基于挑戰性任務問題鏈的高中物理教學例析

摘 要：基于挑戰性任務的物理問題鏈教學，利用挑戰性任務，設置相應的問題鏈引發學生思考，發展學生的分析能力、應用能力，最終在一定程度上發展學生的高階思維能力。如何設計好物理挑戰性任務問題鏈是物理教師值得研究的問題。教師可以依據課程標準與教材，在準確把握學情的基礎上，以幫助學生突破易錯點為目標，設計符合學生知識水平與學生認知規律，與現實情境相結合，難度適中，具有一定開放性的問題鏈。

關鍵詞：高中物理；挑戰性任務；問題鏈；教學設計

中圖分類號：G63 文獻標識碼：A 文章編號：0450-9889（2025）05-0123-06

當前，在新課標理念的指導下，課堂教學的模式也相應地發生了變化。但是大多數學生針對開放性問題和情境問題的建模能力依然薄弱，解決問題的能力沒有得到本質的提升。物理挑戰性任務是一種特定的物理任務，將物理知識轉化為挑戰性任務，通常以真實情境作為背景，以問題鏈的形式驅動學生去思考問題，解決生活當中的實際問題。本研究聚焦物理挑戰性任務問題鏈的設計與應用，探索提升學生解決問題能力、發展學生物理學科核心素養的途徑。

一、高中物理挑戰性任務問題鏈的設計依據

（一）依據課程標準和教材

《普通高中物理課程標準（2017年版2020年修訂）》（以下簡稱《課程標準》）是教師開展課堂教學活動的“航標”，它要求教師在設計課堂教學目標時，從物理學科核心素養的角度出發，通過課堂教學發展學生的科學思維和探究能力。設計物理挑戰性任務問題鏈應依據《課程標準》的核心素養理念，精心設計基于情境的問題鏈，讓學生在真實的情境中解決物理問題，拉近物理與生活的距離，激發學生的學習興趣。新教材中的“STSE”“科學漫步”等板塊，為教師設計挑戰性任務提供了素材，教師要善于利用這些素材培養學生的物理學科核心素養。

（二）依據學情

教學設計的一個重要環節就是學情分析。設計物理挑戰性任務問題鏈要求教師充分了解學生現有的知識水平、認知的障礙點及心理特點等，在此基礎上設計滿足以下三個條件的問題鏈。

一是問題鏈的設計必須符合學生現有的知識水平。設計的問題不能太難，否則學生難以接受；設計的問題也不能太簡單，否則學生又覺得沒有探究的必要。教師可以將物理挑戰性任務分解成學生能夠接受的多個子任務，然后針對子任務再設計子問題，驅動學生一步步去解決這些問題，進而在解決問題的過程中培養學生的思維能力。

二是問題鏈的設計要幫助學生突破易錯點。學生做題時易出錯的原因主要有兩個：概念理解不透，認知出錯；或是建模能力較差，碰到新情境問題不知所措。物理挑戰性任務理應依據這些問題進行設計并進行任務分解，致力幫助學生攻克易錯點。

三是問題鏈的設計要符合學生的認知發展規律。教師不僅要有比較豐富的教學經驗，還要具備相關的心理學知識。物理挑戰性任務問題鏈的設計要依據學生的認知發展規律，由易到難、由簡到繁，讓學生“跳一跳”就能“摘到桃子”。

二、高中物理挑戰性任務問題鏈的設計策略

（一）問題鏈與現實情境相結合

物理學科與生產生活息息相關，物理問題鏈的設計要與現實情境相結合。教師通過將現實中的生產生活問題轉換成對應情境下的物理問題，培養學生將情境和知識聯系起來的意識，引導學生解決這些實際問題，能夠激發學生的學習興趣，培養學生的解決實際問題的能力，發展學生的物理學科核心素養。

