摘 要：將建構(gòu)主義理論下的5E教學模式與DISLab相融合，旨在解決當前高中物理實驗教學中實驗設(shè)備陳舊、灌輸式教學、評價方式單一等問題，從而提升學生的科學探究能力和核心素養(yǎng)。通過“實驗：探究加速度與力、質(zhì)量的關(guān)系”的教學實踐，驗證了該融合模式的有效性。研究表明，5E教學模式與DISLab融合的教學模式顯著提高了物理實驗教學的質(zhì)量和效果，有助于培養(yǎng)學生的科學思維和問題解決能力。

關(guān)鍵詞：高中物理實驗；5E教學模式；DISLab；加速度

中圖分類號：G633.7 文獻標識碼：A 文章編號：1003-6148（2024）9-0060-6

１ 引 言

《普通高中物理課程標準（２０１７年版２０２０年修訂）》要求高中物理教師致力于在義務教育的基礎(chǔ)上，進一步促進學生物理學科核心素養(yǎng)的養(yǎng)成和發(fā)展。這一核心素養(yǎng)涵蓋了“物理觀念”“科學思維”“科學探究”“科學態(tài)度與責任”四個關(guān)鍵方面［１］，其中科學探究素養(yǎng)作為物理核心素養(yǎng)的重要組成部分，對于學生的全面發(fā)展具有重要意義。因此，高中物理教師在實驗教學工作中應特別注重培養(yǎng)、提高學生的科學探究能力?；诮?gòu)主義教學理論的５Ｅ教學模式可以有效培養(yǎng)學生的科學探究能力和問題解決能力。該模式的核心理念是通過五個階段來引導學生主動學習和探究，這五個階段分別是吸引（Ｅｎｇａｇｅｍｅｎｔ）、探究（Ｅｘｐｌｏｒａｔｉｏｎ）、解釋（Ｅｘｐｌａｎａｔｉｏｎ）、遷移（Ｅｌａｂｏｒａｔｉｏｎ）和評價（Ｅｖａｌｕａｔｉｏｎ），將其簡稱為５Ｅ教學模式［２］。ＤＩＳＬａｂ（Ｄｉｇｉｔａｌ Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ Ｓｙｓｔｅｍ Ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ）在教育信息化的大背景下逐漸在高中物理教學中普及，是一種基于計算機和傳感器的數(shù)字化實驗系統(tǒng)軟件，專為實驗室教學和應用而設(shè)計［３］。傳感器的精確測量功能與計算機的數(shù)據(jù)處理能力相結(jié)合，為學生提供了一個全新的學習環(huán)境，使他們能親4IYo6hmu8KE5UnLw38Dy48sQsiYk4iDjZkxNXdRZ0uQ=身體驗科學實踐的樂趣，進而激發(fā)對物理學科的熱愛。然而，高中物理實驗教學仍面臨一系列亟待解決的問題，如實驗設(shè)備陳舊、采用灌輸式教學方式、學生參與度不高、評價方式單一等問題［４-５］，這些狀況嚴重影響了學生科學探究素養(yǎng)的培養(yǎng)。因此，本研究旨在通過將５Ｅ教學模式與ＤＩＳＬａｂ相融合，以推進解決物理實驗教學中存在的上NP/MwKtNqnd8ZYEIR6WtZ85yUReEQqZE31uSeoarMEY=述問題?！皩嶒灒禾骄考铀俣扰c力、質(zhì)量的關(guān)系”這節(jié)實驗探究課是理解牛頓第二定律的基礎(chǔ)，對力學體系建立有關(guān)鍵作用。因此，在５Ｅ教學模式與ＤＩＳＬａｂ相融合可行性分析的基礎(chǔ)上，以此課為例進行詳細教學研究。

２ ５Ｅ教學模式與ＤＩＳＬａｂ融合應用于物理實驗教學的可行性

將５Ｅ教學模式與ＤＩＳＬａｂ融合應用于物理實驗教學可有效提高物理實驗教學的質(zhì)量和效果，將兩者融合教學的可行性分析如下：

（１）硬件設(shè)施支持：北碚區(qū)王樸中學為了提升物理實驗教學的質(zhì)量和效率，建立了ＤＩＳＬａｂ實驗系統(tǒng)的數(shù)字化實驗室，并配備了多套ＤＩＳＬａｂ實驗系統(tǒng)。這些系統(tǒng)包括傳感器、數(shù)據(jù)采集器和計算機等核心組件。通過ＤＩＳＬａｂ實驗系統(tǒng)，學生可以直接在電腦上獲取實驗數(shù)據(jù)，并通過圖表、圖線等方式直觀分析實驗結(jié)果，簡化了計算過程，節(jié)約了時間，并使學生更容易理解物理現(xiàn)象和原理。

