称5E学习环，包含在学习发生时五个与认知理论一致的阶段:吸引(Engagement)、 探究 (Exploration)、 解释(Explanation)、 迁移 (Elaboration)、 评 价(Evaluation)。[1]这一模式是由美国生物学课程研究所开发的一种基于建构主义教学理论的模式，运用调查和探究的方法解决问题，强调通过小组合作学习促进学生对科学概念的理解和知识的构建。[2]惯性是运动和力的关系知识中的一个重要概念，又与实践经验紧密相连。以惯性知识为主题的教育活动，是对山西省科技馆创意工作室课程 “乐高飞轮车”和学校教学相关内容的补充与扩展。本教育活动引进5E教学模式，能让学生更深层次地理解:惯性是物体的固有属性，一切物体都具有惯性。通过本次教育活动可以激发学生学习科学的兴趣，培养学生的科学素养和科学思维，提高实验和探究能力。

二、教学对象与学情分析

教学对象:小学4～6年级学生 (10～12岁)，适宜受众人数为10人。

学情分析:小学高年级学生在 “物质科学”领域中学习了物质运动的改变和施加在物体上的力有关，了解了力作用于物体可以改变物体的形状和运动状态，而惯性是 “运动和力的关系”知识中的一个重要概念，学生通过学习和日常生活经验的积累，对惯性知识有了初步的认识。但这种认识还停留在 “间接经验”的层面，只有转换为 “直接经验”，才能加深对问题本质的认识。在教学过程中，顺应孩子的兴趣，引导其积极探索、大胆思考，并创设条件让孩子们在拆一拆、拼一拼的过程中感知惯性玩具的运动原理。本教育活动以拼乐高飞轮车和做实验的形式开展，在科学教师的引导下，学生进行小实验与小游戏，有助于直接经验的习得。在活动中尽量丰富受众的多感官体验，考虑到4～6年级学生已经具备一定的分析、比较、推理、概括的方法和实验设计、现象描述、总结归纳等探究性学习的经验，因此让学生自己动手并探究学习惯性的知识，这样不仅能激发受众的学习兴趣，还有助于培养其分析和解决问题的能力。

三、教学目标与教学重难点

(一)教学目标

科学知识——了解力作用于物体可以改变物体的运动状态；反之，在没有外力作用的情况下，一切物体总保持匀速直线运动或静止状态；建立和理解惯性的概念；会解释惯性现象。

科学探究——了解科学探究的一般过程；掌握观察、实验、对比和收集处理信息的基本技能；培养和提高实验设计与操作、现象描述、总结归纳等能力。

科学态度——关心生产、生活中有关惯性的实际应用，对物质科学保持好奇心和探究热情；树立自主探究与创新意识。

科学、技术、社会、环境——了解惯性知识在日常生活中的应用，利用惯性解决生活中的实际问题；设计飞轮车培养技术设计能力；进行安全教育，增强学生的自我保护意识，教育学生珍爱生命、热爱生活；惯性有利亦有害，教育学生看待问题要一分为二。

(二)教学重难点

教学重点:认识一切物体在任何情况下都具有惯性；正确地解释惯性现象；知道惯性不是力。

教学难点:飞轮结构的搭建；组织学生合作完成探究实验；整个探究过程中学生科学方法及科学精神的获得，不是通过说教而是通过亲身实践、体验来领悟和掌握。

四、教学场地、教学准备、活动时间

教学场地:场馆内 “创意工作室”或 “机械师摇篮”区域。

教学准备:收集惯性、电动、回力、发条、拉线等多种玩具 (由学生准备)；乐高器材ST2201科学技术套装、木板、鸡蛋、水、水杯、硬卡片、纸筒、多媒体平台 (计算机)、自制课件、螺丝刀 (由教师准备)。

