基于物理挑战性任务问题链教学的实践研究

居津，臧涛成

摘   要：“问题链”可以促进高效教学，而如何设计好“基于挑战性任务问题链”是值得广大教师深度研究的课题。文章阐述了物理挑战性任务问题链的含义和特点，通过对“抛体运动的规律”的教学实践探索，阐明了此类问题链的设计思路、实施策略和评价方法，并进行了教学反思。

关键词：挑战性任务;问题链;新教材

中图分类号：G633.7 文献标识码：A     文章编号：1003-6148（2021）11-0064-5

《普通高中物理课程标准（2017年版）》中明确指出，物理课程教学可以通过问题解决的方式，促进学生物理学科核心素养的达成[1]。问题导向已经成为现今教学方式的主流，好的问题可以促进高效教学，为学生提供有效学习支架，而“问题链”对学生学法的形成则更具导向作用。基于“挑战性任务”的物理教学，多以真实情境为背景，解决实际问题为驱，以学生主动参与、建构和创造为方式，注重学生知识内化、技能运用和思维的高阶发展。“物理挑战性任务问题链”教学是将教材知识转化为对学生而言具有挑战性的任务，通过教师提出的一连串具有情境性、适度性、关联性和开放性问题的引导从而完成任务的教学过程。如何设计好“物理挑战性任务问题链”是一门艺术，值得广大教师深度研究。

1    物理挑战性任务问题链的界定及其设计要求

1.1    物理挑战性任务问题链的含义

挑战性任务，是指教师根据教学目标，通过分析学生学情，将教材知识转化为具有一定挑战性且可独立或合作完成的学习任务。这样的学习任务仅靠知识的记忆与题海的训练是无法完成的，需要学生有一定的逻辑思维能力、学习迁移能力等。物理挑战性任务与维果斯基的“最近发展区”和马斯洛的“认知需求”理论紧密相关。给学生设置略高于现有水平的任务项目，调动学生的积极性，将被动学习转化为实现自身价值的主动需求，是一种具有高水平认知需要的教学任务。

物理挑战性任务问题链指为实现学生知识的内化和应用，将物理知识转化为挑战性任务，以问题链的形式呈现给学生。“问题链”是一问接一问，一环扣一环的。从目标上看，它步步深入，由此及彼;从内容上看，它问问相连，环环相扣[2];从过程上看，它层次鲜明，螺旋上升;从效果上看，它次次飞跃，逐步升华。

物理挑战性任务问题链包含两类任务：一是最终需要达成的终极任务;二是为完成终极任务而分解出来的若干个子任务。这些子任务围绕终极任务而设计，又包含了诸多有关联的问题链，从而构成贯穿整个课堂的问题线索。

物理挑戰性任务问题链的主要结构如图1所示。

1.2    物理挑战性任务问题链的特点

挑战性任务问题链以完成任务为目标，是知识的应用过程。这个过程基于已经掌握基本知识的前提之上，主要通过不断转化问题进行学习、思维方法的迁移和应用。其特点主要包括以下几个方面：

①情境性。挑战性任务通过设置问题链要保证学生能够最终完成任务，所以这个任务必然是学生相对熟悉的生产生活中的实际问题。

②适度性。挑战性任务问题链的设置应当始终处于学生的最近发展区，这样才能更有效地激发学生完成任务的积极性。通过子任务的引导，鼓励学生深入思考，逐步培养学生解决问题的能力。

③关联性。挑战性任务分为终极任务和一系列子任务。子任务之间的纵向问题设置和每个子任务内的横向问题设置需要有一定的关联性和系统性，目标均指向终极任务的完成。

④开放性。终极任务是课前教师的一个预设，课堂上学生一起进行“头脑风暴”，必然会有意想不到的解决方法。学生完成挑战任务的过程也是培养学生发散思维、创新能力的大好时机。

2    基于物理挑战性任务问题链的教学实践

设计合适的挑战性任务和符合学生最近发展区的问题链，能有效地引导学生沿着问题情境去思考和探究，给学生一个可以攀登的问题阶梯，满足学生的认知需求，达到培养能力、提升学科核心素养的目标。基于教学实践，结合人教版新教材“抛体运动的规律”一课，来说明问题链的设计、实施和评价。

2.1    问题链的设计——从关注“知识”转变为关注“学生”

2.1.1    确定问题链的问题导向

问题链的设置应该具有明确的指向性和针对性，不能随意设置。要明确教学目标和学生已有水平，把握好完成任务要达到何种目的，取得怎样的效果[3]。可以围绕“WPHE”四个导向进行设计，即“What”（是什么）指挑战性任务是什么;“Possess”（具有什么）指学生已经会什么;“How”（怎么做）指怎么设置问题链;“Effect”（什么效果）指挑战性任务的达成效果。“抛体运动的规律”的“WPHE”问题导向如表1所示。问题导向的分析关系到整节课的走向和目标达成情况，所以在设计挑战性任务问题链前分析清楚本节课的问题导向至关重要。

2.1.2    确定问题链的关联知识

人教版新教材关于“曲线运动”一章的改动较大：将原来的一章拆分成两章，把“抛体运动”作为单独一章与“圆周运动”区分开来。其目的是让学生体会两种不同的处理曲线运动的方法。“抛体运动的规律”是“抛体运动”一章的最后一节，旨在让学生将所学的物理知识应用到实际生产生活中去。学生在学习本节内容时已经了解了什么是曲线运动，以及曲线运动的常用处理方法——运动的合成与分解，并通过实验掌握了平抛运动的特点。抛体运动规律的学习是在此基础上，让学生学会应用所学知识解决问题，构建知识网络，逐步形成物理观念。图2是学生已有知识与本节将要学习内容的关联图。