（二）問題鏈的難度要適中

高中物理學習是有一定難度的，部分學生容易產生畏難心理。教師設計的挑戰性任務問題鏈的難度要適中，并且可以將物理挑戰性任務分解為一系列子任務，這些子任務之間要相互關聯。在形式上它們是環環相扣的，在難度上它們是逐漸加深的，通過完成這些子任務推動挑戰性任務順利解決。問題具有一定難度但又在學生可以接受的范圍，可以更好地鼓勵學生完成任務，使學生獲得成長和進步，從而調動學生的學習積極性。

（三）問題鏈要有一定的開放性

問題鏈的設計，可以預設一定的開放性問題，觸發學生交流、思考和討論，營造良好的課堂氛圍，鍛煉學生的表達交流能力。由于是開放性問題，所以解決辦法不是唯一的，可以留給學生很多思考空間，從而能夠很好地培養學生的創新意識和發散思維。

三、高中物理挑戰性任務問題鏈的設計流程

高中物理挑戰性任務問題鏈的設計主要有四個步驟。首先是設計好挑戰性任務的主題。高中物理概念比較抽象，綜合性強，學習難度大，教師要認真研讀教材，剖析教學內容，準確把握本節課所學知識之間的邏輯關系，將這些知識內容有機整合起來，從而確定挑戰性任務的主題。

其次是設計好挑戰性任務的子任務。將挑戰性任務拆解成若干子任務，可以據此構建起整個課堂的教學框架，將任務一個一個完成。這樣符合學生的認知發展規律，學生更易于理解和接受，教學效果會更好。

再次是設計好問題鏈的過程導向和關聯知識。挑戰性任務問題鏈的過程導向和關聯知識關系著整節課要達到什么樣的教學效果。問題鏈的過程導向和關聯知識要緊緊圍繞教學目標進行設計，同時考慮學生已有的知識、認知障礙和心理發展特點，使學生能一步一步地去解決問題，最終完成預設的任務。有學者研究指出，教師可以圍繞“WPHE”設計問題鏈的過程導向。其中“W”指“What”，即物理挑戰性任務的主題；“P”指“Possess”，即學生的現有知識水平；“H”指“How”，即怎么去設置課堂教學的問題鏈；“E”指“Effect”，即挑戰性任務要達到的效果。

最后是教學實施和效果檢驗。經過前面三個步驟，一節課的物理挑戰性任務問題鏈的開發就基本完成了，最后需要實施教學和檢驗效果。在實施課堂教學時，教師要發揮主導作用，營造良好的課堂氛圍，合理把握課堂的各個環節，保證課堂教學目標的達成和收獲預期教學效果。堅持發揮學生的主體作用，讓學生成為課堂的主人。引導學生討論和探究，培養學生解決問題的能力，促進學生成長，發展學生的物理學科核心素養。

四、高中物理挑戰性任務問題鏈設計案例

現根據前文提出的挑戰性任務問題鏈的設計與應用流程，以“速度變化快慢的描述——加速度”教學設計為例，詳細闡述高中物理挑戰性任務問題鏈設計與應用策略。

（一）教學分析及設計

1.教學內容分析

本節教學內容選自人教版高中物理教科書必修第一冊第一章第四節，重難點是加速度概念的建構與理解。加速度是描述速度變化快慢的物理量，是在參考系、位移、速度等概念基礎上進一步描述質點機械運動的物理量。從運動與相互作用的角度看，加速度是建立運動與相互作用關系的橋梁，描述力對物體的作用效果；從核心素養的角度看，經歷加速度概念建構過程，有利于學生形成運動與相互作用的觀念?？梢?，加速度是運動與相互作用中的重要概念，加速度概念的建構及對加速度概念內涵的理解是教學重點內容。

2.學情分析

本節課是針對高一的學生來設計的。從概念本身分析，加速度描述速度變化的快慢，即速度變化量與時間的比值，采用比值定義比較抽象，而高一學生抽象思維能力較弱，不易理解比值定義式；加速度又是矢量，需要考慮大小和方向，分析難度大。從數學知識角度分析，高一學生沒有系統學過向量運算的相關知識，不具備矢量運算能力，不容易掌握速度變化量的矢量特征，使得速度變化量和加速度的方向問題成為教學中的難點。加速度概念與速度、速度變化量等概念有關聯，加速度大小與速度變化率有關，加速度方向又由速度變化量的方向決定，因而學生對加速度的理解存在困難。

