發展科學思維素養視域下任務驅動教學

林先鼎

摘 要：發展科學思維是提升學生物理核心素養的重要目標。任務驅動教學是科學思維訓練的重要途徑。本課例通過質疑、推理、建模、論證、實驗、模型應用等過程，幫助學生建立自由落體運動的概念，探究自由落體運動的規律，促進學生深度思考，發展科學思維的素養。文章以課例為載體，從課堂教學的角度，闡述學生在任務驅動下，遵循認知規律，循序漸進完成科學思維訓練的過程。

關鍵詞：任務驅動；科學思維 ；物理模型

“雙減”政策大環境下，“提質增效”是課堂教學的重要議題。物理教學將以發展學生的核心素養為重要的教學目標。《普通高中物理課程標準》（2017年版2020年修訂）關于本節內容有這樣要求：通過實驗，認識自由落體運動的規律。結合物理學史的相關內容，認識物理實驗與科學推理在物理學研究中的作用[1]。

基于發展科學思維的目的，本節課的設計，以學生為中心，創設思辨問題情境，設計適切學習任務。學生在任務驅動中，提升關鍵能力，掌握必備知識，發展科學思維素養。

一、梳理教材脈絡，明確教學目標

魯科版《自由落體運動》（2020年7月第1版）是在學習勻變速直線運動規律之后安排的課程內容。這樣的安排體現了從一般到特殊的教學邏輯。這節課是勻變速直線運動規律的典型實例。通過學習認識自由落體運動是初速度為零的勻加速直線運動，是最簡單的勻速直線運動。

這節課聚焦科學思維的要素，通過相應的學習任務的推動，培養了學生建模、推理、論證等關鍵能力。結合教學目標，滲透思維訓練的要素，制訂五個進階的教學任務。任務一：質疑亞里士多德重快輕慢觀點，訓練基于證據表達自己的觀點的思維習慣；任務二：理想實驗推理出真空落體結論，訓練極限演繹，建立理想實驗模型思維方法；任務三：牛頓管實驗驗證真空中落體快慢同一致結論，訓練逆向推理、對比觀察、分析論證的思維方法；任務四：分組實驗探究真空中落體規律，訓練分析、歸納、推理論證等思維要素；任務五：應用落體規律解決問題，培養學生在真實情境中應用物理模型解決問題的自覺性和靈

敏性。

二、完成五大任務，訓練科學思維

（一）經歷思辨演繹，質疑前人觀點

學生觀看播放高空落體極限運動精彩場面視頻，激發學習落體運動的熱情。由此提出落體下落快慢如何變化的問題。利用“問卷星”收集人們對落體運動的認識（1.重快，2.輕重一樣快，3.視具體情況而定）。師生共同回顧亞里士多德的觀點：落體運動具有“重快輕慢”的特點。

引導學生交流討論，基于證據表達自己的觀點。學會利用身邊的簡單器材驗證自己的想法。展示學生做法：揉成團的小張紙比張開的大張紙下落更快。由此質疑亞里士多德觀點片面性。

師生建模質疑，應用邏輯的方法推出落體佯謬。如果重物下落速度是四，輕物下降速度是二，當把二者拴在一起時“下落快的物體會被下落慢的拖慢，而下落慢的物體會被下落快的物體拖快”，則他們的速度會在二到四之間。就像大人拉著孩子跑，大人的速度會降下來。但當二者拴在一起時“更重了”速度應該大于四。這樣悖論否決了“重快輕慢”的觀點。

設計意圖：教學從觀察落體現象開始，發現速度變化的差異，用邏輯推理的力量批判亞里士多德重快輕慢的片面性。學生不迷信權威，依據證據，表達自己的觀點。感悟到質疑批判創新精神在科學發展中的作用。

（二）演繹極限方法，構建理想模型

物理的探究是從觀察物理的現象開始。學生用身邊的器材（氣球，紙張，樹葉，橡膠球）對比演示下落的快慢。展示學生做法：對比充氣和憋氣的氣球下落快慢。由此分析下落快慢可能與哪些因素相關。歸納總結學生的觀點：與，，，，因素有關。

引導學生歸納推理：物體下落過程中運動狀態發生變化，是受力的原因。所以必須對下落的物體進行受力分析。其中阻力和重力 可能影響物體下落的快慢。物體的，的影響可歸為有關；下落的，物體空氣接觸面積影響可歸為有關。研究物理問題總是從簡單的情況開始。阻力影響物體的運動，應用極限的方法將阻力減小到零，這樣運動更簡單，便于探究。

回顧伽利略由三個粗糙程度不同斜面實驗，進一步推導出絕對光滑的水平面實驗結果。阻力是效果力，只要與重力方向相反即可，引導學生類比：物體在液體中受到向上的浮力與重力相反，可以類比為阻力。物體受到浮力減小的過程就可看作阻力減小的過程。

