基于5E教学模式与DISLab的高中物理实验的教学研究

摘   要：将建构主义理论下的5E教学模式与DISLab相融合，旨在解决当前高中物理实验教学中实验设备陈旧、灌输式教学、评价方式单一等问题，从而提升学生的科学探究能力和核心素养。通过“实验：探究加速度与力、质量的关系”的教学实践，验证了该融合模式的有效性。研究表明，5E教学模式与DISLab融合的教学模式显著提高了物理实验教学的质量和效果，有助于培养学生的科学思维和问题解决能力。

关键词：高中物理实验；5E教学模式；DISLab；加速度

中图分类号：G633.7 文献标识码：A    文章编号：1003-6148（2024）9-0060-6

１    引  言

《普通高中物理课程标准（２０１７年版２０２０年修订）》要求高中物理教师致力于在义务教育的基础上，进一步促进学生物理学科核心素养的养成和发展。这一核心素养涵盖了“物理观念”“科学思维”“科学探究”“科学态度与责任”四个关键方面［１］，其中科学探究素养作为物理核心素养的重要组成部分，对于学生的全面发展具有重要意义。因此，高中物理教师在实验教学工作中应特别注重培养、提高学生的科学探究能力。基于建构主义教学理论的５Ｅ教学模式可以有效培养学生的科学探究能力和问题解决能力。该模式的核心理念是通过五个阶段来引导学生主动学习和探究，这五个阶段分别是吸引（Ｅｎｇａｇｅｍｅｎｔ）、探究（Ｅｘｐｌｏｒａｔｉｏｎ）、解释（Ｅｘｐｌａｎａｔｉｏｎ）、迁移（Ｅｌａｂｏｒａｔｉｏｎ）和评价（Ｅｖａｌｕａｔｉｏｎ），将其简称为５Ｅ教学模式［２］。ＤＩＳＬａｂ（Ｄｉｇｉｔａｌ Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ Ｓｙｓｔｅｍ Ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ）在教育信息化的大背景下逐渐在高中物理教学中普及，是一种基于计算机和传感器的数字化实验系统软件，专为实验室教学和应用而设计［３］。传感器的精确测量功能与计算机的数据处理能力相结合，为学生提供了一个全新的学习环境，使他们能亲身体验科学实践的乐趣，进而激发对物理学科的热爱。然而，高中物理实验教学仍面临一系列亟待解决的问题，如实验设备陈旧、采用灌输式教学方式、学生参与度不高、评价方式单一等问题［４-５］，这些状况严重影响了学生科学探究素养的培养。因此，本研究旨在通过将５Ｅ教学模式与ＤＩＳＬａｂ相融合，以推进解决物理实验教学中存在的上述问题。“实验：探究加速度与力、质量的关系”这节实验探究课是理解牛顿第二定律的基础，对力学体系建立有关键作用。因此，在５Ｅ教学模式与ＤＩＳＬａｂ相融合可行性分析的基础上，以此课为例进行详细教学研究。

２    ５Ｅ教学模式与ＤＩＳＬａｂ融合应用于物理实验教学的可行性

将５Ｅ教学模式与ＤＩＳＬａｂ融合应用于物理实验教学可有效提高物理实验教学的质量和效果，将两者融合教学的可行性分析如下：

（１）硬件设施支持：北碚区王朴中学为了提升物理实验教学的质量和效率，建立了ＤＩＳＬａｂ实验系统的数字化实验室，并配备了多套ＤＩＳＬａｂ实验系统。这些系统包括传感器、数据采集器和计算机等核心组件。通过ＤＩＳＬａｂ实验系统，学生可以直接在电脑上获取实验数据，并通过图表、图线等方式直观分析实验结果，简化了计算过程，节约了时间，并使学生更容易理解物理现象和原理。

（２）与教材指导思想一致：人教版物理教材在扩展部分多次提及使用传感器进行实验探究，这表明数字化实验教学与当前教育的指导思想相吻合。通过使用ＤＩＳＬａｂ，可以更好地实现教材中的实验教学要求，促进学生深入理解物理原理和实验操作。

（３）学生主体性的体现：５Ｅ教学模式能够将学生置于学习的中心，强调学生的主体性和主动性，有效避免了教师的单向灌输，从而提升学生的科学探究能力［６－１１］。而ＤＩＳＬａｂ的使用也是以学生为中心［３］，二者在这一点上高度一致。这种融合能够激发学生的学习兴趣，提高他们的自主学习能力和科学探究能力。