3.教學目標

物理觀念：通過分析生活中的一些運動實例，理解加速度表示的是速度變化的快慢；通過分析加速度與速度方向的關系來判斷物體的運動性質。

科學思維：經歷加速度概念的建構過程，促進學生進一步掌握類比的方法，提升科學推理能力；通過歸納多種直線運動中速度、速度變化量和加速度的方向，總結出判斷物體運動性質的方法，發展綜合分析能力與推理論證能力。

科學探究：通過小組合作，探究加速度方向與速度方向的關系，判斷物體的運動性質，培養交流、合作、探究等能力。

科學態度與責任：認識引入加速度概念的必要性，認識加速度與生活的聯系，形成探索科學的動力。

4.教學重難點

教學重點：建構和理解加速度概念；理解加速度與速度、速度變化量、速度變化率的聯系與區別；分析速度—時間圖像。

教學難點：用極限思想建立瞬時加速度概念。

5.教學方法

運用建構物理挑戰性任務問題鏈的教學方法，通過發展學生的科學思維來突破重難點。

（二）教學過程

教師先讓學生自主閱讀教材中“科學漫步”和“STSE”板塊的內容，充分利用教材中的信息調動學生已有的生活經驗，構建生活化的場景來創設相關問題情境，讓學生感受到運動的物體不僅位置變化有快慢之分，而且速度變化也有快慢之分。隨后引出問題：如何描述速度變化的快慢呢？學生通過類比速度的比值定義方法，得出加速度的定義，從而經歷概念的建構過程，發展運動觀念。由于學生欠缺矢量運算能力，需類比位移的合成，將知識遷移至討論速度的矢量運算，得出速度變化量的方向，從而得出加速度的方向。如何判斷物體做加速運動還是減速運動，可以利用多種情境對比分析，通過歸納總結形成結論。

挑戰性任務：如何描述物體速度變化的快慢？

為順利完成該挑戰性任務，教師將其分解成五個子任務，再圍繞這五個子任務設計若干個邏輯清晰、相互關聯的子問題，這些子問題具有內在的聯系，構成問題鏈。

1.子任務1：建構一個什么樣的物理量來描述速度變化的快慢？

教師活動：創設問題情境，引發學生思考。自然界中羚羊4 s內速度可由0達到25 m/s，獵豹4 s內速度可由0達到30 m/s，雖然運動的時間一樣，但是二者的運動情況并不同。再如，小汽車在10 s內，速度從0達到100 km/h，一列火車在300 s內速度也從0達到100 km/h。雖然小汽車和火車的速度都從0達到100 km/h，但是它們的運動情況顯然也不同。

問題1.1：上述情境中，你如何比較羚羊和獵豹速度變化的快慢？又如何比較小汽車和火車速度變化的快慢？比較方法有何不同？

問題1.2：如果兩個不同物體運動的[Δ]v和[Δ]t都不同，如何比較速度變化的快慢呢？

問題1.3：速度是描述物體位置變化快慢的物理量，類比速度的定義，請你給出新的物理量（加速度）的定義式。

問題1.4：運用[ΔtΔv]來描述速度變化快慢，可以嗎？如果可以，相對于[ΔvΔt]，你傾向采用哪個比值？為什么？

問題1.5：加速度的單位是什么？

問題1.6：若物體在沿著直線運動的過程中，它的加速度大小為3 m/s2，其物理意義是什么？

設計意圖：如何比較速度變化的快慢？讓學生從相同[Δ]v比較[Δ]t或者相同[Δ]t比較[Δ]v出發，拋出如果[Δ]v和[Δ]t二者都不相同如何比較的問題，通過類比速度的定義來建構加速度的定義式。問題1.4具有開放性，能夠拓展學生的思維。通過解決上述系列問題，學生能夠得出加速度的定義式和單位，初步建立加速度概念。