（２）與教材指導思想一致：人教版物理教材在擴展部分多次提及使用傳感器進行實驗探究，這表明數(shù)字化實驗教學與當前教育的指導思想相吻合。通過使用ＤＩＳＬａｂ，可以更好地實現(xiàn)教材中的實驗教學要求，促進學生深入理解物理原理和實驗操作。

（３）學生主體性的體現(xiàn)：５Ｅ教學模式能夠?qū)W生置于學習的中心，強調(diào)學生的主體性和主動性，有效避免了教師的單向灌輸，從而提升學生的科學探究能力［６－１１］。而ＤＩＳＬａｂ的使用也是以學生為中心［３］，二者在這一點上高度一致。這種融合能夠激發(fā)學生的學習興趣，提高他們的自主學習能力和科學探究能力。

（４）技術(shù)易掌握：ＤＩＳＬａｂ軟件界面簡單、直觀，操作步驟清晰明了，且每個實驗都配備了專門的說明書。教師和學生可以通過掃描二維碼快速獲取實驗步驟的講解，這大大降低了技術(shù)門檻，使得教師和學生能夠在短時間內(nèi)掌握系統(tǒng)操作和實驗步驟。

綜上所述，５Ｅ教學模式與ＤＩＳＬａｂ的融合在物理實驗教學中具有很高的可行性。這種融合不僅能夠充分利用現(xiàn)有的數(shù)字化教學資源，還能有效提升學生的學習興趣和自主學習能力。因此，這種融合教學模式值得在物理實驗教學中推廣和應用。

３ 以“實驗：探究加速度與力、質(zhì)量的關(guān)系”為例

本節(jié)課是人教版必修一第四章中的第２節(jié)，在本章內(nèi)容結(jié)構(gòu)和邏輯上起到承上啟下的作用，是學生學習牛頓第二定律的實驗根基，是學生掌握力學分支的重要基石。另外，這一節(jié)的要求不僅涵蓋了知識理解層面，還著重培養(yǎng)了學生的實驗技能、科學探究能力和數(shù)據(jù)分析能力，是高中物理課程中非常重要的一節(jié)實驗探究課程。因此，接下來以“實驗：探究加速度與力、質(zhì)量的關(guān)系”為例，通過深入分析這節(jié)課的課標和教材中的核心知識點，進而精細規(guī)劃如何用５Ｅ教學模式的五個環(huán)節(jié)與ＤＩＳＬａｂ的融合來建構(gòu)教學流程，從而提升其學習效果。

３．１ 課標要求及教材內(nèi)容解讀

在深入探討實驗教學設(shè)計之前，首先對課標要求和教材內(nèi)容進行細致解讀。這有助于更好地理解教學的目標和方向，為接下來的教學設(shè)計提供基礎(chǔ)?！镀胀ǜ咧形锢碚n程標準（２０１７年版２０２０年修訂）》對“實驗：探究加速度與力、質(zhì)量的關(guān)系”一節(jié)的總體要求是通過實驗探究物體運動的加速度與物體受力、物體質(zhì)量的關(guān)系。具體來說，要求學生能進行合理的實驗設(shè)計，選擇適當?shù)膶嶒灧桨高M行探究。除此之外，還要求學生具備一定的數(shù)據(jù)分析和歸納能力，能夠利用圖像處理實驗數(shù)據(jù)，能夠從圖像中發(fā)現(xiàn)并總結(jié)物理規(guī)律。除了解讀課標要求，還需對教材內(nèi)容進行深入剖析，從而明確教學重難點。教材從牛頓第一定律出發(fā)，提出探究加速度與力、質(zhì)量的關(guān)系的必然性，并從實驗思路設(shè)計、物理量的測量、實驗過程和數(shù)據(jù)分析幾個方面引導學生完成實驗探究。其中，對于小車加速度的測量，教材中提出了三種不同的方式。本研究分別針對這三種方式進行分析，如表１所示。根據(jù)表１，不難發(fā)現(xiàn)傳統(tǒng)實驗方案測量加速度具有諸多局限性，而使用ＤＩＳＬａｂ進行加速度測量具有高精度、自動化數(shù)據(jù)處理、消除初速度影響、較為精確的瞬時加速度分析以及易操作性和可重復性等顯著優(yōu)點。