活动时间:本教育活动适宜在周六日或节假日的科技馆进行，总时长为90分钟。

五、教学过程

(一)吸引

“吸引”，是要让学生对学习任务产生兴趣，激发学生主动探究，强调通过创设情境来激发学生的学习兴趣。鉴于此，设计了第一环节。

第一环节:初步分享玩具，感知不同的启动方式并分类，揭开惯性玩具神秘的面纱。

阶段目标:通过感知不同玩具的启动方式，对惯性玩具的启动方式产生疑问和好奇，从而产生探究欲望。

学情分析:自由玩玩具并感知不同玩具的启动方式是学生乐于接受的。教师有意让学生带着问题去探究，学生在自由玩玩具的同时，发现有的玩具靠电池带动马达启动，有的需要上发条，而惯性玩具没有这些启动方式，但轻轻一推就能开出很远，激发了学生的好奇心和探究欲望，最终通过拆卸惯性玩具，发现了其肚子里独特的惯性齿轮装置。

设计意图:“玩”能够让学生与科学探究的距离更加接近，但游戏中不可缺少的是冷静的思考，决不能单纯地用 “玩”来解释游戏的含义，“玩”是科学探究的形式之一，但必须有一系列思考的活动伴随即 “游戏—思考—再游戏”，才能让教学活动事半功倍。游戏的目的是为了调动学生的积极性，激发学生的好奇心和探究兴趣，让学生更好地深入科学活动，在“玩”中探究、认知。引导学生讨论，充分调动学生已有的经验，不同观点的争论强化了 “问题”“悬念”的意味，并激发了探究的意识和欲望。这既是一个引出问题、激发兴趣、产生悬念的环节，又为后面进入探究环节做了铺垫、埋了 “包袱”。

教学策略:吸引学生发现和关注有关惯性的现象、问题并产生好奇和探究欲望。

教师活动:教师提出问题 (你玩的是什么玩具?它为什么会动?你还发现了什么?)鼓励学生大胆表述自己的发现。

学生活动:学生自由玩收集的玩具，感知不同玩具的不同启动方式，之后交流操作情况。学生发现有的玩具靠电池带动马达启动，有的需要上发条，而惯性玩具没有这些启动方式但轻轻一推就能开出很远。

教师活动:挑出惯性玩具汽车，鼓励学生大胆猜想它的启动方式 (既没有用电池，也不用上发条，更没有拖拉的线，轻轻一推，它就能开出很远，它是靠什么启动的呢?)引导学生进行讨论，对每个学生观点的对错，教师先不做评判。

学生活动:进一步观察小车的惯性现象，大胆猜想惯性玩具汽车的运动原理，将猜想结果进行讨论。同时了解他人发表的观点，或调整自己的观点，或反驳他人的观点。

教师活动:介绍分组拆卸的工具及要求，并准备螺丝刀。教师此时不能仅仅作为一个观察者，而是需要参与到学生的游戏活动中，引导学生发现惯性玩具其中的奥秘。

学生活动:分组拆卸惯性玩具汽车，两人分工合作，螺丝逆时针拆卸后发现惯性玩具车上独特的惯性轮装置。从猜想到验证，惯性玩具车后轮轴上带动着的惯性齿轮终于被揭开了神秘面纱。

(二)探究和解释

“探究”是5E教学模式的中心环节，学生要针对特定的内容进行探究活动。在探究的过程中，学生是主体，教师的作用是引导和帮助学生阐明准确的概念并获得直接经验。 “解释”是5E教学模式的关键环节，在这个阶段，教师要鼓励并提醒学生根据已有的知识经验，针对探究过程和结果进行分析、推理，给出自己的解释。据此，设立教学过程的第二、第三环节。

第二环节:搭建飞轮车并探究影响惯性大小的因素。

阶段目标:学生通过动手搭建飞轮车，了解惯性玩具中惯性齿轮的原理从而获得直接经验，并探究影响惯性大小的因素。

学情分析:学生通过第一环节充分观察惯性玩具小车后轮轴上带动着的惯性齿轮，利用齿轮加速系统，成功搭出了飞轮结构。通过比较自己与他人的飞轮大小的不同，尝试使用不同的车轮或者更多的车轮组合来做他们的飞轮，发现大的重的飞轮可以使小车运行得更好，从而得出结论:影响惯性大小的因素只有重量一个因素，物体越重，它的惯性就越大。

