基于“5E”探究模式的生活化教学——以初中物理“杠杆”教学为例

蔡田怡

(苏州大学物理科学与技术学院,江苏 苏州 215006)

周光召先生在给《科学教育的原则和大概念》一书中作序道:“科学教育不应该传授给孩子支离破碎、脱离生活的抽象理论和事实,而是应当慎重选择一些重要的科学观念,用恰当、生动的方法,帮助孩子们建立一个完整的对世界的理解.”但是,学生在学习物理概念之前,头脑里并非一片空白,而是已经存在许多能解释自然世界的概念.这些概念中与科学概念不一致的概念就是所谓的“迷思概念”(Misconception).[1]迷思概念的形成可能与学生日常生活经验有关,也可能由消极的思维定势造成,或起源于原有概念认识的局限性,或由物理名词理解错误所导致等.它具有自发性、广泛性、隐蔽性和顽固性等特征.学生迷思概念的转变很难一蹴而就,这是一个从肤浅到深刻、从表象到本质的过程,然而传统教学方式却对之收效不大.

根据建构主义倡导的教学理论,科学教学需要以学生原有的概念为基础,帮助学生实现从迷思概念到科学概念的转变.[2]概念转变就是一个解构原有概念建立新概念的过程.“5E”探究教学模式更加注重概念转变过程中新概念的建构.它是美国生物学课程研究(BSCS,1989)开发的一种基于建构主义理论和概念转变理论的模式,有5个环节构成,分别是:吸引(Engagement);探究(Exploration);解释(Explanation);迁移(Elaboration);评价(Evaluation).[3]“5E”教学模式的吸引阶段开始于学生迷思概念的认知冲突情境;探究阶段建立在学生认知冲突的基础之上;解释阶段是学生对新概念的重新建构的过程;迁移阶段是学生将新概念与原有经验或其他概念建立联系的过程;而评价贯穿在所有环节之中.为了帮助学生从迷思概念转变至科学概念,笔者提出基于“5E”探究教学模式开展生活化的物理教学,本文以苏教版初中物理教材的“杠杆”为例,对这一重要问题进行探讨.

1 “5E”探究教学模式各环节的“生活化”

1.1 生活化的“吸引”环节

为了在教学伊始就迅速抓住学生的注意力,教师可以生活化“吸引”环节.“吸引”环节的第一个目的,是激发学生足够的兴趣进入新知识点的学习.因此教师可以对书本内容进行“二次创作”,把生活带进课堂充实教学内容,让学生在重温生活经验中体会物理的奇妙之处.例如学习杠杆一节时,请学生带着指甲刀、剪刀、核桃夹等家用小型工具进入课堂,体验简单机械的便利,深入体会简单机械对人们生产生活的重要性,“吸引”学生进行“杠杆”一节的学习.“吸引”环节的另一个目的是建立学生迷思概念的认知冲突情境.教师可以进行演示实验“托盘天平”,或者展示要求学生提前拍摄好的玩跷跷板微视频,对杠杆的不同状态进行提问,尤其是“什么是杠杆的平衡条件”,引起学生的认知冲突.通过这样来自于生活中的实例,既培养学生的观察能力、独立思考问题的能力,又吸引学生快速地进行新知识点的学习.

1.2 创设生活化的问题情境,引导学生“探究”

问题设置是最有效启发学生思考的方式之一.在课堂教学中,教师可以引导学生发现某些基于现实的问题、然后一起分析、解决问题．新课导入时,教师可以巧用贴近生活实践的提问逐步引导学生对物理问题进行探究.例如,在帮助学生归纳出“机械是提供方便的工具”结论后,可以： (1) 给学生提供几个生活中的实例:用木棒撬动巨石;游乐园里小朋友玩跷跷板;在池塘边用钓竿钓鱼.(2) 让学生分析找出这些工具的共同点.(3) 帮助学生归纳出杠杆的概念,即杠杆是在力的作用下能绕固定点转动的硬棒.(4) 要求学生根据杠杆的概念,举出生活中其他杠杆的实例.这样的“探究”过程不仅训练学生从复杂多变的生活工具中抽象出杠杆的模型,培养学生抽象思维的能力,还对学生构建简单模型的物理思维进行训练,先通过多个实例得到物理模型的归纳过程训练学生的聚合思维,再通过举例训练发散思维．

