基于5E教学模式的活动设计——以中国铁道博物馆“火车车轮踏面”教育活动为例

杜 媛

（北京市中国铁道博物馆，北京 100055）

一、5E教学模式的概念、要素及其运用

5E 教学模式，一般被称作5E学习闭环，囊括了在认知产生时，五项和教育有关的认知阶段：投入（Engagement）、 探索（Exploration）、释义（Explanation）、拓展（Extension）、反馈（Evaluation）。美国生物学课程研究会在教学研讨中提出了该教学模式，此模式的总结建立在教育理论中建构主义理论的基础支持，该模式聚焦于研究怎样的教育实践能吸引学生投入教育活动之中。模式突出以教育对象为教学现场核心，使用包括调研、观察、探索等教学问题处理方法，鼓励尝试以教育对象团队合作为教育突破点，鼓励学生团队用实践认知科学理论，架构和完形整个科学知识框架。5E教学模式引导下的教育过程不再是僵化说教，而是在教育现场中实现教学合作，达成知识的积极架构。教育者不再仅仅是科学的传播者，教育对象经过投入探索实践的完整过程，而整体投入教学现场，将需认知的科学知识、模式操作和知识体系的整体把握，以求整合产生不同以往的认知体系。

二、中国铁道博物馆教育的特征、形式及现状

中国铁道博物馆是当前国内铁路业独有的高级别专项博物馆, 博物馆具备有汇总、整理和展出近百年以来我国铁路系统的发展史、探索史和铁路科技史。中国铁路博物馆包含了多个展览版块，有“中国铁路发展史陈列”“机车车辆陈列”“詹天佑生平展”等聚焦于中国铁路不同方面的日常展示项目, 完整、体系化和有趣地说明了我国铁路从学习国外到自创自主、由一贫如洗到科技发达的奋斗过程和辉煌成就, 为大众进行了铁路有关科学知识的宣传，并展示我国铁路奋斗历史概况与火车动力科技革新的历程, 从而传播我国特有的人民大众铁路文化并启迪了参观者群体精神情怀 (如热爱祖国、自尊自强，奋斗前进等) 。博物馆凭借布置场馆中陈设的大量而特有的火车事物与历史资源,可以谋划开展更多有趣互动的火车主题科普项目, 主动体现博物馆应承担的社会教育作用。例如,博物馆使用搜集、汇总而成的机车模型与科学原理讲解,让博物馆可以接待初高中生而特意谋划推出了“铁路背后的科学”系列火车动力实验项目和匹配的科学实践材料包。该活动把“躲在背后”的铁路动力知识与机车整体推动方式、动力特点、物理指导和安全常识合为整体,互动项目鼓励观众自己动手操作、观察体验、探究学习，具备突出的互动性、实践性及传播性, 实实在在地践行了5E教学模式中突出的学生主体、互动沟通、实践认知的教育理念。

三、中国铁道博物馆科普互动教学中亟待解决的问题

（一）中国铁道博物馆学生科普互动项目仍需提高

中国铁道博物馆科普探索互动项目虽然经历了多次调整，但依旧是以课堂授课方式为主的传统科普方式陈列。科普教师重视火车机械结构，扩大物理知识和火车历史的讲解，以此突出铁道博物馆的专业性；学生热衷于参与各种互动活动项目，走马观花，浅尝辄止，仅仅提高了学生对科普活动的参与度。虽然科普探索互动项目确实以学生为主题，提高了学生整体参与科普探索程度，但是科普探索互动项目作为科学认知工具，没有突出互动实践应用能力，并且火车动力原理认知也没有提高。当学生走出铁道博物馆，仍感到火车各类技术的陌生感。因此，博物馆学生科普探索互动场景的教学应用能力有待提高。

（二）中国铁道博物馆科普互动教学形式单一

中国铁道博物馆的科普互动教学基本以说教为主。在课堂上，科普教师向学生提示火车中的物理与机械知识，讲解各个知识点及其联系，教学中互动较少。在实际科普教学过程中，往往会发现学生都埋头记笔记，科普教师提问很少有学生主动应答，需要点名问答，有时甚至对提出的问题置若罔闻。为了让课程继续开展，科普教师有时只能自问自答。此外，科普探索教育作为博物馆的特定社会功能，其互动教学形式本身就应多种多样，渗透在整个参观学习过程中，只有广泛地使用新教育理念才能最大限度地提高博物馆科普作用。