设计意图:用乐高积木动手搭建飞轮车来验证之前的观点，形成一个 “提出观点→实践验证”的过程，这是探究的过程、实证的过程，学生在加深对惯性理解的同时，也经历和了解了科学探究的过程与方法，特别是使学生们通过亲身实践领悟 “一切科学发现与结论必须接受自然观察与科学实验的检验”这一以 “实证”为核心的科学认识论、方法论、价值观。这种探索性、互动性、趣味性强的教育方式，会有效地加深学生对知识点的理解，提升教育活动效果，成功吸引学生的注意力，提高学习效率。这种制作拼搭活动不仅是学生喜欢的学习方式，也是学生理解科学概念的重要经验支撑，给学生创设宽松、活泼的学习氛围，体现学生主体地位，提高学生的探究能力。

教学策略:

①让轻松愉快的氛围始终贯穿在活动全过程，既新奇有趣，又引人思考。

②深层次科学教育内涵不是通过说教灌输给学生，而是使学生通过实践亲身来体验和感悟。

③穿插视频播放这种吸引受众的趣味性情境，引出教学内容，引导学生思考、探究。

学生活动:继续仔细观察拆解后惯性玩具里面的惯性齿轮装置，分析得出观点 (很可能是不同的观点)并进行讨论。

教师活动:教师对学生讨论的观点不做评判，而是通过引导学生用乐高器材ST2201科学技术套装搭建飞轮车做进一步实验，以验证上述不同的观点。学生设计好飞轮车后引导学生通过实验与他人的设计方案及组装效果进行对比。

学生活动:通过对惯性玩具后轮轴上带动着的惯性齿轮的研究，自主设计搭建飞轮车。设计搭建完成后通过实验与他人设计方案及组装效果对比，发现自己设计方案的问题后修改设计与制作，再次实验，验证设计方案的可行性与制作效果。

教师活动:放映这样一些情节片段——动画片 《猫和老鼠》中汤姆飞奔而来时，脚被杰瑞扯的绳索绊住，而上半身在惯性的作用下继续往前扑；放映影片 《花木兰》中，花木兰被胖、瘦、矮三个士兵追捕，瘦士兵和矮士兵最先到达目的地而站稳，胖士兵最后跑来，发现前面两个士兵挡住了去路，于是立刻止住脚步，与此同时，他大腹便便的肚子却由于惯性作用而继续向前弹，弹出的形变如此之大以致将瘦士兵和矮士兵推出几米开外；放映 《赛车总动员》中，闪电麦奎飞奔超车，轮子作为整个车身的附属物，运动状态也在惯性作用下远远滞后，几乎掉落下来。引导学生对 “惯性”问题思考、探究。

学生活动:观看视频，思考问题 “为什么汤姆上半身继续向前扑?” “胖士兵的肚子为什么会向前弹?” “闪电麦奎的车轮为什么快要掉下来?”

教师活动:引导学生在搭建好的飞轮车上载一乐高小人，并且思考问题 “当小车快速行驶突遇物体阻挡而骤停时，车上乐高小人会怎么样?:

学生活动:学生做实验发现乐高小人会向前滑动甚至跌出车外。

教师活动:提出问题 (快速转动飞轮车车轮，然后用手让车轮停下，有什么感觉?)

学生活动:快速转动车轮然后用手让车轮停下发现车轮难以立刻停下。

教师活动:由上述这些问题引申出惯性，告诉学生惯性是物体的一种基本性质，而不是一种力。任何物体都有惯性。今天就是利用物体的惯性使小车运动起来 (飞轮结构)。

原理:利用齿轮加速系统来带动飞轮的高速旋转，这样当释放小车的时候，飞轮就会利用惯性原理带动小车前进。

教师:推动你们的小车，然后快速松开，观察小车如何运动?

学生:速度比较慢，但运行的比较远，运行的时间也比较长。

教师:这是什么原因?

