發(fā)展科學思維素養(yǎng)視域下任務(wù)驅(qū)動教學

林先鼎

摘 要：發(fā)展科學思維是提升學生物理核心素養(yǎng)的重要目標。任務(wù)驅(qū)動教學是科學思維訓練的重要途徑。本課例通過質(zhì)疑、推理、建模、論證、實驗、模型應(yīng)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(guī)律，促進學生深度思考，發(fā)展科學思維的素養(yǎng)。文章以課例為載體，從課堂教學的角度，闡述學生在任務(wù)驅(qū)動下，遵循認知規(guī)律，循序漸進完成科學思維訓練的過程。

關(guān)鍵詞：任務(wù)驅(qū)動；科學思維 ；物理模型

“雙減”政策大環(huán)境下，“提質(zhì)增效”是課堂教學的重要議題。物理教學將以發(fā)展學生的核心素養(yǎng)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(guān)于本節(jié)內(nèi)容有這樣要求：通過實驗，認識自由落體運動的規(guī)律。結(jié)合物理學史的相關(guān)內(nèi)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(fā)展科學思維的目的，本節(jié)課的設(shè)計，以學生為中心，創(chuàng)設(shè)思辨問題情境，設(shè)計適切學習任務(wù)。學生在任務(wù)驅(qū)動中，提升關(guān)鍵能力，掌握必備知識，發(fā)展科學思維素養(yǎng)。

一、梳理教材脈絡(luò)，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(guī)律之后安排的課程內(nèi)容。這樣的安排體現(xiàn)了從一般到特殊的教學邏輯。這節(jié)課是勻變速直線運動規(guī)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(jié)課聚焦科學思維的要素，通過相應(yīng)的學習任務(wù)的推動，培養(yǎng)了學生建模、推理、論證等關(guān)鍵能力。結(jié)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(wù)。任務(wù)一：質(zhì)疑亞里士多德重快輕慢觀點，訓練基于證據(jù)表達自己的觀點的思維習慣；任務(wù)二：理想實驗推理出真空落體結(jié)論，訓練極限演繹，建立理想實驗?zāi)Ｐ退季S方法；任務(wù)三：牛頓管實驗驗證真空中落體快慢同一致結(jié)論，訓練逆向推理、對比觀察、分析論證的思維方法；任務(wù)四：分組實驗探究真空中落體規(guī)律，訓練分析、歸納、推理論證等思維要素；任務(wù)五：應(yīng)用落體規(guī)律解決問題，培養(yǎng)學生在真實情境中應(yīng)用物理模型解決問題的自覺性和靈

敏性。

二、完成五大任務(wù)，訓練科學思維

（一）經(jīng)歷思辨演繹，質(zhì)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(fā)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(dǎo)學生交流討論，基于證據(jù)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(zhì)疑亞里士多德觀點片面性。

師生建模質(zhì)疑，應(yīng)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(yīng)該大于四。這樣悖論否決了“重快輕慢”的觀點。

設(shè)計意圖：教學從觀察落體現(xiàn)象開始，發(fā)現(xiàn)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(quán)威，依據(jù)證據(jù)，表達自己的觀點。感悟到質(zhì)疑批判創(chuàng)新精神在科學發(fā)展中的作用。

（二）演繹極限方法，構(gòu)建理想模型

物理的探究是從觀察物理的現(xiàn)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(guān)。歸納總結(jié)學生的觀點：與，，，，因素有關(guān)。

引導(dǎo)學生歸納推理：物體下落過程中運動狀態(tài)發(fā)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(guān)；下落的，物體空氣接觸面積影響可歸為有關(guān)。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(yīng)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(dǎo)出絕對光滑的水平面實驗結(jié)果。阻力是效果力，只要與重力方向相反即可，引導(dǎo)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(zhì)中下落的速度差異有何不同（強調(diào)速度的差異）。

引導(dǎo)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(jié)：當發(fā)現(xiàn)重量不同的物體在不同媒質(zhì)中下落時，它們速度的差異是隨周圍介質(zhì)的密度縮小而減小的；當周圍的介質(zhì)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(jié)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(shè)計意圖：此段教學引導(dǎo)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(xiàn)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(yīng)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(yōu)化對比方案，逆向設(shè)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(yù)測未來的實驗現(xiàn)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(dǎo)學生不迷信權(quán)威，優(yōu)化方案，便于對比觀察實驗的現(xiàn)象。

學生討論總結(jié)：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(chǎn)生對比。

小組派代表描述三次的現(xiàn)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(dǎo)學生發(fā)現(xiàn)：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(yù)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(wèi)斯各特在月球上的落體運動實際結(jié)果與預(yù)測相符，再次證明真空中自由落體下落快慢一致結(jié)論。

