基于核心素养视角的5-E教学模式运用

陈宇

[摘 要]  基于核心素养视角的“5-E”教学模式，以学生为主体，注重科学思维的培养和科学探究的体验，在循序渐进构建正确物理观念的同时，培养了学生的正确的科学态度和责任感。

[關键词] 高中物理;5-E教学模式;核心素养

从2014年教育部印发《关于全面深化课程改革落实立德树人根本任务的意见》 到2016年9月《中国学生发展核心素养》发布，再到从2016年12月《普通高中物理课程标准（2017）》颁布，新一轮物理课程改革的大幕徐徐拉开，如何有效培养学科核心素养进而支撑公民核心素养的发展，成为寻找物理课堂教学有效运作模式的“源动力”。

一、“5-E”教学模式贴合新课程理念

基于“立德树人”理念的高中物理核心素养培养强调，教师在课堂教学时应围绕核心概念展开教学、提供机会让学生亲历科学探究过程、创设真实问题情境培养学生科学思维、促使学生正确物理观念的形成和严谨科学态度的养成。

而在众多的现代科学教育理论中，“5-E”教学模式基于建构、注重生本，能较好地贴合新课程培养学科核心素养的理念。该模式由吸引（Engage）、探究（Explore）、解释（Explain）、精致（Elaborate）以及评价（Evaluate）5个环节构成，环环相扣、缺一不可。“吸引”是“5-E”教学模式的起始环节。由教学目标和课程内容出发，通过创设真实的问题情境引起认知冲突，激发学生对学习任务的兴趣，激发学生主动探究、建构的欲望;“探究”作为“5-E”教学模式的核心环节，要求教师在已生成的认知冲突的基础上，提供必要的平台或辅助，引导学生针对特定内容进行探究。本环节以学生探究为主，教师只需进行适当引导并把握探究的进程;“解释”是“5-E”教学模式的关键环节，教师需引导学生对探究结果进行阐述，让学生充分展示其对概念、规律的理解或对技能的掌握，最终对探究结果进行综合分析;“精致”是“解释”的延伸环节，是在学生已经建立了新概念的基础上进行的，教师在这一环节可以利用新的经历或体验挑战学生对已形成的概念的认知程度，也可以进一步深化、迁移，进而使学生加深对概念的内涵和外延的理解;“评价”是“5-E”教学模式的结尾环节，教师通过测验或提问的方式，引领学生对整个教学活动进行反思和评估。不但为教师提供评估教学效果、促进教学能力的提升的机会，也有利于学生培养交流沟通能力、反刍自己的认知思路和探究方法、体验探究的艰辛与快乐。

现以高中物理人教版选修3-4“简谐运动”一节教学为例，管窥“5-E”教学模式在培养学科核心素养方面的实践运用。

二、“简谐运动”教学案例及分析

（一）教材分析与目标设定

振动是自然界最基础的运动之一，在力学、声学、电学、生物工程和自控等领域都占有重要的地位，简谐运动模型的建立，对学生后续振动与波动模块的学习有着重要的意义。最新的人教版高中物理教材中，“简谐运动”延续了之前2013版的教学逻辑顺序，从运动学视角出发，通过弹簧振子的振动位移和时间关系图像建构对简谐运动的基本认知，本节课的教学重心自然就放在了弹簧振子的位移时间图像的描绘及验证上。基于此，本课的教学目标设定为：①了解机械振动、认识弹簧振子;②学会运用图像法研究弹簧振子的运动规律;③建立简谐运动模型，学会验证物体是否做简谐运动。