四、博物馆采用5E教学模式的意义

（一）培养学习兴趣，树立探究意识

在博物馆内科普互动教学设计运用5E教学模式，就是将科普教育视为一种特定教育环境中的教育者与教育对象之间交流互动场景。博物馆教育需要关注科普教师与学生之间互动、学生小组内互动以及学生与馆内陈设互动教学装置的互动。在各类互动中，博物馆科普教师通过各类科普互动将装置与馆内陈设版块融为一体，增进了科普教育的参与度，充分体现科普探索学习的目的在于知识传递、操作实践和科学理念掌握，而不是应付考试开展学习。同时，5E教学模式运用到博物馆科普互动项目设置指导之中，增加了学生在互动学习中的探索指导。科普教师可以根据特定学生心理特征展开科普项目安排，为学生准备有针对性的互动素材，鼓励学生以小组方式投入互动科普活动中，学习火车有关的物理与机械知识。

（二）顺应时代要求，拓展科普功能

借助移动互联网技术的广泛使用，博物馆线上展示技术变得成熟，数字信息技术使用推动了博物馆互动项目传统安排模式的变革。5E教学模式融入博物馆科普互动项目，使科普互动项目安排相较于过去说教的教学模式更适应新时代的要求。在互联网应用的帮助下，科普教师和学生之间互动、学生小组内的互动变得更容易实现，而且实现的5E教学模式在博物馆内落实的方式也可以多元化，这将使得馆内科普教学变为一种良性的互动循环，真正实现以学生学习为中心的科普教育目标。在网络博物馆展示条件下，可以使用5E教学模式与科普互动项目展示设计联系，科普教师与学生一起在网络虚拟展厅中互动，观察实验现象，彻底打破时间空间局限，充分体现互动教学的时代性。

（三）提升互动能力，培养创新意识

5E教学模式在实际教学中，博物馆开展科普教育的能力自然而然得到提高。在一个碰撞教育过程中，博物馆科普教育也可以扭转课堂教育的惯性思维，进而支持学生们在实践操作中独立思考，碰撞产生的火花将激发学生创新灵感，培养学生的创新意识。在教授活动动力系统革新时，通过互动装置的引导，学生将逐渐理解掌握火车动力不但可以有数量上的变化，还可以有动力能源方式的变化，或者有动力管理方式的变化，加深学生对火车动力提供的理解与认知。

五、科学探究活动的开发设计

中国铁道博物馆引入5E教学模式，依托“车轮踏面”展项，选定高中学生为对象，开发设计了“火车车轮踏面” 特定科普互动项目。

（一）投入（Engagement）

引导学生投入科普互动项目实践中。博物馆管理员和科普员运用馆内新布置的活动器具和动力模型吸引学生关注到准备好的互动项目之中，然后由引导员或科普教师向学生介绍装置的使用方式，安排学生以小组的形式投入互动任务之中，引领学生把自身注意力投入事先准备好的教学场景上，关注需要探索的科学问题。互动场景的布设、引导人员的讲解和互动应当鼓励学生和过往的实践经验、已有的物理知识产生联系，并且允许学生展示出原有的错误认知，进而投入目前的互动活动。

博物馆科普教师在设计此阶段时，需要通过车轮这一常见而不引人注意的小点，引起观众兴趣，引导观众体验轮轨关系蕴含的科学原理和设计理念，逐渐导入互动科普主题，互动中鼓励学生说出对车轮踏面原有的认知，然后将火车实际动力的传递方法进行展开介绍。在科普员引导学生投入的过程中应该主动关注学生的兴趣点，积极收集可以吸引学生将注意力投入项目上的引导语、演示动作和动画演示影像，能有效引来学生投入项目就是“火车车轮踏面”项目成功的先决要素。

（二）探索（Exploration）

科普教师说明物理原理和火车机械结构方法，指导学生开始互动探索，理解科普展板上的原理构造。在探索实践互动中，学生就是互动活动过程中的主导者，科普教师和引导员需要支持学生投入互动探索的过程中，用实践理解互动装置需要传递的物理概念，由自身实践获得直接经验。在探索的过程中，指导教师可以灵活运用设问、指引、装置互动、错误示范等教学方式，为学生弹错机械结构提供方向指导，让学生沿着正确的探索方向进行尝试，更高效地理解装置背后的原理。

科普教师依照前一个投入阶段，中学生对车轮踏面的参与情况和原有认知水平，依托车轮踏面模型，首先简单介绍车轮踏面的基本情况。其次，引导学生利用展项通过实验，分别探究直接将车轮放置在轨道上的可行性以及加上轮缘后会发生什么？最后，鼓励学生积极与装置互动，并用正确的方式观察、记录、整理装置记录和装置的状态变化，观察每个关联机构联动和传动方式，理解曲轴概念，探索更有效的做功方式。