接下來，將聚焦于核心素養(yǎng)目標及教學重難點的分析。通過對這些內(nèi)容的深入探討，能夠更加清晰地認識到教學的核心價值和意義，為接下來的實驗教學設(shè)計提供指導。

３．２ 核心素養(yǎng)目標及教學重難點分析

基于上述對課標要求的解讀和教材內(nèi)容的分析，制訂了以下核心素養(yǎng)目標：

（１）物理觀念：掌握加速度、力和質(zhì)量之間的基本關(guān)系；理解實驗思路的合理性，以及用圖像處理實驗數(shù)據(jù)的有效性。

（２）科學思維：經(jīng)歷實驗的操作和測量過程，以及通過圖像處理實驗數(shù)據(jù)的過程，體驗平衡摩擦阻力、減少系統(tǒng)誤差的操作方法。

（３）科學探究：使用ＤＩＳＬａｂ進行實驗，自主設(shè)計實驗方案。

（４）科學態(tài)度與責任：具備嚴謹、認真的科學態(tài)度。同時，使用高科技的實驗工具也要求學生承擔起相應的責任，如正確使用設(shè)備，保護設(shè)備免受損壞等。

基于核心素養(yǎng)目標的分析，接下來將聚焦于教學重難點的分析。教學重難點設(shè)計如圖1所示。

下面將結(jié)合５Ｅ教學模式和ＤＩＳＬａｂ對“實驗：探究加速度與力、質(zhì)量的關(guān)系”進行教學過程設(shè)計。

３．３ ５Ｅ教學模式的五個環(huán)節(jié)與ＤＩＳＬａｂ融合的教學設(shè)計

吸引階段需要教師激發(fā)學生的學習興趣，并引導他們思考加速度、力與質(zhì)量之間的關(guān)系。探究階段主要是學生在教師引導下采用控制變量法，利用ＤＩＳＬａｂ等配套設(shè)備，通過實驗測量質(zhì)量、加速度和力，探究它們之間的關(guān)系。解釋階段主要是學生對實驗數(shù)據(jù)進行處理，通過圖像法得出加速度與力成正比、與質(zhì)量成反比的結(jié)論，并進行誤差分析。遷移階段教師要引導學生用所得結(jié)論解釋課前引入的現(xiàn)象，并鼓勵他們設(shè)計新的實驗方案。最后，在評價階段，制訂詳細的評價框架和指標，全面評估學生的知識掌握情況、實踐能力和科學素養(yǎng)，同時教師和學生也進行了自我評價和反思，以提升教學效果和學習動力。下面針對五個環(huán)節(jié)的教學設(shè)計展開詳細的描述。

３．３．１ 吸引階段

在吸引階段，教師首先通過播放兩輛動力不同的汽車同時啟動的視頻，引發(fā)學生的學習興趣，并提問：哪輛車的速度變化快？哪輛車的加速度大？哪輛車的牽引力大？兩輛汽車啟動快慢受什么因素影響？引導學生觀察速度變化、加速度和牽引力的關(guān)系，以及思考影響車輛啟動快慢的因素。接著，教師播放了公交站公交車和摩托車啟動的視頻，進一步提問：誰的加速度大？為什么牽引力大的公交車反而啟動慢呢？最后，教師提出本節(jié)課的核心探究問題：加速度、力與質(zhì)量之間的定量關(guān)系。設(shè)計意圖是讓學生從視覺感知中提煉出物理概念，并開始思考加速度與力、質(zhì)量之間的可能關(guān)系，嘗試根據(jù)自己的生活經(jīng)驗和直覺來回答，這不僅鍛煉了他們的思維能力，也讓他們更加期待接下來的學習內(nèi)容。