2.子任務2：加速度是矢量還是標量？如何確定它的方向？

問題2.1：如圖1所示，物體初始的位置在x1，經過一段時間之后物體移動到了x2，那么位移[Δx]可以表示為[Δx=x2-x1]。如何在圖1中畫出[Δx]？

問題2.2：類比位移作圖方法，分析速度變化量。如何在圖2中畫出速度變化量[Δv]？

問題2.3：一輛汽車在10 s內速度由0增加到72 km/h，汽車在這5 s內速度的變化量以及加速度是多少？

問題2.4：一輛汽車以72 km/h的速度勻速行駛，司機突然發現前方有障礙物，急忙踩下剎車，汽車經2.5 s停了下來（司機的反應時間忽略），求汽車開始減速到停下來的速度變化量和加速度。

問題2.5：如圖3所示，分析乒乓球在碰撞過程中，速度的變化量和加速度分別是多少？（設碰撞時間為0.01 s）

設計意圖：通過類比位移的合成，再遷移知識討論速度的矢量運算。教師引導學生正確作圖，利用作圖法分析位移的大小和方向，然后遷移到分析速度當中。通過具體題目分析同方向的加速運動和減速運動中速度變化量，體會加速度方向與速度方向無關、與速度變化量方向有關。通過小組交流和師生互動，學生認識到矢量運算要注意方向，進而加深對速度變化量方向與加速度方向相同的理解。

3.子任務3：如何利用加速度的方向分析物體的運動情況？

教師活動：展示物體不同方向的加速直線運動和減速直線運動（如圖4所示），引導學生利用加速度來分析物體是做加速運動還是做減速運動。

問題3.1：請計算出4種情況物體的加速度，然后回答a＞0時物體加速，a＜0時物體減速，對嗎？

問題3.2：加速運動的加速度一定為正值嗎？加速度的方向與速度方向相同嗎？

問題3.3：加速度的正、負代表的是什么？

問題3.4：什么情況下物體加速，什么情況下物體減速？

設計意圖：由于高一學生剛接觸矢量，不清楚矢量運算法則，為突破加速度方向這個難點，本部分進行了進階設置。問題設置的情境從同向加速、同向減速到反向加速、反向減速，讓學生通過分析多種情況中加速度的方向，歸納出加速度與速度方向相同時加速、加速度與速度方向相反時減速的特點，深化對直線運動中加速度方向的理解。

4.子任務4：加速度與速度、速度變化量、速度變化率的聯系與區別是什么？

教師活動：創設情境。播放電動方程式賽車與卡塔爾航空客機在多哈機場進行別開生面的速度比拼的視頻。電動賽車重880 kg，可以在3 s內從0加速到100 km/h。一開始賽車比客機快，但之后，客機的速度漸漸超過賽車。比賽過程中，賽車最大速度為225 km/h，客機在高空中最大速度為944 km/h。賽車速度從0到100 km/h用時3 s，客機速度從0到100 km/h用時29 s。

問題4.1：剛啟動時，賽車的速度為0，加速度是不是也為0？

問題4.2：客機能夠達到的最大速度很大，加速度是不是也很大？

問題4.3：比賽中客機的速度變化量大，還是賽車的速度變化量大？

問題4.4：賽車和客機的加速度分別是多少？

問題4.5：“速度大”“速度變化大”“速度變化快”分別指的是什么？

問題4.6：請判斷是否存在下列運動情況并舉例。速度很大，加速度為0；速度變化很大，加速度很?。凰俣茸兓芸欤铀俣群苄　?/p>

設計意圖：學生通過計算后會發現，速度為0時，加速度不一定為0；加速度為0時，速度也不一定為0。速度變化大，加速度不一定大；速度變化小，加速度不一定小。問題4.6進一步觸發學生思考，加深學生對速度、速度變化量、加速度概念的理解。在教師的引導下，學生能夠總結出加速度與速度、速度變化量之間沒有必然的聯系。