（三）释义（Explanation）

释义，视为把知识、经过或操作方法转化为能被认知的认知体系，也就是将探索实践再次认知的过程。处于此阶段，科普教师或引导员应激励学生运用已获得的认知体系对刚才探索互动的过程和实践反馈进行认知整理与逻辑梳理，提出自己对实践操作的看法。科普教师立足于教学对象自身的认知，用简洁、明确、快速的方法展示互动装置希望专递的物理原理、机械过程或实践技能，并且为学生开展延展作好铺垫。

学生自愿结成学习小组，小组将互动活动中的火车机械结构与踏面操作探索时的收获进行汇总，得到完整探索经历带来的收获，认识到火车传动的方法和动力改变对火车能力提升。在小组讨论，学生表达自己对科普教师的释义提出自己的理解时，教师可以利用现场的信息互动设备，将学生的表达理解与现场的解释展板信息作比较，让学生更理解自己在认知中的错误点。当各个小组学生都在实践中有了自身对传动各个环节的认识之后，科普教师可以开展释义与比较挥动。科普教师引导学习小组逐步对“火车车轮踏面” 三个传动环节开展解析，结合学生得出的结论与物理原理进行比对，从而推导出车轮传动机构的原理构造。

（四）拓展（Extension）

拓展，也可以看作迁移。处于拓展阶段，教学对象加入深层次讨论并搜集有关的新信息，明确了上一个阶段要点，从而拓展刚才已经吸收的知识、经过或操作，展示出已经掌握的认知与能力，并积极使用掌握的知识概念。科普教师引导学生把已经掌握的知识和原理运用迁移到各类可能的不同情境之中，使知识和原理得到新运用，并在新运用中鼓励学生吸收新知识。只有当学生对已掌握的认知可以自如正确地运用到需要解决的问题场景之中时，才能说学生对需要认知的原理和事物，达成了期望的教学目标。

这一阶段引导员继续提问，为什么我们要在车轮靠轨道内侧边设置凸起的轮缘，而不在外侧设置呢？通过三组实验，学生们得出结论，只有圆锥形的车轮没有脱轨，其余两种都“光荣牺牲”了。这是为什么呢？这是因为，在实际中，轨道不仅仅有直线段和曲线段，受各种因素的影响，车轮在轨道上运行时，其实它的位置中心很难一直保持稳定。而如果踏面的轮对横向偏离中心位置，对于圆锥形踏面来说，由于左右车轮滚动半径的不同，轮对仍能回到轨道中线。因此，轮对发生周期性的横向运动。在1883年Klingel从理论角度对此描述，这种运动通常被称为“Klingel运动”。认知该运动方式并准确应用到可能场景中，说明科普达到了预期的目标。

（五）反馈（Evaluation）

反馈是5E教学模式的检验环节。检验和反馈环节科普教师应当支持学生总结自己在整个互动活动中掌握到的知识和原理，反馈出自身能力的增强，并且也让科普教师能有机会认识到学生在互动活动中的探索成果，反馈出科普教师教学是否达到教学目标，使科普教师更明确自身互动装置布置的实际教学效果。

5E教学模式内的反馈阶段并非一个独立过程。科普教师和引导员可以运用各种互动方法对学生反馈出的知识认知、操作方法进行指导和评价。从环节来看，反馈与评价可以与5E教学模式中的各个环节相结合，在互动项目各环节推进过程中，学习小组内可以将自己或他人的实践、收获、配合等展开反馈；从方式来看，反馈与评价可以是学生自己开始，也可以是小组之间相互问答，当然还可以是科普教师进行评价解答。在整个互动活动结尾时，科普教师也可以按照教学效果与参与学生的具体表现和收获的知识，开展单独的反馈与评价环节。科普教师在总结反馈学生互动收获时，可以对学生认知收获、实验任务完成进度、互动装置运用的规范性、探索阶段展示的任务态度、学习小组配合程度等各个方面进行反馈与评价。

六、结语

综上所述，博物馆为了实现对中学生进行科普的教育目标，运用5E教学模式激发学生在陈设完成的互动装置上或营造的互动场景中，开展科学探索，并对互动实践、装置反馈开展释义、说明、拓展等，进而产生新的认知、实践或收获。5E教学模式与博物馆科普教育的目标相契合，为学生打造互动式教学场景提供了理论指导，让其收获了有效的实践经验与理论收获，并且与博物馆希望达成的训练思维方式、塑造科学能力、培育实践能力的科普教育目的相协调，可以在博物馆展陈设置互动活动中推广运用。