基于學科核心素養(yǎng)提升的任務驅(qū)動探究課堂實踐

摘要：《普通高中物理課程標準（2017年版2020年修訂）》詳細闡述了學科核心素養(yǎng)的內(nèi)涵，并在此基礎上擬定了編寫高中物理課程的目標.文章首先介紹物理學科核心素養(yǎng)的內(nèi)涵及要求，然后闡述任務驅(qū)動探究課堂實踐在物理教學中的價值和作用，接著通過“科學探究：向心力”教學實例，分析如何通過任務驅(qū)動的探究課堂促進學生物理核心素養(yǎng)的提升.

關鍵詞：核心素養(yǎng)；任務驅(qū)動 ；探究課堂；向心力

中圖分類號：G632文獻標識碼：A文章編號：1008-0333（2025）06-0099-03

收稿日期：2024-11-25

作者簡介：李曉斌，本科，一級教師，從事物理教學研究.

物理學科核心素養(yǎng)是學生在物理學習過程中培養(yǎng)的關鍵能力和必備品格，對其未來的發(fā)展具有深遠影響.如何有效實現(xiàn)核心素養(yǎng)的教學目標，已成為當前教育領域亟待解決的重要問題.文章以魯科版高中物理教材中的“科學探究：向心力”為例，探討如何通過任務驅(qū)動探究課堂實踐，有效培養(yǎng)學生學科核心素養(yǎng).

1物理學科核心素養(yǎng)的內(nèi)涵和要求

1.1物理觀念

物理觀念是從物理學視角形成的關于物質(zhì)、運動與相互作用、能量等的基本認識，是物理概念和規(guī)律等在頭腦中的提煉與升華，是從物理學視角解釋自然現(xiàn)象和解決實際問題的基礎[1].落實在“科學探究：向心力”教學中，教師注意做好以下兩方面的工作：（1）通過“設置情境→引發(fā)認知沖突→提出問題→科學探究→得出結(jié)論→驗證結(jié)論”的教學過程，強化向心力概念教學；（2）通過“探究實驗→數(shù)據(jù)分析→實驗結(jié)論→規(guī)律總結(jié)→規(guī)律應用”的教學過程，強化向心力規(guī)律教學.

1.2科學思維

科學思維是從物理學視角對客觀事物的本質(zhì)屬性、內(nèi)在規(guī)律及相互關系的認識方式，是基于經(jīng)驗事實建構(gòu)物理模型的抽象概括過程，是分析綜合、推理論證等方法在科學領域的具體運用，是基于事實證據(jù)和科學推理對不同觀點和結(jié)論提出疑問和批判，進行檢驗和修正，進而提出創(chuàng)造性見解的能力與品格.落實在“科學探究：向心力”教學中，能將生活中圓周運動實例轉(zhuǎn)化為基本的圓周運動模型，使學生理解圓周運動的規(guī)律；對使用向心力演示儀和傳感器實驗獲得的數(shù)據(jù)進行分析歸納，得出實驗結(jié)論，并能用不同方式進行探究，用證據(jù)證明結(jié)論.

1.3科學探究

科學探究是指基于觀察和實驗提出物理問題，形成猜想和假設，設計實驗與制定方案，獲取和處理信息，基于證據(jù)得出結(jié)論并作出解釋，以及對科學探究過程和結(jié)果進行交流、評估、反思的能力.落實在“科學探究：向心力”教學中，學生能觀察、分析現(xiàn)象，根據(jù)有依據(jù)的假設提出可探究的物理問題；能應用控制變量法制定探究方案；能選用合適的器材進行探究并獲取數(shù)據(jù)；能基于表格和圖像分析數(shù)據(jù)并得出結(jié)論；能夠充分展示和交流探究的過程和結(jié)果，并對實驗結(jié)果的差異進行深入反思和合理解釋.