（４）技术易掌握：ＤＩＳＬａｂ软件界面简单、直观，操作步骤清晰明了，且每个实验都配备了专门的说明书。教师和学生可以通过扫描二维码快速获取实验步骤的讲解，这大大降低了技术门槛，使得教师和学生能够在短时间内掌握系统操作和实验步骤。

综上所述，５Ｅ教学模式与ＤＩＳＬａｂ的融合在物理实验教学中具有很高的可行性。这种融合不仅能够充分利用现有的数字化教学资源，还能有效提升学生的学习兴趣和自主学习能力。因此，这种融合教学模式值得在物理实验教学中推广和应用。

３    以“实验：探究加速度与力、质量的关系”为例

本节课是人教版必修一第四章中的第２节，在本章内容结构和逻辑上起到承上启下的作用，是学生学习牛顿第二定律的实验根基，是学生掌握力学分支的重要基石。另外，这一节的要求不仅涵盖了知识理解层面，还着重培养了学生的实验技能、科学探究能力和数据分析能力，是高中物理课程中非常重要的一节实验探究课程。因此，接下来以“实验：探究加速度与力、质量的关系”为例，通过深入分析这节课的课标和教材中的核心知识点，进而精细规划如何用５Ｅ教学模式的五个环节与ＤＩＳＬａｂ的融合来建构教学流程，从而提升其学习效果。

３．１    课标要求及教材内容解读

在深入探讨实验教学设计之前，首先对课标要求和教材内容进行细致解读。这有助于更好地理解教学的目标和方向，为接下来的教学设计提供基础。《普通高中物理课程标准（２０１７年版２０２０年修订）》对“实验：探究加速度与力、质量的关系”一节的总体要求是通过实验探究物体运动的加速度与物体受力、物体质量的关系。具体来说，要求学生能进行合理的实验设计，选择适当的实验方案进行探究。除此之外，还要求学生具备一定的数据分析和归纳能力，能够利用图像处理实验数据，能够从图像中发现并总结物理规律。除了解读课标要求，还需对教材内容进行深入剖析，从而明确教学重难点。教材从牛顿第一定律出发，提出探究加速度与力、质量的关系的必然性，并从实验思路设计、物理量的测量、实验过程和数据分析几个方面引导学生完成实验探究。其中，对于小车加速度的测量，教材中提出了三种不同的方式。本研究分别针对这三种方式进行分析，如表１所示。根据表１，不难发现传统实验方案测量加速度具有诸多局限性，而使用ＤＩＳＬａｂ进行加速度测量具有高精度、自动化数据处理、消除初速度影响、较为精确的瞬时加速度分析以及易操作性和可重复性等显著优点。

接下来，将聚焦于核心素养目标及教学重难点的分析。通过对这些内容的深入探讨，能够更加清晰地认识到教学的核心价值和意义，为接下来的实验教学设计提供指导。

３．２    核心素养目标及教学重难点分析

基于上述对课标要求的解读和教材内容的分析，制订了以下核心素养目标：

（１）物理观念：掌握加速度、力和质量之间的基本关系；理解实验思路的合理性，以及用图像处理实验数据的有效性。

（２）科学思维：经历实验的操作和测量过程，以及通过图像处理实验数据的过程，体验平衡摩擦阻力、减少系统误差的操作方法。

（３）科学探究：使用ＤＩＳＬａｂ进行实验，自主设计实验方案。

（４）科学态度与责任：具备严谨、认真的科学态度。同时，使用高科技的实验工具也要求学生承担起相应的责任，如正确使用设备，保护设备免受损坏等。

基于核心素养目标的分析，接下来将聚焦于教学重难点的分析。教学重难点设计如图1所示。

下面将结合５Ｅ教学模式和ＤＩＳＬａｂ对“实验：探究加速度与力、质量的关系”进行教学过程设计。

３．３    ５Ｅ教学模式的五个环节与ＤＩＳＬａｂ融合的教学设计

吸引阶段需要教师激发学生的学习兴趣，并引导他们思考加速度、力与质量之间的关系。探究阶段主要是学生在教师引导下采用控制变量法，利用ＤＩＳＬａｂ等配套设备，通过实验测量质量、加速度和力，探究它们之间的关系。解释阶段主要是学生对实验数据进行处理，通过图像法得出加速度与力成正比、与质量成反比的结论，并进行误差分析。迁移阶段教师要引导学生用所得结论解释课前引入的现象，并鼓励他们设计新的实验方案。最后，在评价阶段，制订详细的评价框架和指标，全面评估学生的知识掌握情况、实践能力和科学素养，同时教师和学生也进行了自我评价和反思，以提升教学效果和学习动力。下面针对五个环节的教学设计展开详细的描述。

