典型任务范式中科学探究能力的培养

葛元钟

摘要：勇于探究是科学精神的重要组成部分，利用典型任务范式有利于学生探究能力的培养，本文以浙教版科学九年级第三章《机械能》为例，让学生在完成机械能经典碰撞实验任务的过程中，体会转换法、控制变量法、类比法等探究方法；在体会能量转化的过程中，联系生活实际思考如何设计汽车的刹车装置、尝试解决科学工程问题。

关键词：典型任务；探究能力；机械能；转换法

2016年9月，北师大举行了中国学生发展核心素养研究成果发布会。这项历时三年、权威出炉的研究成果，对学生发展核心素养的内涵、表现、落实途径等做了详细阐释。中国学生发展核心素养以培养“全面发展的人”为核心，分为文化基础、自主发展、社会参与三个方面。综合表现为“人文底蕴、科学精神、学会学习、健康生活、责任担当、实践创新”六大素养。科学精神主要是学生在学习、理解、运用科学知识和技能等方面所形成的价值标准、思维方式和行为表现。勇于探究是科学精神的重要组成部分。

1当前初中探究式课堂的现状

初中科学学科的探究式课堂已经非常普遍，特别是教师在公开课中都会选择探究模式进行设计。经观察，在课堂实施过程中的这样一些现象，阻碍了探究式课堂的发展，减少了探究式课堂本应带来的能力提升效果。

1.1片面追求探究过程的完整性

在义务教育阶段物理课程的学习中，探究教学模式基本上遵循着提出探究课题——猜想与假设——制订计划与设计实验——进行实验与收集证据——分析与论证——评估——交流合作这样一个由七个阶段构成的程序。在实际教学中的科学探究，如果都要涉及以上程序中的所有阶段，将会制约探究课堂的发展。

1.2公开课中进行的假探究

课程改革中明确强调探究式教学，并将视为课改的灵魂。初中的科学教师在上公开课的时候一般会选择探究性教学。用小组合作的方式开展探究性教学，这就需要学生有合作探究意识和探究能力为前题。由于平时缺少训练，所以在公开课上看到的往往是无序的热闹和流程式的探究，对学生的探究能力提高反而会有不良的影响。

1.3很少从生活中去提炼探究问题

探究式教学是充分发挥学生主体性的教学方式。目前，课堂中的探究问题很少放到一个贴近生活的情境中，因此，在課堂上学生经常会产生“这样探究有什么用”的困惑。如果教师能提供情境，要求学生能从日常生活、自然现象或实验观察的情境中发现与物理学有关的问题，将会明显提高学生的探究热情和探索未知世界的兴趣和勇气。

2典型任务课堂范式

本文中的“典型任务”是指：在科学课堂的探究任务中要包含着学生必须掌握的核心知识点；典型任务中还应该蕴含着学科学习的方法；任务中要设计一些有梯度的问题情境，着力培养学生解决问题的能力。

2.1任务中包含着核心知识

核心知识是每个教学活动单元中必须要让学生掌握、理解、明确的主要知识，是教学的主体内容与知识主干，是整个教学活动链条中的关键链环。抓住了核心知识就等于抓住了教学主线，其他课堂知识必须围绕它来组织安排。

科学课堂的典型任务中的核心知识一旦确定，教师必须确保其在教学中凸显出来并加以重点关注，那些与核心知识密切相关的课堂知识将被置于教学主干的地位。

2.2蕴含着学科学习的方法

在教学中应侧重培养学生的科学素养。而科学素质则由科学知识、科学能力、科学方法、科学意识和科学品质等诸要素构成。其中科学方法是科学素质的翅膀，是获取科学知识的手段。学生只有掌握了科学方法，才能更深入地理解和牢固掌握科学知识，提高学习效率，起到事半功倍的作用。

笔者曾执教九年级上册第三章第二节《机械能》。课堂上通过带领学生分析追尾造成伤害的原因，分析伤害程度与什么因素有关，解释交通法规中大货车、小汽车不能超载、超速的原因，着力培养学生转换法、类比法、控制变量法等探究方法。