1.4科學態(tài)度與責任

科學態(tài)度與責任是指在認識科學本質(zhì)，認識“科學·技術·社會·環(huán)境”關系的基礎上逐漸形成的探索自然的內(nèi)在動力，嚴謹認真、實事求是和持之以恒的科學態(tài)度，以及遵守道德規(guī)范，保護環(huán)境并推動可持續(xù)發(fā)展的責任感.落實在“科學探究：向心力”教學中，學生認識到向心力公式的獲得是建立在觀察和實驗基礎上進行科學抽象的創(chuàng)造性工作，在實驗中能夠養(yǎng)成實事求是和嚴謹?shù)墓ぷ髯黠L，形成主動將所學知識應用在自然生活的意識，體會物理技術應用對社會發(fā)展的影響.

2基于核心素養(yǎng)提升的任務驅(qū)動探究課堂實踐

情景創(chuàng)設視頻展示游樂場旋轉(zhuǎn)桶游戲，如圖1所示.

問題1旋轉(zhuǎn)桶里的人在做什么運動？她們?yōu)槭裁磿吃谕氨谏系舨幌聛恚?/p>

問題2生活中哪里還有類似的現(xiàn)象？

教師引導勻速圓周運動速度方向一直在改變→變速曲線運動→一定存在加速度→合外力不為零.

任務1做勻速圓周運動的物體所受的合力有何特點？

學生討論得出結(jié)論：要保證合力不能改變v的大小，F(xiàn)必須時刻垂直V′，即F要指向圓心.

情景創(chuàng)設小球在細線的牽引下在近似光滑的水平面上做勻速圓周運動.

師：為什么小球能夠沿著圓周運動呢？假如我們剪斷了細繩，小球是否仍然能夠保持圓周運動的狀態(tài)？

生：因為繩子的作用才做圓周運動.

師：請對小球進行受力分析，探討小球的受力特點.

生：小球所受的合力為細線的拉力，拉力時刻指向圓心.

情景回顧旋轉(zhuǎn)圓筒壁上的人為什么能夠做圓周運動？

師：請對人進行受力分析，探討人的受力特點.

生：豎直方向人的重力和靜摩擦力平衡，人所受合力為桶壁對人的支持力，支持力時刻指向圓心.

教師引導學生給出向心力的基本概念.

設計意圖游樂場視頻的引入，形成認知沖突，激發(fā)學生的學習興趣.通過回顧舊知識，教師引出進一步要研究的問題，激發(fā)學生的求知欲.經(jīng)過理論推導，得出勻速圓周運動合外力特點，并通過兩個簡單實例，驗證結(jié)論，從而引出向心力的概念.

任務2感受向心力的大小，思考向心力的大小可能與哪些因素有關？

學生體驗探究活動：使用細繩分別連接鋼球和塑料球，拉住繩的一端，使小球在桌面上盡可能做勻速圓周運動.分別改變轉(zhuǎn)動的快慢、細繩的長短做幾次實驗.

引導學生猜想向心力大小可能與小球質(zhì)量、轉(zhuǎn)動角速度、轉(zhuǎn)動半徑有關，引導學生采用控制變量法探究他們之間的關系.

設計意圖通過簡單易操作的實驗，學生能夠直觀感受影響向心力大小的因素，培養(yǎng)學生科學的探究能力和嚴謹?shù)目茖W態(tài)度.

任務3定量探究向心力的大小.

教師向?qū)W生詳細介紹向心力演示儀的原理及使用方法，引導學生設計實驗探究方案.

學生分三組進行探究活動：①兩個質(zhì)量比為2∶1的鋼球和鋁球，當運動的半徑r和角速度ω相同時，觀察向心力的大小F與質(zhì)量m的關系;②兩個質(zhì)量相同的鋼球，保持運動的角速度ω相同，觀察向心力的大小F與運動半徑r之間的關系;③兩個質(zhì)量相同的鋼球，保持運動半徑r相同，觀察向心力F與角速度ω之間的關系.

教師指導各組進行探究實驗，并用手機拍攝學生實驗過程視頻片段.

學生探究活動結(jié)束，教師分別請三組學生進行實驗結(jié)果展示及交流，并通過投屏展示各組的實驗現(xiàn)象.最終引導學生得出結(jié)論：做勻速圓周運動的物體，其所需的向心力在半徑和角速度一定時，和質(zhì)量成正比；在質(zhì)量和角速度一定時，和半徑成正比；在質(zhì)量和半徑一定時，和角速度的平方成正比.即F=kmω2r.