（二）教学流程设计

1.吸引环节——创设情境、提出问题

活动一：观察树枝的摇摆、秋千的摆动、气垫式弹簧振子的振动，引导学生得出共同特点：绕平衡位置往复运动，进而得出机械振动的概念。

活动二：回顾已学过的运动类型（如自由落体运动、匀速圆周运动等）的运动学特点。对比机械振动形成认知冲突，使学生激起学习兴趣的同时感受探究的难度。

活动三：认识弹簧振子模型

设置问题串：“物理学中复杂的问题应如何研究？”“三种现象中，哪种最容易研究？为什么？”“还有哪些影响因素？还能不能进一步简化？”。逐步引导学生从因繁就简的认知规律出发，结合“抓主要因素”的思想方法，建立弹簧振子这一理想化模型：将小球安装在轻弹簧一端，另一端固定，小球穿过光滑杆自由滑动。再用动画模拟强调平衡位置和其运动往复性、对称性。介绍气垫导轨式弹簧振子的实验可靠性为后续探究环节做好准备。

2.探究环节——设计实验、验证猜想

活动一：描绘弹簧振子的运动图像

师：描述某一种运动的规律，往往有哪些方法？（比如自由落体运动）

生：（思考讨论）文字描述、公式法以及图像法

师：今天我们先从弹簧振子的运动图像中寻找其规律，大家觉得选择哪种图像最容易描绘？需要记录哪些物理量？

生：（讨论）位移-时间图像;需要记录位移和对应的时间。

师：位移的定义？弹簧振子的初末位置选择？（可从对称性角度引导）

生：初位置应选在平衡位置处，末位置就是振子某时刻所处的位置。

师：位移的方向如何记录？

生：可以以平衡位置为原点建立一维坐标，用正负号表示位移方向。

师：位移的问题解决了，但与位移对应的时间怎么办？（演示振动）

生：（思考）振子运动太快了，时间很难观察。

针对如何在有限实验条件下记录振子的位移与对应的时间，学生展开分组讨论确定了以下两种探究方案：

方案一：从自由落体运动的探究手段得到启发，利用频闪照相技术完成实验。

（1）利用三脚架固定智能手机，利用其连拍功能（快门统一设置为1/20秒）拍摄一组吹气式弹簧振子的振动照片;

（2）按顺序在表格中记录照片中振子的位移和对应时刻;

（3）利用坐标纸描绘弹簧振子的位移时间图像。

方案二：从时钟指针匀速转动表示时间得到启发，利用空间位置变化与时间的成固定比例完成实验。

（1）在气垫式弹簧振子上加装滴墨装置;

（2）在传送带上平铺白紙，利用电机匀速转动带动白纸垂直振动方向运动，打开滴墨开关在白纸上留下墨迹;

（3）利用墨迹和电机铭牌标记的传动速度描绘振子的位移时间图像。

教师展示两种方案的典型作品，针对如横纵轴物理量单位、数据有效性和描图技巧进行互评，注重实验素养养成。

活动二：探究弹簧振子的位移时间图像与正弦函数图像的关系

师：活动一得到的图像能看出弹簧振子的运动图像有何特点？

生：（猜想）弹簧振子位移时间图像的函数特征——正弦函数曲线。

师：回忆所学过的数学知识，设计方案验证猜想。

学生经过分组讨论，基本采用以下两种方案进行验证。

方案一：选取曲线上的某些特殊时刻（横坐标）振子的位移（纵坐标）与最大位移值对比，看是否符合正弦函数规律。比如1/12、5/12、7/12、11/12波形处位移大小是否为最大值的1/2，以此类推……

方案二：量取一完整波形对应的时长（设为T）和最大位移值（设为A），将曲线函数形式假设为X=Asin（2πt/T），再选取任意时刻代入公式算出对应位移理论值，将理论值与曲线上的实际值进行比对……

教师在充分肯定学生的方案的基础上提出方案三、四，展示现代技术在物理实验中的应用，拓展思维开阔眼界。

方案三：将照片上传至电脑，利用photoshop软件中的自动批处理功能采集有弹簧振子的“照片条”后插入空白Word文档（图1），再利用Word文档的加载项绘制出正弦函数图像，与振动图像进行拟合比较（图2）……