2.3创建来自生活的情境

新课标指出：“要注重学生在现实生活的背境中学习科学知识，倡导学生在解决实际问题的过程中深入理解科学的核心概念并加以运用。”

著名特级教师陈锋老师在评课时说：“典型任务的情境来源于生活，在课堂中要完成典型任务必须解决一个或者一组实际问题。创建比较生活化的有趣的情境，可以加深学生对科学知识在生活实际中的应用体验。通过典型任务，可以让学生感受掌握知识、解决问题的满足感。”

在执教《机械能》的过程中，笔者以“小明全家一起开车到外地游玩，在高速公路上发现汽车的刹车失灵”做开篇引入，用车祸视频吸引学生注意，让学生身临其境。

设计如下：10月1日，小明全家一起开车到外地游玩，在高速公路上发现汽车的刹车失灵，一家人顿时陷入了恐慌中……，播放2分钟车祸的视频。思考：

（1）视频中失控的汽车具有什么能？

（2）物体有“能”可以对外做功，依靠什么来判断失控汽车“能”的大小？

可以通过两辆汽车共同的损坏程度大小来判断动能的大小，动能的大小可以通过对外所做的功的多少来表示。W=F₁S₁+F₂S₂+…

3典型任务范式中科学探究能力的培养

在典型任务的课堂中，将学生的自主学习、合作学习、探究学习较好地结合起来。学生在课堂上通过完成教师布置的任务，提升自己的科学探究能力。下面笔者就结合《机械能》这一堂课为例进行说明。

3.1让学生在探究中意识到课本实验的经典

典型任务一：根据桌上材料，设计出能判断动能大小的装置

提问：由于需要多次实验，如何保证每次实验中小球速度相同？

提示：用斜面、用手，单摆、弹簧，电动机。

提问：斜面上滑下的小球速度如何变化？endprint

组织学生讨论：如何让小球获得稳定的动能大小？由于大家的猜想是动能和物体质量、速度有关，因此，要解决如何让小球在B点获得稳定的速度。通过学生的讨论和实验，大家发现：用手，速度不稳定；用单摆，不容易对准小木块D；用弹簧，操作不方便；用电动机，设备太麻烦。所以得出：用斜面获得速度最稳定，而且容易改变物体速度的大小。

通过对速度获得方式的对比后，不仅更容易接受课本中用斜面获得速度的方法，理解实验设计的出发点和技巧，更重要的是通过“如何保证每次实验中小球速度相同”这一问题的讨论研究，能使学生对整个实验的理解更深人、更到位。

3.2让学生在探究中学会探究实验的观察设计

在数学等式中，能够影响其他变量的一个变量叫做自变量。如果（x）取任意一个量，（y）都有唯一的一个量与（x）对应，那么相应地（x）就叫做这个函数的自变量。如果（y）是（x）的函数，那么（x）是这个函数的自变量。

在科学教学中，任何一个系统（或模型）都是由各种变量构成的，当分析这些系统（或模型）时，可以选择研究其中一些变量对另一些变量的影响，那么选择的这些变量就称为自变量，而被影响的量就被称为因变量。

在《机械能》这一节中，有这样的表述：射箭时手拉弓弦使弓的形变越大，箭就射得越远；球拍击打网球越用力，网球拍形变就越大，网球就会飞得越远。由此可见，弹性势能的大小跟物体形变的大小有关，物体的弹性形变越大，弹性势能就越大。

由于弓和弦的弹性势能完全转移到箭上，网球拍的弹性势能完全转移到网球上，所以，箭射得远近和网球飞得远近就是物体弹性势能大小的观测指标。

从上图可得，动能大小的观测指标设计可以从能量转化考虑，动能越大造成的损坏就会越大，克服摩擦形成的位移越大，刹车装置转化成的内能就越多，也可以冲上更高的斜坡。在课堂上，引导学生思考设计怎么样的指标观测装置，经过小组合作总结出这样几个可行性方案：用小球撞干面粉，用小球撞橡皮泥，用小球撞小车，用小球撞积木等等。经过实验比较，大家一致认为：用小球撞小车，测小车移动的距离，更方便、更准确，能比较迅速地将小球动能大小表示出来。

