基于5E教学模式的初中物理教学探索

［摘 要］初中物理中比热容的定义涉及三个物理量，相较于速度、密度等概念较为复杂，实际学习中学生对比热容的定义理解有一定的困难，究其原因是在学习中忽视了比热容概念的建构过程。5E教学模式是科学教育中被广泛接受的教学模式，其优点是允许学生探究并深入学习，因此采用5E教学模式设计教学，突出比热容概念的建构过程，可使学生对比热容概念的建构有清晰的认识。

［关键词］5E教学模式；比热容；初中物理

［中图分类号］ G633.7 ［文献标识码］  A ［文章编号］ 1674-6058（2023）26-0049-03

比热容是初中物理极为抽象的概念之一，其定义涉及三个物理量，学生理解起来有一定的难度。《义务教育物理课程标准（2022年版）》对学习比热容的要求是通过实验，了解比热容；能运用比热容说明简单的自然现象。在实际教学中发现，学生对教材中“比较不同物质的吸热情况”这一实验的探究过程不清楚，往往倾向于记住实验结论和比热容的定义，而对比热容概念的建构过程较为模糊，无法体会到“比热容是物质的一种特殊属性”。

5E教学模式以建构主义理论为基础，包括吸引（Engagement）、探究（Exploration）、解释（Explanation）、迁移（Elaboration）、评价（Evaluation）五个环节。在开展5E教学时，教师首先呈现一个事例给学生，再结合事例提出问题，引导学生进行探究、提炼概念，在探查学生是否掌握科学概念、培养学生的探究能力以及构建能力方面均具有优势。因此，采用注重探究的5E教学模式设计“比热容”的教学，突出探究过程的关联性，可让学生深刻理解比热容概念的建构过程，使教学更加精确化。

一、5E教学流程

5E教学的组织应体现科学思维及科学探究的应用，遵循学生解决问题的逻辑顺序，以生活情境铺垫引入主题，突出比热容概念的探究建构过程，使学生能够清晰地感知概念的形成过程，形成良好的思维逻辑。5E教学流程如图1所示。

二、基于5E教学模式的“比热容”教学设计

（一）情境引入，吸引学生

在课始，教师结合生活中常见的自然现象创设问题情境：夏天的时候在相同的日照条件下，沙滩上的沙子热得烫脚，而海水却很凉爽，产生该现象的原因是什么呢？在学生回忆生活情境后，教师提示学生同样的日照条件意味着吸收相同的热量，学生根据教师的提示用物理语言描述“沙子热得烫脚”和“海水凉爽”两种不同的现象，由此引出本节课要探究的问题：质量相等的不同物质，吸收相同的热量，升高的温度相同吗？

评析：让学生按照教师提示归纳出沙子与海水的温度情况并提出探究的问题，以此培养学生运用物理语言描述并分析问题的能力。

（二）问题探究，逻辑建构

教师展示实验器材，如电子天平、两个分别装有食用油和水的烧杯、电加热器、数字温度计以及电源。学生根据实验器材分组设计实验方案来探究上述问题。教师对各小组设计的实验方案进行指导点评，并提醒学生注意控制变量法和转换法的应用。在学生应用控制变量法的基础上提问学生实验中需要控制哪个物理量不变以及需要测量哪些物理量。在学生应用转换法的基础上引导学生明白用相同热源加热时间的长短来表示物质吸收热量的多少。最后引导学生归纳总结实验方案并进行实验，即用完全相同的电加热器分别加热质量相等的食用油和水，每隔相同时间，测量并记录它们的温度。

评析：5E教学中的探究环节允许学生最大限度地自主探究并进行深入学习，教师在此过程中要逐步引导、有序组织，突出逻辑顺序。由于无法测量物质吸收的热量，因此需要借助转换法通过比较加热时间来比较吸收热量的多少，这是首先需要引导学生理解的。实验结束后，学生分析实验数据，归纳实验结论：质量相等的食用油和水吸收相同的热量，水的温度上升较少。此时教师要继续引导学生进一步分析，由“升高相同的温度，水的加热时间长”得出食用油和水的吸热能力有所不同，即不同的物质吸热能力各不相同。通过实验数据得出正确结论并推理，培养了学生的科学思维能力，避免学生由“食用油温度升高多”而得出“水的吸热能力强”的错误结论。