３．３．１    吸引阶段

在吸引阶段，教师首先通过播放两辆动力不同的汽车同时启动的视频，引发学生的学习兴趣，并提问：哪辆车的速度变化快？哪辆车的加速度大？哪辆车的牵引力大？两辆汽车启动快慢受什么因素影响？引导学生观察速度变化、加速度和牵引力的关系，以及思考影响车辆启动快慢的因素。接着，教师播放了公交站公交车和摩托车启动的视频，进一步提问：谁的加速度大？为什么牵引力大的公交车反而启动慢呢？最后，教师提出本节课的核心探究问题：加速度、力与质量之间的定量关系。设计意图是让学生从视觉感知中提炼出物理概念，并开始思考加速度与力、质量之间的可能关系，尝试根据自己的生活经验和直觉来回答，这不仅锻炼了他们的思维能力，也让他们更加期待接下来的学习内容。

３．３．２    探究阶段

在探究阶段，教师首先引导学生思考采用什么科学研究方法才能探究出加速度与力、质量之间的关系。学生在教师的引导下提出了控制变量法，即首先保持小车质量ｍ不变，探讨加速度ａ与力Ｆ的关系；随后，再控制力Ｆ恒定，深入探究加速度ａ随质量ｍ变化的规律。紧接着，师生共同探讨出所需精确测量的物理量——质量ｍ、加速度ａ和力Ｆ，并就测量工具和方法展开热烈讨论。其中，教师详细介绍运用分体式位移传感器和ＤＩＳＬａｂ及其配套设备测量加速度。在测量力时，教师着重强调实验中力应是小车所受的合力，并指导学生通过将轨道倾斜巧妙平衡摩擦、调整悬吊物质量来精准控制小车所受的合力。另外，教师要提示学生只有当悬吊物的质量比小车的质量小得多时，小车所受拉力才近似等于悬吊物的重力。由于该条件涉及牛顿第二定律中的连接体问题，因此在这里暂不进行深入分析。在正式开始实验操作之前，教师耐心演示实验操作过程，确保学生熟练掌握ＤＩＳＬａｂ软件的操作方法和实验流程。随后，学生分组展开实验，认真记录数据（表 ２、表 ３），为后续的数据分析和实验总结打下坚实的基础。

３．３．３    解释阶段

在得到数据后，教师引导学生进行数据处理，采用图像法将表格中的数据分别作出ａ－Ｆ图像和ａ－ｍ图像。由ａ－Ｆ图像是过原点的倾斜直线，得出当小车质量ｍ一定时，小车的加速度ａ与它所受的作用力Ｆ成正比。其中，由ａ－ｍ图像（图2）发现加速度随质量的增大而减小。此时，教师点拨学生仅从图像上不能判断加速度就一定与质量成反比，因为也有可能是其他的函数关系，如二次函数、摆线。但也可能是“ａ与ｍ成反比”，甚至更复杂的关系。教师引导学生采用化曲为直的数据处理思想，即要验证加速度是否与质量成反比，可绘制ａ－１/ｍ图像，若描出的点在同一直线上，则ａ与１/ｍ成正比，即ａ与ｍ成反比；要验证加速度是否与质量的平方成反比，则可绘制ａ－１/ｍ２图像，若描出的点在同一直线上，则ａ与１/ｍ２成正比，即ａ与ｍ２成反比。于是，从最简单的情况入手，绘制ａ－１/ｍ图像，检验ａ与ｍ是否成反比。通过所作ａ－１/ｍ图像（图3），可得出当小车所受的作用力Ｆ一定时，小车的加速度ａ与它的质量ｍ成反比。

教师提问：为什么描出的点并不是严格位于某条直线上，用来拟合这些点的直线也并非准确地通过原点，让学生理解实验存在系统误差和偶然误差。由于实验原理不完善引起系统误差，因此，小车质量与钩码质量相差越远，误差越小。由于摩擦力平衡不准确，质量测量不准，纸带拉线不严格与木板平行等，而导致偶然误差。误差分析结束后，教师引导学生总结：在误差允许的范围内，在物体质量一定时，加速度的大小与合外力的大小成正比；在物体所受的合外力一定时，加速度的大小与此物体的质量成反比。为进一步体现科学探究的严谨态度，教师应指出：要得出一个定理性的结论，仅靠少量的实验是不行的，应该通过更为精确的实验和更多次的实验进行证明。