学生:惯性。

教师活动:用胶带纸贴出一条起跑线，让学生搭建的飞轮车从同一起跑线出发，看谁的小车运行的比较远。

设计意图:用比赛的形式不仅吸引了学生的注意力使其深入理解科学内涵，更是 “实践验证”的过程，是体验和感受科学方法、科学精神、科学思想、科学态度、科学价值观的过程，是建立 “实践是检验真理唯一标准”的科学认识论、方法论、价值观的过程。

教师活动:提出问题 (为什么你们的小车运行的距离不一样?)引导学生仔细观察比较他们的飞轮大小有什么不同。引导孩子们尝试使用不同的车轮或者更多的车轮组合来做他们的飞轮。孩子们比较了不同大小的车轮后提问:“什么样的飞轮可以使小车运行得更好?”

学生活动:通过比较使用不同的车轮或者更多的车轮组合来做飞轮后发现，大的、重的飞轮可以使小车运行得更好。从而得出结论:影响惯性大小的因素只有质量一个因素，物体质量越大，它的惯性就越大。

教师活动:提出问题 (两个质量相差悬殊的同学，以相同的速度相向而行，相撞后会发生什么现象?)

学生活动:回答 (质量小的同学会被弹回，质量大的同学仍会向前运动)说明惯性的大小与物体的质量有关。

注意起始推小车的速度越快，小车运行的越远，但速度影响的是小车的动能，而不是惯性。动能知识点难掌握，酌情选择是否跟学生讲。但千万注意告诉孩子影响物体惯性大小的因素只有物体质量一个因素。且惯性不是力，是物体本身具有的一种性质。

教师活动:用木板搭建一个斜坡，让小车从斜坡上向下自由运行，让学生观察 “小车会怎样运行”。

学生活动:发现小车启动时速度较慢，有一个逐渐加速的过程；当小车到达平地上的时还可以继续运动一段距离。总结原因:小车在刚开始下坡时，由于要克服原有静止状态的惯性所以速度较慢；克服静止惯性后逐渐加速的过程也是一个能量储存的过程；在小车到达平地上的时候由于惯性还可以继续运动一段距离，这个过程是一个能量释放的过程，而且质量大的飞轮可以储存更多能量。

第三环节:做实验引出一切物体都具有惯性。

阶段目标:通过实验探究一切物体 (无论固体、液体还是气体)都具有惯性，无论物体做什么性质的运动 (“静止”也是一种运动状态)，都具有惯性。

学情分析:在该环节，学生很自然地就形成与伙伴之间的合作、交流，受众 (四至六年级学生)具备一定探究性学习的经验和自主学习的能力，但分析、解决问题的能力有限，适合采用引导式探究。通过教师的引导，针对需要完成的任务，学生所在的小组可以自发地设计实验方案、猜想、预判实验结果、交流讨论、验证，亲自动手去探究，最终获得了关于惯性的知识，是 “直接经验”。

设计意图:实验是学生的思维支撑点，通过实践的亲身经历来体验、感受关于惯性的知识，获得 “直接经验”。学生预判实验结果，设计实验验证，并和其他同学交流讨论，这一过程，既是判断、设计、发表、交流的过程，也是探究的过程，而且是 “实证”(实践是检验真理的唯一标准)的过程。在这一过程中，运用观察、实验等科学方法，培育学生 “实证”的科学思想、科学精神和科学的价值观。学生在自评、互评、教师评价的热烈情境中，不知不觉加深了对知识的理解。

教学策略:引导式探究——以布置的任务为导向，既为探究提供思路，又给学生留下独立思考和创新的空间，学生进行探究时，教师可从旁答疑；合作学习——小组分工协作，鼓励讨论和分享；引导学生设计实验、猜想、预判实验结果、交流讨论，通过实验探究对预判进行验证，从而得出结论获得 “直接经验”。

教师活动:(我们可以通俗地用物体有一种“习惯性”或叫 “惰性”来理解 “惯性”，就是说一切物体都有一种 “惰性”，这种 “惰性”的表现就是不愿意改变原来的运动状态，只要不受外力的作用，它就保持原来的运动状态。那么究竟哪些物体具有惯性呢?接下来我们利用给出的材料分组合作做几个小实验)将学生分为三组，布置探究任务，三个小组自选给定材料分别做实验探究固体、液体、气体是否具有惯性。