1.3 加强课堂生活感,帮助学生在解释阶段转换学习思维

在“解释”阶段,教师要设法构建生活与课堂的联系.这需要教师在教学中积极建立物理与生活的联系,增强学生在课堂中的生活体验感,重新认识自己生活中熟悉的事物,构建属于物理学范围的新认知.例如,学生已经认识到选择羊角锤拔钉子最省力的生活常识,在课堂上,教师可举此例标出杠杆的“五要素”,学生在以后的生活实践中,就会顺其自然地将这些省力的生活小工具与杠杆联系起来,形成对生活常识的再认识.另外,教师还可以从学生不是很了解的生活经验处着手,增强他们的新奇感,促使他们将课堂知识应用于生活,增强学习的满足感以及成就感,比如绿化工人的修枝剪和理发师的理发剪在生活中都为人们带来方便,通常会认为这些属于同种杠杆,但在学习过杠杆“五要素”和杠杆的分类之后,学生就会在课堂上认识到这实际属于两种不同类型的杠杆,修枝剪是动力臂大于阻力臂的省力杠杆,而理发剪是动力臂小于阻力臂的费力杠杆,从而让学生增强对生活现象的认识.

1.4 利用生活化的物理实验,降低“迁移”难度

作为一门以实验为基础的自然学科,物理教学过程中一定少不了物理实验的参与.就地取材,做生活化的物理实验,不仅可以减小学生生活与物理实验之间的距离,消除学生对物理知识的惧怕感,提高学习物理的兴趣,还锻炼学生在生活现象中发现物理现象,并利用生活素材开展物理实验的意识和能力,培养探究与创新精神.教师可以生活化地“改造”学生实验,引导学生用生活实际合理设计实验.例如在引导学生掌握作用力和力臂间此消彼长的关系时,可以请学生在教室里做“推门”的简单实验,在垂直于门轴的一条直线上,请学生在不同的位置将门推开至同样的角度,感受不同位置时施加作用力的大小.教师还可以将实验教学直接生活化.例如,在杠杆教学中,教师可以突破传统的实验教学模式,既不讲解,也不用将学生带领到实验室中.相反教师组织学生进行跑步比赛,让学生在跑步比赛中思考赢得比赛、跑得轻松的关键因素,经过对跑步姿势的不断调整,学生逐步认识到在跑步中腰、膝和脚部形成多个杠杆,并组织学生讨论如何使用身体中的杠杆才能更好地保护身体.

1.5 评价阶段的生活化

在“5E”探究教学模式的每个环节都可以进行评价.这里仅以课堂总结为例,说明如何生活化地评价教学成果.教师可以通过课堂总结获得学生反馈,检验本节课教学效果是否达到预期,从而对以后的教学方式和内容做出调整.很多教师已经习惯询问式总结,例如:“通过这堂课的学习,同学们有哪些收获?”或者结构图梳理式总结,巩固本节课的教学成果.这种传统的总结方式虽然在巩固知识和反馈教学效果上是有效的.但是还不能完全满足学生物理素养发展的需求,教师可以对课堂总结进行生活化的改进,用学生感兴趣的生活话题进行总结.例如在“杠杆”教学中,教师可以用阿基米德的名言:“只要给我一个支点,我可以撬起整个地球”进行总结,让学生利用杠杆的知识开展一场小小的辩论会,每位学生都做做正方、反方,通过辩论清晰地理解这句话为什么是有道理的,又在哪里是荒诞的、无法实现的.

2 以生活化课堂为载体进行“5E”探究教学

即使教师已经知晓将生活元素引入到“5E”探究教学模式的各个环节,能够降低学生学习的难度,但是在实际教学实践过程中还是碰到一些困难,主要表现为难以找到合适的载体进行“5E”探究教学.已知的两种教学模式均可为教师提供借鉴.一是任务驱动教学,它以建构主义理论为基础,主张将教学内容隐含在一个或几个代表性的任务中完成教学活动.[4]另一种是PBL(Problem-based learning)教学,它是以问题为导向、围绕问题组织教学内容的教学方法.[5]两种教学方法的共同特征是导向性和情景性,都是基于情景引导学生完成学习任务.区别在于任务驱动教学更倾向于情景性,而PBL教学的导向性更为强烈.在“5E”探究模式中,可将任务驱动和PBL教学方式整合,以典型任务或情景的形式把“5E”教学模式各环节展现出来,以问题的形式完成各环节的衔接过渡,以典型任务的完成情况作为各环节的评价.