師生共同演繹伽利略理想實驗。三個實心小球：鉛球、金球、木球（＞＞＞＞）。假想，讓這三個球在水銀、水里和空氣里下落。分析在這三種介質中下落的速度差異有何不同（強調速度的差異）。

引導學生自主推理：在水銀中，只有金球往下降，在水里金球和鉛球都往下降，而金球下降得比鉛球更快。在空氣里三個球都下降，而且，金鉛兩球下降速度幾乎沒有差異，只有木球下降速度小些。基于以上理想實驗總結：當發現重量不同的物體在不同媒質中下落時，它們速度的差異是隨周圍介質的密度縮小而減小的；當周圍的介質的密度越來越小，下落速度差異越不明顯。于是合理外推可得出了“物體在真空里下落得同樣快”的重要結論。教師追問“手中大小不一的橡膠球有空氣阻力存在，為什么同時落地？”重溫理想模型的建立：兩橡膠球雖然受到空氣阻力，但相對重力來講很小可以忽略不計。

設計意圖：此段教學引導學生從物理學視角歸納影響下落快慢的因素。再思考三個小球理想實驗的演繹過程，體驗理想化模型的魅力。這個過程中通過類比伽利略斜面實驗，借助初中浮沉條件，將類比為浮力，做力示意圖（用這個方法克服學生在高中現階段還未學習力的難點），運用極限的思想，直觀形象分析合理外推得到=0僅受重力。讓學生應用理想化實驗的方法及科學的推理得到輕重的物體下落快慢一樣，建立自由落體的概念，感受到了極限思想的魅力。

（三）優化對比方案，逆向設計實驗

判斷新的科學認知是否正確，除了能分析論證過去的事實，還要能預測未來的實驗現象。魯科2020版教材提供實驗方案為在充滿空氣的玻璃管中，抽走部分空氣，最后在接近真空的三種情況下，比對錢幣、羽毛下落快慢情況。引導學生不迷信權威，優化方案，便于對比觀察實驗的現象。

學生討論總結：逆向放氣實驗。先將玻璃管抽氣，讓其接近真空，再放入部分空氣，最后全部充滿空氣。還可在牛頓管后面提供深色背景，產生對比。

小組派代表描述三次的現象，在接近真空，放入部分空氣，全部放入氣體時三種情況下，錢幣、羽毛快慢的差異的變化（速度差異越來越小）。觀察思考：為什么牛頓管中的錢幣、羽毛還是難以做到一起下落？引導學生發現：里面還存在微量的空氣，并不是十足的真空。進一步播放視頻：視頻NASA的大型真空實驗室（全球最大），加大下落的高度，提高真空度，再次驗證落體運動快慢一致。接著跟進預測月球上沒有空氣，從靜止開始的落體運動快慢也是一致。事實驗證大衛斯各特在月球上的落體運動實際結果與預測相符，再次證明真空中自由落體下落快慢一致結論。

設計意圖：教學中在真實的情境下，遇到現象不明顯的困境。引導學生分析問題，解決問題，教學實現從“紙面”解題到解決真實問題的過程。通過實驗和對比觀察，發現在真空度越高的情況下，速度差異越小，接近真空的情況下，錢幣、羽毛速度幾乎接近，但還是有微小的差異。學生在此事實基礎上極限外推，物體在真空中下落時快慢一致，得到自由落體運動的概念。NASA大型的真空實驗再次激發學生探究的熱情，感受到科學家持之以恒、精益求精的科學精神。推理論證，分析歸納，科學思維的訓練滲透整個探究過程。

（四）動手分組實驗，探究落體規律

通過紙帶科學探究自由落體是最簡單勻變速運動。并能定量描述自由落體運動的規律。在處理紙帶的過程中，培養學生獲取和處理信息的能力，并能基于證據得出正確的結論。通過紙帶的計算培養學生嚴謹科學、求真務實、精益求精的科學

態度。

自由落體快慢一樣，伽利略相信自由落體運動是最簡單的變速運動，最簡單的變速運動又是什么樣的運動呢？引導學生思考以下問題。

1.描述一種運動要用到哪些物理量？（、、、）2.如何測量這些物理量？刻度尺，秒表，紙帶，打點計時器，頻閃照片。學生分組實驗：重錘自由落體打出紙帶（注意先接通電源，后釋放紙帶）。

基于實驗得到的紙帶數據，學生討論分析以下問題：1.重錘是不是勻速直線運動，為什么？（相同時間內位移不同，所以變速）2.是什么樣的變速運動，如何判斷？（加速，因為相同時間內位移在增加）3.如何判斷勻加速？ 求加速度有哪些辦法？圖像分析或4.如何判斷初速度是否為零？（第一點和第二點之間距離為2mm，或連續相同的時間間隔內的位移之比是否1：3：5：7可推出初速度為零）5.為了便于比對相同時間內的位移關系，可有一些取巧的方法？取時間位移為4.80cm，找到起始點，然后依次剪短第二個的紙帶，第三個的紙帶，第四個的紙帶。6.為什么在第一個內，測量值=4.80cm，而不取理論上的4.90 cm （存在阻力，加速度減小）。