３．３．２ 探究階段

在探究階段，教師首先引導學生思考采用什么科學研究方法才能探究出加速度與力、質(zhì)量之間的關(guān)系。學生在教師的引導下提出了控制變量法，即首先保持小車質(zhì)量ｍ不變，探討加速度ａ與力Ｆ的關(guān)系；隨后，再控制力Ｆ恒定，深入探究加速度ａ隨質(zhì)量ｍ變化的規(guī)律。緊接著，師生共同探討出所需精確測量的物理量——質(zhì)量ｍ、加速度ａ和力Ｆ，并就測量工具和方法展開熱烈討論。其中，教師詳細介紹運用分體式位移傳感器和ＤＩＳＬａｂ及其配套設(shè)備測量加速度。在測量力時，教師著重強調(diào)實驗中力應是小車所受的合力，并指導學生通過將軌道傾斜巧妙平衡摩擦、調(diào)整懸吊物質(zhì)量來精準控制小車所受的合力。另外，教師要提示學生只有當懸吊物的質(zhì)量比小車的質(zhì)量小得多時，小車所受拉力才近似等于懸吊物的重力。由于該條件涉及牛頓第二定律中的連接體問題，因此在這里暫不進行深入分析。在正式開始實驗操作之前，教師耐心演示實驗操作過程，確保學生熟練掌握ＤＩＳＬａｂ軟件的操作方法和實驗流程。隨后，學生分組展開實驗，認真記錄數(shù)據(jù)（表 ２、表 ３），為后續(xù)的數(shù)據(jù)分析和實驗總結(jié)打下堅實的基礎(chǔ)。

３．３．３ 解釋階段

在得到數(shù)據(jù)后，教師引導學生進行數(shù)據(jù)處理，采用圖像法將表格中的數(shù)據(jù)分別作出ａ－Ｆ圖像和ａ－ｍ圖像。由ａ－Ｆ圖像是過原點的傾斜直線，得出當小車質(zhì)量ｍ一定時，小車的加速度ａ與它所受的作用力Ｆ成正比。其中，由ａ－ｍ圖像（圖2）發(fā)現(xiàn)加速度隨質(zhì)量的增大而減小。此時，教師點撥學生僅從圖像上不能判斷加速度就一定與質(zhì)量成反比，因為也有可能是其他的函數(shù)關(guān)系，如二次函數(shù)、擺線。但也可能是“ａ與ｍ成反比”，甚至更復雜的關(guān)系。教師引導學生采用化曲為直的數(shù)據(jù)處理思想，即要驗證加速度是否與質(zhì)量成反比，可繪制ａ－１/ｍ圖像，若描出的點在同一直線上，則ａ與１/ｍ成正比，即ａ與ｍ成反比；要驗證加速度是否與質(zhì)量的平方成反比，則可繪制ａ－１/ｍ２圖像，若描出的點在同一直線上，則ａ與１/ｍ２成正比，即ａ與ｍ２成反比。于是，從最簡單的情況入手，繪制ａ－１/ｍ圖像，檢驗ａ與ｍ是否成反比。通過所作ａ－１/ｍ圖像（圖3），可得出當小車所受的作用力Ｆ一定時，小車的加速度ａ與它的質(zhì)量ｍ成反比。

教師提問：為什么描出的點并不是嚴格位于某條直線上，用來擬合這些點的直線也并非準確地通過原點，讓學生理解實驗存在系統(tǒng)誤差和偶然誤差。由于實驗原理不完善引起系統(tǒng)誤差，因此，小車質(zhì)量與鉤碼質(zhì)量相差越遠，誤差越小。由于摩擦力平衡不準確，質(zhì)量測量不準，紙帶拉線不嚴格與木板平行等，而導致偶然誤差。誤差分析結(jié)束后，教師引導學生總結(jié)：在誤差允許的范圍內(nèi)，在物體質(zhì)量一定時，加速度的大小與合外力的大小成正比；在物體所受的合外力一定時，加速度的大小與此物體的質(zhì)量成反比。為進一步體現(xiàn)科學探究的嚴謹態(tài)度，教師應指出：要得出一個定理性的結(jié)論，僅靠少量的實驗是不行的，應該通過更為精確的實驗和更多次的實驗進行證明。