在之前探究的基础上，教师提出问题：食用油与水的吸热能力有所不同，质量相等的食用油和水升高相同的温度，水加热的时间长，那么水吸收的热量与什么因素有关呢？待学生思考后，教师引出生活中常见的例子，然后引导学生继续思考：烧水时加热时间的长短受哪些因素的影响？

学生猜想并设计实验方案，分别探究水吸收的热量与其升高温度、质量的关系。在实验过程中，需要让学生在探究水吸收的热量与其升高温度的关系时保持水的质量不变，改变水升高的温度测量并记录加热时间；在探究水吸收的热量与其质量的关系时改变水的质量，使每次水的温度升高的度数相同，测量并记录加热时间，由此引导学生根据实验数据得出结论。

评析：5E教学注重创设生活情境和实施问题导学。引导学生借助生活经验分析较为抽象的物理问题，能够有效降低问题解决的难度，同时符合“从生活走向物理”的课程理念。学生在分析物质吸收热量与哪些因素有关时难度较大，而烧开水是一个非常好的生活实例，学生结合生活经验知道在相同条件下烧开一壶水比烧开半壶水用的时间多；将一壶水烧开比不烧开用时长。由此，学生能很快联想到水吸收的热量与水的质量和升高的温度有关。在实验探究中应用控制变量法探究三者关系，得到水吸收的热量与质量和升高温度的乘积成正比，学生掌握了科学探究方法，有效提高了分析与解决问题的能力。

基于上述实验结果，教师引导学生思考食用油吸收的热量与质量和升高温度的乘积是否也成正比。学生猜想并进行实验验证，重复上述实验操作，验证食用油吸收的热量与质量和升高温度的乘积的关系。实验结束后，学生分别作食用油和水的加热时间与质量和升高温度的乘积的函数图像并汇总在同一个坐标系上。

评析：相较于教材，本教学设计将“比较不同物质的吸热情况”这一探究实验分为三个步骤。一是根据生活现象验证不同物质吸收相同热量后温度变化确实有所不同；二是探究物质吸收热量与什么因素有关；三是在明确关系后探究其背后存在的数学关系并由此定义新的物理量，使学生对概念的引出获得清晰、全面的认识，这样的探究过程更符合思维逻辑。

（三）类比解释，定义概念

教师引导学生分别分析食用油和水吸收的热量与其质量和升高温度乘积的函数图像，学生根据已有数学知识进行交流讨论。通过交流讨论发现，食用油和水吸收的热量与质量和升高温度乘积的成正比，但比值不同，由此呈现出两条均过原点但斜率不同的直线。此时，教师提醒学生在前面学习的内容中已出现过同样的函数图像，学生回忆、思考后，教师展示铁和铝的质量与体积的函数图像，学生回忆密度的定义过程并尝试用类比法定义比热容，最后教师和学生一起对比热容的定义、物理意义及公式、单位做补充说明。

评析：通过前面三个探究环节的铺垫，引导学生对探究过程及结果进行交流分析，鼓励学生根据已有知识进行逻辑推理并作出科学解释。在定义密度时，由铁和铝的质量与体积图像可知，同种物质的质量和体积成正比；物质不同，它们的质量和体积的比值也不同，这反映了不同物质的不同性质，由此定义密度的概念。与密度类似，物体吸收的热量与质量和升高温度的乘积也成正比，而且不同物质的比值不同，这同样反映出物质的性质。因此，引导学生自主归纳，将物体的这一性质定义为比热容。学生在这一环节中运用类比方法解释探究过程，将各个环节串联起来使之成为整体，这是5E教学的优势所在，各环节既相互独立又彼此相连，发挥整体作用。这样的学习历程使学生对比热容的定义过程和“比热容是物质的一种属性”有了更加深刻的认识，有利于学生科学思维的发展，也符合课程标准的要求。