学生活动:学生以小组为单位设计实验方案，在实验开始之前发表对于设计方案的思考和对于效果的预判并进行讨论。

教师活动:学生发表方案、观点，进行预判和讨论时，教师不做评价，而是通过后来的体验、实验结果证明其方案、设想、观点、预判的对错，必要时还可进一步通过实验来验证其判断的对错。

学生活动:进行实验。

小组A:鸡蛋入杯，纸片和其上的鸡蛋原先都处于静止状态，纸片由于弹击由静止变为运动飞了出去，鸡蛋由于惯性仍保持原来的静止状态，故在原位置落入杯中。

学生总结:固体具有惯性，静止的物体具有惯性。

小组B:移动水杯实验，快速移动装满水的水杯，里面的水洒出。

学生总结:液体具有惯性，运动的物体具有惯性。

小组C:口吹纸筒实验。

学生总结:气体具有惯性。

教师活动:教师在这个时候需要观察、倾听学生各自的想法，帮助其整理出哪些是娱乐、哪些是科学，对于科学原则上的概念不能有丝毫的马虎，必须及时帮助学生发现问题所在，通过各种方法，引导学生在解决问题的过程中回到探究科学本质的道路上。

(三)迁移

“迁移”是让学生扩展自己的概念，教师可以结合生活实例，要求学生学会运用获取的知识或原理来解决新的问题。同时，通过解释具体现象和解决实际问题，进一步强化对新知识的理解和认识，拓展课堂内涵的深度和广度。据此，设计了第四、五、六环节:

第四环节:通过幻灯片适当练习各种惯性现象的描述。

阶段目标:通过幻灯片上几个惯性现象的描述，学会解释生活中各种惯性现象。

学情分析:通过前几个环节的学习和探究，大部分学生能对幻灯片中的惯性现象作出正确的描述。

设计意图:使学生通过对惯性现象的分析，加深对惯性知识的理解和掌握，知识得到了巩固和迁移，并且培养学生抽象与概括能力。同时，教师也能评测学生对惯性知识点的掌握情况。

教学策略:以提问、点评的方式引导学生，对学生描述的不足之处进行补充解释。

教师活动:打开幻灯片，引导孩子们描述图片上的惯性现象。幻灯片内容为:纸飞机离开手以后还会继续飞行，这是为什么?把锤柄在固定的物体上撞几下，锤头就牢牢地套在锤柄上了，为什么?跳远时利用助跑，使自己跳的更远，为什么?

学生活动:对幻灯片上几个惯性现象进行描述。

第五环节:学生列举生活中的惯性现象，并加以交流分析。

阶段目标:知识迁移，尝试运用所学知识列举出生活中的惯性现象

学情分析:通过前面的学习，学生很容易地列举出了生活中常见的惯性现象。在表演阶段，学生具有非常强的表演欲望，表演很形象、生动、到位，其他学生也很开心看到精彩的表演。该实验前半段应该说非常成功，汽车启动和刹车时候，车内乘客的各种姿态变化也表演的很到位，学生对于此惯性现象的描述也挺具体。但后半段关于汽车转弯的各种姿态变化描述却有待进一步完善。对于刚接触惯性的学生而言，解释这么复杂的变化还稍显牵强，如果换成悬挂的小球运动方向的变化可能会更好。

设计意图:知识的巩固与迁移，能够利用所学知识列举出现实生活中的惯性现象。将惯性这个抽象的知识用精彩的节目形式展现给学生，既吸引了学生的注意力，又通俗易懂。对于接受能力快的学生来说，表演给他们提供了一个展示自己的舞台，使其体验到成功的喜悦。对于接受能力慢的学生来说，则可借此机会向别人请教，最终获得探究的成功，并且说明惯性现象的利用和带来的危害，让学生学会辩证地看待问题并培养学生的语言表达能力。