設(shè)計意圖：教學中在真實的情境下，遇到現(xiàn)象不明顯的困境。引導(dǎo)學生分析問題，解決問題，教學實現(xiàn)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(fā)現(xiàn)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(chǔ)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(fā)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(guī)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(guī)律。在處理紙帶的過程中，培養(yǎng)學生獲取和處理信息的能力，并能基于證據(jù)得出正確的結(jié)論。通過紙帶的計算培養(yǎng)學生嚴謹科學、求真務(wù)實、精益求精的科學

態(tài)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(dǎo)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(shù)據(jù)，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(nèi)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(nèi)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(xù)相同的時間間隔內(nèi)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(nèi)的位移關(guān)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(nèi)，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(lǐng)學生用“手機物理工坊”測定當?shù)氐闹亓铀俣取＝處熗裂菔荆F(xiàn)場測出在手機“靜止模式”下的和自由下落的。發(fā)現(xiàn)兩者存在微小差異，引導(dǎo)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(shè)計意圖：這段教學讓學生依據(jù)實驗的原理，選擇合適器材，采用簡便的操作，獲取實驗的數(shù)據(jù)。學生在分析紙帶探究運動規(guī)律過程中，經(jīng)歷信息采集，計算分析，基于證據(jù)得到規(guī)律的邏輯推理過程，感受到物理規(guī)律得到過程的嚴謹，數(shù)據(jù)處理的巧妙，養(yǎng)成實事求是的科學態(tài)度。認識實驗是認識世界、揭示本質(zhì)的重要方法，學生應(yīng)在這個過程養(yǎng)成選擇應(yīng)用模型解決物理問題的自覺性。應(yīng)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(dǎo)學生借助現(xiàn)代信息技術(shù)，進一步驗證物理規(guī)律，不斷完善自己的觀點。

（五）應(yīng)用落體模型，滲透課程思政

從物理視角觀察思考現(xiàn)實的問題，實現(xiàn)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(shù)據(jù)給你什么感想？

設(shè)計意圖：在生活中應(yīng)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(jīng)發(fā)展了科學思維素養(yǎng)。通過估算，培養(yǎng)學生定性定量分析現(xiàn)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(lǐng)悟方法的巧妙

作業(yè)：1 閱讀“自由落體運動的回眸”，思考：伽利略是如何發(fā)現(xiàn)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(shè)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(guān)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(quán)威，敢于質(zhì)疑，克服種種困難追求真理的執(zhí)著精神及理想化模型的魅力。

三、基于發(fā)展科學思維素養(yǎng)的任務(wù)驅(qū)動教學思考

從真實情境出發(fā)建構(gòu)模型，解決實際問題是物理課堂教學中發(fā)展科學思維素養(yǎng)的重要途徑。

物理課堂教學，關(guān)注生活，聯(lián)系實際，結(jié)合物理學史，收集課堂教學中發(fā)展科學思維教學資源。任務(wù)驅(qū)動的教學引導(dǎo)學生從物理學的視角觀察現(xiàn)實中的問題，以物理的研究方法為指導(dǎo)，通過辨析、假設(shè)、概括、抽象等手段，抓住研究對象的主要特征，抽象概括，建構(gòu)物理模型，通過推理論證，解決真實的物理問題，達到發(fā)展科學思維素養(yǎng)的目的。

科學思維素養(yǎng)視域下的任務(wù)驅(qū)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(wù)驅(qū)動教學結(jié)合課標中模型建構(gòu)的五個水平，依次經(jīng)歷辨別模型，套用模型，選用模型，架構(gòu)模型，創(chuàng)建模型的過程。教學從學生已有的認知出發(fā)，梳理本節(jié)課內(nèi)容在物理學科發(fā)展史上經(jīng)歷的路程，確定學生邏輯遞進的思維任務(wù)。課程從激發(fā)思維的動機開始，從易到難，由簡到繁，完成相應(yīng)的任務(wù)群。學生在質(zhì)疑、建模、推理驗證、實際應(yīng)用中，經(jīng)歷生生、師生互動過程，在建構(gòu)知識的過程中，完成科學思維訓練。任務(wù)驅(qū)動模式的應(yīng)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(jié)束語

自由落體運動課堂教學從觀察落體運動出發(fā)，借助邏輯的力量，質(zhì)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(dǎo)出了自由落體運動的規(guī)律。學生在探究任務(wù)的驅(qū)動下，掌握物理規(guī)律的同時，發(fā)展科學思維的核心素養(yǎng)。

參考文獻

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

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