笔者继续以“杠杆”教学为例,说明如何设计6个由浅入深的生活化任务,填充“5E”探究教学模式各环节,以达到“应用‘杠杆’模型分析实际生活和工业生产中的杠杆”的教学目标.

吸引阶段:依托学生的生活常识设计任务,创造迷思概念的认知冲突情境.

任务1.请学生在课堂上观察、使用自己从家中带来的剪刀、指甲钳和核桃夹等小型工具;教师展示“跷跷板”或者“托盘天平”实物、图片或者视频,引导学生观察天平的不同状态.此任务从学生生活中熟悉的杠杆实例入手,让学生体验生活中使用工具的便利,带领学生归纳机械的特点;对跷跷板的两种状态进行提问,带领学生回忆“支点、用力点和阻力点”等旧知识,引起学生的认知冲突,使学生重新认识杠杆平衡的概念.

任务2.利用图片、视频等展示3种杠杆:小朋友在公园里玩的跷跷板、用木棒撬动石块、钓鱼的钓竿,请学生找出这3种工具的共同点.此任务从生活中的杠杆出发,在充分了解其基本结构的基础上,通过分析比较找出几种杠杆的共同点,从而得到杠杆的概念.

探究阶段:设计任务着重体现科学探究的本质精神,充分调动学生动手、动脑的积极性,督促学生形成严谨的科学态度.

任务3.利用教室门,请学生做“推门”的小实验,改变推力作用点的位置和推力的方向,感受省力或费力,并自行设计表格记录实验结果.此任务让学生重温生活经验,初步意识到力的大小和两点(支点和力的作用点)距离、力的方向有关,让学生感悟生活中的小细节也隐藏着科学中的大道理.

图1 实验装置图

任务4.进一步探究“怎样用最小的力撬动大石块”．在任务3的基础上,提供竹筷、钩码和弹簧秤做图1所示的探究实验.利用竹筷探究作用力的大小和两点距离、力的方向的关系，并将数据记录在表1中.此任务的设计目的是鼓励学生在自觉发现问题基础上设法进行自我探究,认识到杠杆的作用效果和与力的大小、“支点到动力作用线的垂直距离”(动力臂)和“支点到阻力作用线的垂直距离”(阻力臂)有关,并可鼓励学生课后继续完成C点、D点的实验,记录数据并比较.

表1 实验数据记录表

解释阶段:设计任务为学生搭建新知识与旧知识间联系平台.

任务5.标出杠杆的五要素,解释“杠杆”模型．让学生练习画出任务2各杠杆的五要素,并由此解释各杠杆的功能,与已有生活经验相对照.此任务让学生运用新结论来处理与旧经验存在矛盾的问题.此过程中,学生不仅能澄清迷思概念,即力臂并不是两点(支点和力的作用点)间的距离,也可能因为得到不同的结论引发激烈的讨论.加深了学生对新概念的理解,更培养了学生的科学质疑精神.

迁移阶段:提供学生利用新知识解决新问题的机会.

任务6.应用杠杆模型分析学生带来的剪刀、指甲刀和核桃夹等杠杆组合.此任务将杠杆平衡的知识再次与生活结合,让学生体会到科学知识源于生活又回归生活的道理.同时引导学生利用科学知识解释生活现象,体现了STS(科学—技术—社会)教育的思想.

本文以初中物理“杠杆”教学为例,提出基于“5E”探究教学模式进行生活化教学的策略.教师对课堂教学设计进行生活化的二次创作,针对教学重点和难点,设计生活化的任务和情境,开展“5E”探究教学,引导学生从迷思概念到科学概念的转变,使学生在吸引—探究—解释—迁移过程中,物理核心素养得到培养,理解科学和技术结合的社会意义.