教学策略:对于这一环节，要特别重视，因为这一过程需要学生分析、想象、设计、创造，这是发展学生能力的关键环节，要给学生充分考虑的时间。

教师活动:引导学生列举生活中的惯性现象。

学生A:拍衣服上的灰尘。

学生概括:灰尘原先和衣服一起处于静止状态，衣服在拍击之下而运动，而灰尘由于惯性依然保持原先的静止状态，故能从衣服上飘下来。

学生B:刹车后车轮停止转动，汽车还要滑行一段距离。

学生概括:汽车原先处于运动状态，车轮由于刹车而停止转动，但汽车由于惯性仍然保持原有的运动状态，故还要滑行一段距离。

学生C:表演运动着的人受到阻碍而摔倒的现象。

学生很容易概括出来:运动着的人的脚由于受到其他同学的阻碍而静止，但上身仍然保持着原先的运动状态，故导致不平衡而摔倒。

学生D:表演列车启动、刹车、转弯时乘客的各种姿态变化。

教师活动:引伸提示，惯性现象是把双刃剑，有利也有弊，是造成很多交通事故的原因，人们应该想办法兴利避害。

第六环节:活动后迁移——作业设计。

阶段目标:了解在高速公路上的安全保护并写一份倡议书。

设计意图:使学生学以致用，并对学生进行安全教育，教育学生珍爱生命、热爱生活，同时也锻炼了学生的表达和写作能力。

了解在高速公路上的安全保护，并用所学的惯性知识进行解释。

②写倡议书——据报道，由于交通事故而死亡已是我国人员死亡的主要原因之一，为了减少交通事故的发生，如果你是汽车司机或乘客你该怎样做?如果你是行人你又该怎样做?请学生以交通民警的身份结合今天所学的惯性知识发出倡议:倡议大家文明行车，文明行走，构建一个有序、文明、和谐的交通环境。

(四)评价

“评价”不是一个特定的阶段，而是贯穿整个教学过程，可以用正式和非正式的方法评价学生对新知识的理解及应用能力，[3]不仅有以教师为主体的测评，还要有学生自评、互评，以及家长对学生的测评。还可以通过形成性评测和总结性评测的方式进行，做到主体多元、方式多样。在整个案例的教学过程中，教师应及时观察学生在课堂中的表现，在完成总结时，可以通过问答的形式评估学生的学习效果。各种形式的测评相互补充才能较为全面地评估学生的学习质量。“评价”是5E模式的总结环节。这一阶段也为教师提供机会了解学生的探究效果，从而了解教学目标的达成情况。

六、实施情况与效果评估

本课程实现了 “寓教于乐”，引入5E教学模式进行了简单的探究式学习，针对创意工作室乐高飞轮车课程所引出的惯性的知识点，查找有关的实验与游戏，选取现象明显、有探究成分的实验进行改造，形成了本堂课所用的实验和游戏。每个实验与游戏都引导参与者自己动手，自主建构有关知识。通过拼玩乐高飞轮车和一系列小实验，让学生概括出一切物体都具有惯性，能用所学知识解释现象，并了解其在生活方面的应用。通过本次教育活动使惯性知识具体化、形象化，为学生感知、理解和记忆惯性知识点创造条件，并能促使学生将具体感知与抽象思维相结合，减少学生掌握抽象概念的困难，帮助其形成明确的概念，发展其探究能力和思维能力，提高学生的学习兴趣和积极性，课堂效果理想。在本课的重难点突破中，选择以学生为主体，让学生以丰富的节目形式来展现其在课堂中的所得，学生的表演欲望和表演才能是关键的所在。教师应立足于如何引导学生将理论知识与实际生活相联系，并适时进行点拨，要求学生课后要多观察，把生活带入课堂，再把学到的知识带入社会中。

七、结语

科技馆科学探究活动的开发和设计较之学校教育更具开放性和挑战性，更需要巧妙地运用现代科学的教育理论为指导和支撑，引进5E教学模式设计教育项目，鼓励学生在既定的情境或创设的情境中进行科学研究，并对探究的过程、结果进行解释、阐述、延伸等，形成新的知识、技能和经验。这与科技馆教育为观众营造探究式学习的情境，使其获得直接经验的特征以及培育科学精神、启迪科学思维、培养科学方法的目的极为吻合，值得在科技馆科学探究活动开发中借鉴使用。因此，科技馆应该充分发挥这些先进教育理念的内涵，培养具有科学精神和科学素养的新一代。