設計意圖學生通過控制變量法進行科學探究，分析實驗現(xiàn)象，推測得出了向心力大小與質(zhì)量、角速度和半徑的關系，教學過程中充分滲透了科學思維、科學探究、科學態(tài)度與責任素養(yǎng)的落實.

任務4向心力表達式中 k=？

引導學生思考實驗方案：測量出F、m、ω、r的準確數(shù)值，就能得出k.

教師介紹演示實驗器材，如圖2，設置好相應轉(zhuǎn)速后，請學生代表測量出小球質(zhì)量和旋轉(zhuǎn)半徑，讓學生先計算mω2r的數(shù)值大小.然后啟動設備，顯示屏顯示出力傳感器的讀數(shù)，讀數(shù)與學生計算的mω2r數(shù)值一致，得出結(jié)論F=mω2r.圖2實驗器材示意圖

設計意圖相對于書本上“進一步研究得出，向心力的大小為F=mω2r”表述，在課堂上通過傳感器準確探究得出k的數(shù)值，全面展示了科學研究的嚴謹性.同時本套實驗設備相對于DIS實驗套裝，無論是實驗的直觀度還是學生的參與度都更好，進一步滲透了科學思維、科學探究、科學態(tài)度的培養(yǎng)目標.

任務5驗證向心加速度表達式.

教師通過投屏向?qū)W生介紹手機里的加速度傳感器，并展示Phyphox軟件的功能.

師：請同學們根據(jù)講臺上的器材，設計一個實驗驗證向心加速度大小與角速度的關系.

生：把手機固定在轉(zhuǎn)臺上，逐漸改變轉(zhuǎn)臺的轉(zhuǎn)速.

實驗演示教師將自己手機固定在轉(zhuǎn)臺上，打開Phyphox軟件，將手機屏幕通過seewo進行投屏顯示，接通電源逐漸增加轉(zhuǎn)臺的轉(zhuǎn)速，并在軟件上對數(shù)據(jù)進行線性擬合.

教師對擬合函數(shù)進行解釋，向心力的大小與角速度平方成正比，并且a的數(shù)值恰好等于手機的轉(zhuǎn)動半徑.建議學生回家后可用自己手機在旋轉(zhuǎn)餐桌上改變半徑再次進行驗證.

設計意圖課堂通過學生熟悉的手機對向心加速度表達式進行精確驗證，根據(jù)牛頓第二定律再次驗證向心力表達式的正確性，讓物理規(guī)律的學習過程經(jīng)歷 “猜—探—驗”的科學探究歷程，使得規(guī)律的得出更加嚴謹.同時該實驗具備良好的可復制性，學生在家利用手機可以多方位地再次驗證探究，深化對物理規(guī)律的理解.

問題解決在游樂場旋轉(zhuǎn)桶游戲中，桶的旋轉(zhuǎn)速度至少多大，人才不會掉下來？

3結(jié)束語

本節(jié)課采用任務驅(qū)動的探究式課堂，層層深入理解向心力概念，以向心力的作用效果為切入點，讓學生感受向心力，分析向心力來源實例，學生易于理解接受.探究向心力大小的過程中，有學生的直觀動手體驗，有學生的分組探究，亦有教師的演示實驗，從定性到半定量再到定量，最后得到數(shù)值并進行驗證，層層遞進對向心力的探究.探究過程中注重啟發(fā)學生思考探究什么，怎么探究，怎么控制變量，怎么測量向心力，能得出什么結(jié)論，如何確定比例系數(shù)，如何科學驗證，等等.教學過程中教師應注重啟發(fā)學生思考，形成物理觀念，引領學生經(jīng)歷科學探究過程，體會科學探究方法，養(yǎng)成科學思維習慣，形成科學態(tài)度和價值觀.

參考文獻：

［1］ 中華人民共和國教育部.普通高中物理課程標準（2017 年版2020修訂）［M］.北京：人民教育出版社，2020：4-5.

［責任編輯：李璟］