5.子任務5：如何利用速度—時間圖像來獲取加速度的信息？

問題5.1：圖5中圖線1、2說明速度隨時間如何變化？誰的加速度大？

問題5.2：圖6中圖線3、4說明速度隨時間如何變化？誰的加速度大？

問題5.3：回顧x-t圖像（如圖7所示），圖線A的斜率是多少？它的物理意義是什么？圖線B為在x1處的切線，它斜率的物理意義是什么？

問題5.4：將圖7縱軸坐標x改為速度v（如圖8所示），圖線C的斜率是多少？它的物理意義是什么？圖線D為v1處的切線，它斜率的物理意義是什么？

設計意圖：本部分從勻加速直線運動到勻減速直線運動，再到非勻變速直線運動，由淺入深搭建臺階，通過類比分析x-t圖像和v-t圖像，使學生深入理解速度、速度變化量和加速度的聯系與區別，一步一步突破難點問題，提升學生利用圖像獲取和處理信息的能力，培養科學思維。

本教學設計基于加速度概念的建構，結合學生的認知水平，在多個子任務中設置問題鏈，循序漸進，從為什么要建立加速度概念，到如何定義與表述加速度概念，到加速度與已有物理概念（速度、速度變化量）之間有什么關聯，再到應用拓展，引導學生經歷運用極限的思想區別平均加速度和瞬時加速度，幫助學生深化對加速度概念的理解，掌握類比分析方法，理解極限思想，提升通過圖像獲取信息的能力，發展科學思維，涵育物理學科核心素養。

五、依托挑戰性任務問題鏈開展高中物理教學的成效與反思

為檢驗物理挑戰性任務問題鏈教學的效果，課題研究過程中，課題組設置了試驗班和對照班對比教學效果，使用SPSS 26.0軟件對試驗班和對照班的前測成績和后測成績進行統計分析。

（一）試驗班和對照班前測物理成績分析

試驗班和對照班的前測物理成績及相關情況如表1、表2所示。由表1可知，試驗班和對照班的前測物理成績平均分接近，標準差相差不大，說明兩個班的前測物理成績是相當的。在表2中，兩個班級數據結果的萊文方差等同性檢驗，F=0.198，p=0.657＞0.05，因此不能拒絕原假設，兩個數據樣本的方差是相等的，此時可以采用等方差t檢驗。t檢驗結果顯示，在方差相等時，p=0.710＞0.05，故接受原假設。說明兩個班級的前測成績沒有顯著差異，對照班的選取是合理的。

（二）試驗班和對照班后測物理成績分析

試驗班依托挑戰性問題鏈展開教學，對照班采用常規教學，經過一個學期的教學，期末考試成績的分析對比如下。從表3可以看出，試驗班和對照班的平均分都有提高，試驗班提高得更多。但成績是否有差異需要進一步檢驗。根據表4的萊文方差等同性檢驗的結果，F=1.153，p=0.285＞0.05，故可以認為兩樣本方差相等，采用等方差t檢驗。t檢驗結果顯示，p=0.041＜0.05，說明實驗班和對照班物理成績的平均值有顯著性差異。這說明在高中物理教學中設計挑戰性任務問題鏈，能夠有效提升課堂教學效果。

雖然挑戰性任務問題鏈在高中物理教學中取得了一定的效果，但在實施過程中也發現了一些困難和不足。對教師而言，最大的困難在于分解教學任務和設計問題，這需要教師具有較高的理論素養和豐富的教學經驗。對自主學習能力弱、不善于思考的學生來說，挑戰性任務問題鏈讓他們倍感壓力，有時甚至會出現抵觸的情緒。因此，挑戰性任務問題鏈教學的推進需要師生相互配合才能取得更好成效。接下來，課題組將在培養學生知識探究能力、思維能力的基礎上，進一步關注學生心理情感活動，增強學生學好物理的信心，持續發展學生的物理學科核心素養。

參考文獻

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注：本文系廣西教育科學“十四五”規劃2023年度科學教育專項課題“基于挑戰性任務的問題鏈在高中物理教學中的實踐研究”（2023ZJY806）的研究成果。

（責編 劉小瑗）

作者簡介：吳高年，1977年生，廣西靖西人，在職研究生，高級教師，主要研究方向為高中物理教學。