方案四：利用位移传感器（图3）捕捉振子振动过程的位移变化再自动生成位移时间图像（图4），并利用正弦函数进行拟合比对显示误差。

3.解释环节——归纳总结、构建模型

引导学生辩证地认识实验方案中的产生的误差并鼓励他们用自己的话阐述探究环节所得到的“结论”：理想状态下，弹簧振子的振动位移随时间变化的关系图像呈现正弦曲线的特征。教师趁热打铁抛出简谐运动的定义：如果质点的位移与时间的关系遵从正弦函数规律，这样的振动叫作简谐运动。简谐运动的典型例子就是弹簧振子的振动。

4.精致环节——迁移拓展、知能并进

师：我们已经知道了如何用图像来定义简谐运动，能否活学活用？

教师展示摆球的小幅摆动，请学生分析其摆动是否属于简谐运动。通过设置有效情境，检验学生运用前科学概念解释陌生问题的能力，并通过“反刍”加深对科学探究过程逻辑顺序的理解。

师：我们不单要在课堂探究方案的设计上展现智慧与创新精神，还要敢于将课堂上的知识和思维方法运用于生活当中。

教师展示心电图仪和地震记录仪的工作过程，并请学生分析它们的工作原理，进一步深化对利用空间位置变化体现时间进程这一重要物理思想的理解，并明白“物理源于生活并应用于生活”，提升社会参与意识。

5.评价环节——自我修正、评估效果

评价的目的在于激发学生的反思、推动学生不断修正自我。基于此，评价环节并不局限于课堂最后，比如在问答环节、探究环节、迁移应用环节都可以适时鼓励学生自评和互评。当然，为了评估课堂教学效果也可以通过书面方式检测学生对所学概念的理解程度。譬如给出某质点的振动图像，请学生回答以下问题：（1）质点相对平衡位置的位移方向在哪些时段内与瞬时速度方向相同？哪些时段相反？（2）质点在第n秒位移是多少？（3）质点在前n秒内走过的路程是多少？

三、运用“5-E”教学模式的反思与展望

运用“5-E”教学模式进行简谐运动教学达成以下效果：

（一）践行课程改革以生为本的理念

与传统的教学模式不同，在本节课的各个教学环节中学生始终是课堂行为的主体，教师从旁协调只是为了让学生更好地通过探究获取科学知识。在知识的获取过程中，学生经历了认知冲突、科学猜想、实验探究、生成概念、迁移应用的科学建构过程，并在建构过程中实现或体验了观察、倾听、思考、操作、归纳、质疑、合作等多重技能和能力的锻炼。

（二）实现物理学科核心素养的培养

本节课通过小球的振动创设感兴趣的问题情境，引导学生运用已有的概念和规律恰当选用基本的实验器材设计实验方案、探究常见的振动现象;通过不同的方式分析数据得到结论，建构简谐运动模型，认识到物理研究的本质是对自然现象的抽象;有效运用简谐运动模型分析问题，对心电图、地震仪等相关现象做出解释;在探究过程中合作学习、实事求是，并能恰当使用推理结果和实验证据说明自己的观点，质疑他人的观点;在学习过程中学生认识到理想化模型是复杂问题简单化的切入口、掌握了研究运动最常用的方法——图像法，还意识到猜想和验证是科学探究的必经之路，有效地培养了科学思维。

实践证明，基于核心素养视角的“5-E”教学模式以学生为主体，激发学习兴趣、注重科学思维的培养和科学探究的体验，在循序渐进构建正确物理观念的同时，培养了学生正确的科学态度和责任感。可以展望，运用“5-E”教学模式进行课堂教学实践，将是培养中国学生物理学科核心素养的一条有效途径。

[参 考 文 献]

[1]吴成军，张敏.美国生物学“5E”教学模式的内涵、实例及其本质特征[J].课程·教材·教法，2010（6）.

[2]王惠娥，陈欣.基于5E教学模式的重要概念教学实践与探索[J].福建基础教育研究，2018（2）.

[3]陶杨娟.5E教学模式应用于高中生物核心概念的教学——以“DNA复制”为例[J].中学生物学，2017（12）.

（责任编辑：张华伟）