3.３．４ 遷移階段

在得出結(jié)論后，教師引導學生用本節(jié)課所探究的結(jié)論解釋課前引入視頻中的現(xiàn)象。兩輛質(zhì)量相同的汽車，所受力越大，加速度越大，因此啟動越快；而看似牽引力大的公交車，由于質(zhì)量大于摩托車，故加速度小于摩托車，因此摩托車啟動較快。

此外，教師會進一步提出問題，引導學生思考：能否不依賴于懸掛的重物來粗略估計小車所受的拉力，而是直接精確地測量出來呢？這就需要學生發(fā)揮創(chuàng)新精神，設(shè)計新的實驗方案。例如，可以借助高精度的力傳感器，準確測量小車所受拉力的大小。

通過這樣的遷移引導，學生不僅能夠加深對課堂知識的理解，更能學會如何將這些知識靈活應用于實際生活中。遷移學習的意義正在于此，它使學生能夠舉一反三，將所學知識真正轉(zhuǎn)化為解決實際問題的能力。

3.３．５ 評價階段

為全面檢測學生的知識掌握情況，可設(shè)計內(nèi)容緊扣加速度與力、質(zhì)量關(guān)系的知識測試試卷，要求學生限時完成。為全面評估學生的實踐能力和科學素養(yǎng)，教師全程觀察并記錄學生的操作表現(xiàn)，涵蓋設(shè)備搭建、數(shù)據(jù)收集、實驗結(jié)果記錄等多個方面。為進一步培養(yǎng)學生的自我認知和反思能力，設(shè)計學生自我評價表，鼓勵學生在完成學習任務后進行自我評估和反思，從而不斷提升自己的學習效果和成長動力。為了將上述學生自我評價表的數(shù)據(jù)可視化，研究統(tǒng)計了５８份評價表，并得到了每個陳述選擇“是”的人數(shù)，如表4所示。在評價學生的同時，教師也需反思自己的教學方法和效果，不斷優(yōu)化和提升教學質(zhì)量。

這種全面、細致且注重實踐的評價體系，充分展現(xiàn)了５Ｅ教學模式在促進學生全面發(fā)展方面的優(yōu)勢，相較于傳統(tǒng)教學模式，更能全面提升學生的學科素養(yǎng)和科學探究能力。

通過實施５Ｅ教學模式的五個關(guān)鍵階段，從問題的提出、實驗方案的設(shè)計、數(shù)據(jù)的收集到結(jié)果的解釋，學生得以全面體驗科學探究的每一個環(huán)節(jié)。上述五大環(huán)節(jié)的主要活動如圖 4所示。

綜上所述，將５Ｅ教學模式與ＤＩＳＬａｂ相融合的教學模式，為高中物理實驗教學開辟了一條新穎且高效的途徑。這一模式有助于全面提高學生的科學素養(yǎng)和科學探究能力，極具推廣價值和應用價值。

4 總結(jié)與展望

本研究探索了５Ｅ教學模式與ＤＩＳＬａｂ的融合，對“實驗：探究加速度與力、質(zhì)量的關(guān)系”進行了創(chuàng)新教學研究。通過實施５Ｅ教學模式的五個關(guān)鍵階段——吸引、探究、解釋、遷移、評價，學生被積極引導參與到整個實驗探究過程中。同時，ＤＩＳＬａｂ的應用巧妙地彌補了實驗器材的不足和設(shè)備的老化問題，其高精度的測量和自動化的數(shù)據(jù)處理功能顯著提升了實驗教學的效率和準確性。在實際操作中，學生不僅深刻理解了加速度、力和質(zhì)量之間的基本關(guān)系，更通過自主設(shè)計實驗、精準記錄和分析數(shù)據(jù)，鍛煉了科學思維，增強了科學探究能力，并培養(yǎng)了科學態(tài)度與責任感。特別是在遷移應用和評價反思階段，學生能夠?qū)⑺鶎W知識有效應用于實際問題的解決中，進一步提升了他們的問題解決能力。研究顯示，這種整合的教學模式在促進學生科學探究能力的發(fā)展以及核心素養(yǎng)的培育上，展現(xiàn)出了卓越的成效。后續(xù)將繼續(xù)深化５Ｅ教學模式與ＤＩＳＬａｂ的融合，并推廣至電磁感應、光學等更多物理實驗，旨在全面提升學生的科學探究能力和核心素養(yǎng)，同時滿足個性化教學的需求。

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（欄目編輯 劉 榮）