在课堂上，组织学生一起讨论是否可以通过汽车损坏程度大小来判断动能的大小这一问题，一致得出：动能的大小可以用造成损坏程度和对外所做的功来表示。交警正是通过观察损坏程度和对外所做的功的大小来初步判断事故发生时汽车的速度。

教师引导学生理解：如果将本实验中的小球假设为飞驰的汽车，小木块相当于汽车的刹车装置。而后引出第二个典型任务：实际汽车的刹车装置。了解生活中跑车的刹车盘大，刹车卡钳的摩擦力大。因此，虽然跑车速度快，动能大，也能较快刹住车。核心知识是：刹车装置是一个将动能转化为热能的装置，并且是通过摩擦做功的方法使物体内能增加的。

有的物理量不便于直接测量，有的物理现象不便于直接观察，可以用转换的方法。转换法是对于一些看不见、摸不着的现象或不易直接测量的物理量，用一些非常直观的现象去认识，或用易测量的物理量间接测量的研究方法。表1是学生总结出的适用转换法的实验。

3.3让学生在探究中学会探究过程的几类方法

能对外做功的物体具有能量。物体具有做功的本领，是因为它具有能。做功的过程实质上就是能量转化的过程。不同的物体做功的本领也不同。一个物体能够做的功越多，表示这个物体的能量越大。动能是物体由于运动而具有的能。典型任务“研究动能的大小与什么因素有关”就要用控制变量是一研究方法。操作如下：

提出问题：动能的大小与什么因素有关

建立假设：可能与物体的质量、运动速度的大小有关

设计实验的过程中，最重要也是最困难的就是设计表格，用以研究自变量和应变量之间的关系。通过和学生一起讨论研究，设计表2实验表格：

在学生分组实验之后，师生共同总结实验结果。

教师提问：大货车、小汽车为什么不能超载、超速？

教师讲解：超载、超速时车子的动能增大，能对外做更多的功。在刹车时，这些动能转化为刹车盘克服摩擦做功。汽车在全力刹车情况下，动能大的要经过更长的距离才能停下来。

在《机械能》这一节课中，还要研究物体的势能与什么因素有关。这个研究和物体的动能与什么因素有关是相似的，因此可以用类比法进行研究。

参照动能的大小与什么因素有关的实验，设计重力势能的大小与什么因素有關的实验如表3。

教师小结：重力势能表现它做功本领时，通常有一个重力势能先转化为动能的过程。暗含势能和动能的转化，为下一节课作准备。

3.4探究任务要解决生活中的问题

在典型任务范式中开展探究式教学，目的是让学生在完成任务的同时，掌握核心知识，领悟探究方法，其中任务情境是明线，让学生学得轻松和有趣，让知识更好地和生活相结合；核心知识和方法是暗线，要突出重点，突出知识和方法的应用性，力求达到课堂上深刻与生动的完美结合。

在《机械能》这一课中，最后还设计了一个讨论：刹车失灵怎么办？如何设计大货车和小车的刹车装置？思考作为初中学生，怎样安全出行？

在这个环节中，学生们集思广益，充分发表意见：加大刹车盘直径，减小车重，刹车盘耐高温，限速、加大盘与钳的压力和粗糙程度，油门当刹车误踩装置，不闯红灯，不超速，不超载，提醒亲人高速公路不停车，冷却刹车盘（到服务区自然冷却），在高速公路上增加缓冲斜坡等等……

本文根据学生的和教师的教学实际，对《机械能》这一堂课的进行教学设计进行剖析，对在典型任务范式中开展探究式教学几个优势进行了罗列：通过典型任务的设计，使知识和生活联系的更加密切有利于学生利用知识去解决生活中的问题；通过典型任务的设计比较，让学生意识到课本实验都是经过精心挑选的经典；通过典型任务的设计，还能让学生学会探究实验的观察设计，从而突破学生实验设计的难点；通过典型任务的设计，让学生在探究中学会探究过程的几类方法。endprint