（四）迁移应用，巩固创新

经历吸引、探究和解释三个环节，学生对比热容概念有了深刻且全面的理解，此时教师提出生活中与比热容相关的三个问题，引导学生将知识迁移到新的问题情境中。例如，为什么沿海地区昼夜温差小，而沙漠地区昼夜温差大？我国北方楼房中的暖气用水作为介质，把燃料燃烧时产生的热量带到房屋中取暖，为什么要用水作为介质呢？在早期的汽车中，为防止发动机的温度过高而用水作为冷却剂，为什么要用水作为冷却剂呢？后来人们又加入其他成分进行了改进，为什么又不单纯用水作为冷却剂了呢？

评析：“迁移”环节是5E教学模式中学生巩固已有概念并与新情境建立联系的环节，通过三个问题的设计让学生在“迁移”环节中充分提高知识水平和思维品质。第一个问题将地理现象与物理知识联系起来，引导学生查找水与沙石的比热容大小，分析沿海地区与沙漠地区昼夜温度变化的差别。第二个问题与生活联系紧密，待学生解释原因后教师可适当引入比热容计算，让学生根据计算结果体会水作为介质取暖的经济性与便利性。第三个问题具有挑战性，学生分析解释后需要针对“水在冬天易结冰”这一缺点进行改进，培养学生创造性解决问题的综合能力。

（五）多维评价，反思提高

通过课堂表现评价表（见表1），从个人学习态度、个人知识的掌握情况、人际交流与合作三个方面评价学生。教师评价可使学生获得正确认知，学生互评可使学生从合作者的角度获得感知，自我评价有助于学生反思总结与提高。基于评价结果，教师可有目的地控制基础性作业与拓展性作业的分布比例。

评析：“评价”环节至关重要，评价贯穿于整个5E教学中，它能反馈学情，为后续教学稳定开展奠定基础。学生能获得对知识和课堂中各个环节表现的认知，教师据此掌握教学情况，从而优化教学。

三、教学反思

本节课的教学设计着重把“比较不同物质的吸热情况”这一实验拆分成三个探究步骤，清晰还原出比热容的定义过程，有效降低了思维跨度，使学生能更好地理解比热容概念的建构过程。同时在采用5E教学模式设计教学时，针对5E教学各环节的特点总结出了各环节的应用实施策略。

（一）探究主导“明”过程

物理概念是在大量事实和相关实验的基础上建立的。在5E教学中的引入、探究环节，利用生活现象引出所要探究的主要问题，将探究过程设计为前后相联系的环节，清晰展现出比热容的完整定义过程。

（二）科学解释“悟”方法

科学解释强调用证据对问题作出解释。中学生限于认知发展规律对未知概念、数据联系等方面的辨析容易出错，例如在加热时间相等的情况下，学生会认为温度升高多的物质吸热能力强，没有正确区分温度变化与吸热能力两个概念。在5E教学模式下，通过教师在“解释”环节中适当引导，学生能很好地领悟概念的内涵和掌握概念辨析的方法，培养了正确的物理观念。

（三）迁移提高“拓”思维

知识迁移能力是物理学科核心素养中的关键能力之一。教师在迁移环节中拓展旧知，使学生在新的情境中对比已有知识经验，思考、解决问题，从而提升知识迁移能力。层层递进地设计三个问题的深度，使整个教学结构更加完整，有效提高了学生的思维品质，深化了学生对概念的理解。

（四）多维评价“促”发展

评价应着眼于学生的发展。“评价”环节是5E教学中的最后一个环节，但在教学中发挥的作用不可小视。从学生的个人学习态度、个人知识的掌握情况、人际交流与合作三大领域对学生进行全面评价，可促进学生全面发展。

［参考文献］

［1］  王健，李秀菊.5E教学模式的内涵及其对我国理科教育的启示［J］.生物学通报，2012（3）：39-42.

［2］  徐勇，孟照顺.“吸”“容”有别 “授”“受”分清：从比热容教学困惑想起［J］.物理通报，2021（11）：2-3，11.