進一步帶領學生用“手機物理工坊”測定當地的重力加速度。教師同屏演示，現場測出在手機“靜止模式”下的和自由下落的。發現兩者存在微小差異，引導學生正視實驗誤差，分析原因。（手機自由下落時顯示三個方面的加速度，非重心加速度）

設計意圖：這段教學讓學生依據實驗的原理，選擇合適器材，采用簡便的操作，獲取實驗的數據。學生在分析紙帶探究運動規律過程中，經歷信息采集，計算分析，基于證據得到規律的邏輯推理過程，感受到物理規律得到過程的嚴謹，數據處理的巧妙，養成實事求是的科學態度。認識實驗是認識世界、揭示本質的重要方法，學生應在這個過程養成選擇應用模型解決物理問題的自覺性。應用勻變速直線運動模型分析自由落體運動，得出自由落體速度，位移，方差公式，學生體驗到人類的認知是不斷進步的，感受到由已知模型不斷修正完善得到新模型的必要性。通過“手機物理工坊”引導學生借助現代信息技術，進一步驗證物理規律，不斷完善自己的觀點。

（五）應用落體模型，滲透課程思政

從物理視角觀察思考現實的問題，實現從生活到物理，又從物理回到社會的理念。2018年4月“中國好人榜”見義勇為陳忠平徒手接住從五樓墜落的三歲小女孩，英雄隨之倒地，腦部受到重傷。請同學估算5層樓上小孩空中下落所用時間和著地速度？（取）這些數據給你什么感想？

設計意圖：在生活中應用物理的模型解決實際問題是新課程的重要理念。學生從物理的視角觀察高空墜物，認識到墜物受到的阻力遠小于重力，可以忽略，建立自由落體運動的模型。學生在辨析、抽象、最終選用自由落體模型解決實際的問題的過程中，就已經發展了科學思維素養。通過估算，培養學生定性定量分析現實生活問題的能力。同時從熱愛生命的角度看待高空落物的安全問題，滲透見義勇為的思想教育，達到立德樹人課程思政

目的。

（六）對話科學大師，領悟方法的巧妙

作業：1 閱讀“自由落體運動的回眸”，思考：伽利略是如何發現問題的？如何進一步研究？研究中遇到什么問題？這些問題是如何解決的？

設計意圖：通過閱讀物理學史，知道伽利略借助斜面延長運動時間，“消減”重力作用，得到位移與時間二次方成線性關系，合理外推得到自由落體是速度隨時間均勻變化的直線運動，再次體驗到物理大師伽利略不迷信權威，敢于質疑，克服種種困難追求真理的執著精神及理想化模型的魅力。

三、基于發展科學思維素養的任務驅動教學思考

從真實情境出發建構模型，解決實際問題是物理課堂教學中發展科學思維素養的重要途徑。

物理課堂教學，關注生活，聯系實際，結合物理學史，收集課堂教學中發展科學思維教學資源。任務驅動的教學引導學生從物理學的視角觀察現實中的問題，以物理的研究方法為指導，通過辨析、假設、概括、抽象等手段，抓住研究對象的主要特征，抽象概括，建構物理模型，通過推理論證，解決真實的物理問題，達到發展科學思維素養的目的。

科學思維素養視域下的任務驅動教學以生為本，遵循教學邏輯，尊重物理史實，依次提高科學建模的五個水平。

以生為本的任務驅動教學結合課標中模型建構的五個水平，依次經歷辨別模型，套用模型，選用模型，架構模型，創建模型的過程。教學從學生已有的認知出發，梳理本節課內容在物理學科發展史上經歷的路程，確定學生邏輯遞進的思維任務。課程從激發思維的動機開始，從易到難，由簡到繁，完成相應的任務群。學生在質疑、建模、推理驗證、實際應用中，經歷生生、師生互動過程，在建構知識的過程中，完成科學思維訓練。任務驅動模式的應用升級了課堂的教學模式，學生學習的主動性得到大幅度提升[2]。

結束語

自由落體運動課堂教學從觀察落體運動出發，借助邏輯的力量，質疑亞里士多德的觀點，建立理想化模型，分析推理得出自由落體的概念。學生借助分組實驗，再次驗證自由落體運動是勻變速直線運動，推導出了自由落體運動的規律。學生在探究任務的驅動下，掌握物理規律的同時，發展科學思維的核心素養。

參考文獻

[1]范福生.基于普通高中物理課程標準的一輪復習策略[J].教學考試，2022（31）：1.

[2]李建強，張琰.任務驅動模式在高中物理教育領域的踐行[J].中學物理教學參考，2021，50（27）：8-9.