从此知识关联图来看，在设置抛体运动规律的挑战性问题链时，要以学生已经学过的直线运动规律、运动的合成与分解的规律为问题台阶，逐步引导，层层深入，让学生学会应用知识，使用规律，完成任务。

2.1.3    设计挑战性任务与子任务

澳大利亚新南威尔士大学的认知心理学家约翰·斯威勒在1988年提出的认知负荷理论表明[4]：处理具体任务时加在学习者认知负荷上的系统是多维结构，包括：①任务的特征，如复杂程度、任务形式、时间压力、教学步骤等;②学习者特征，如知识水平、年龄、空间能力等;③心理负荷，即任务和主体交互，认知和主体的先验估计;④心理努力，即认识负荷中实际分配的用于容纳任务所加需求的认知容量。鉴于上述理论，挑战性任务的最终达成需要若干个提示性子任务来支撑[4]。

对于本节课，首先，制定一个挑战性终极任务，即抛体运动规律的应用（枪击球瓶）;其次，将终极任务分为若干个潜在学习目标（子任务）;再次，将理想情境实际化，让学生学会处理更普通的实际问题，最终完成挑战性任务。基于以上考虑，本节课的终极任务和子任务设计如图3所示。

通过明确问题导向，厘清问题链的关联知识，明确学生已有水平，设计终极任务和相关子任务。将以往的关注“知识”转变为关注“学生”，使学生真正成为课堂的主体，充分发挥其主观能动性，大大激发了学生的学习兴趣。

2.2    问题链的实施——从“主导”走向“合作”

提出终极任务作为课堂引入：枪击球瓶（图4）。教师演示，请学生体验枪击球瓶。

问题1：请大家仔细观察子弹飞出枪口后的运动轨迹，是一条直线吗？

问题1.1：子弹离开枪口后，做什么运动？

问题1.2：如何处理平抛运动？

问题1.3：平抛运动的水平方向和竖直方向分别是什么运动？

问题1.4：这两个分运动具有什么特点？

问题1及其子问题是对挑战性任务的初步感知，传递本节课将要学习的内容与上节课中研究过的平抛运动有关的信息，并用打枪击中球瓶的方式呈现，引起学生兴趣，激发求知欲。同时，让学生经历“归纳现象—提取信息—建立模型—解决问题”的一般科学研究过程，促进学生建模能力、问题解决能力的培养。

问题2：观察刚才那位同学打枪，子弹并未击中球瓶。如果保持槍口水平，出射位置只在竖直方向做怎样的调整，有可能击中目标？

问题2.1：竖直高度的改变直接影响平抛运动的哪个物理量？

问题2.2：如果子弹从球瓶的上方掠过，在保持枪口水平、子弹出射的初速度和出射的水平间距不变的条件下，竖直方向应该增加高度还是减小高度？

问题3：如果保持枪口水平，出射位置只在水平方向做怎样的调整，才有可能击中目标？

问题3.1：不改变出射位置的竖直高度意味着哪个物理量保持不变？

问题3.2：如果子弹从球瓶的下方掠过，在保持枪口水平、子弹出射的初速度和出射的竖直高度不变的条件下，水平方向应该增加距离还是减小距离？

问题2、3及其子问题设置的目的是通过具体的实例让学生理解和应用平抛运动规律，给出具体问题让学生解决，帮助学生逐步从形象思维转变为抽象思维，为后面即将要学习的平抛运动的速度、位移和轨迹作铺垫。

问题4：若枪口位置保持水平，出射位置同时在水平和竖直方向进行调整，可以击中目标吗？

问题4是一个开放性的问题，是问题2和问题3的延伸和提升。旨在进一步内化平抛运动规律，将挑战性任务进行聚焦，引导学生逐步提出利用平抛运动轨迹完成任务的核心问题，并为斜抛运动问题的提出作准备。

问题5：对于问题4的解决方法，你的方案与周围同学的方案相同吗？小组讨论，交流汇报，分享解决问题的过程。

问题5一方面让部分依旧不能解决问题的学生在同学的帮助下掌握知识，应用规律，另一方面让大家意识到问题4答案并非唯一。在培养学生团队协作能力、交流表达能力的同时，也培养了学生的发散思维和创新能力。

问题6：除了可以改变出射位置的水平距离和竖直距离之外，还有别的击中方案吗？

问题6.1：经过一系列的讨论，利用众多调整方案，大家都想办法击中了球瓶，子弹击中球瓶时速度方向相同吗？

问题6.2：能否通过理论计算的方法预测合适的出射位置和对应的初速度？

问题6和子问题的设置是在问题5的基础上将平抛运动规律的易错点融入实际问题中，旨在引发学生深度思考，将实际问题抽象为物理问题进行解决，引导学生对此类问题进行归纳、总结。逐步将物理知识、规律进行内化，帮助学生构建更完善的知识网络，通过问题的提炼，利用数形结合为学生的高阶思维提供良好的载体。

问题7：如果枪口未保持水平，能否击中球瓶？

问题7.1：如果枪口出射方向斜向上，出射子弹的轨迹有何特点与运动规律？

问题7.2：如果枪口出射方向斜向下，出射子弹的轨迹有何特点与运动规律？

问题7.3：三种抛体运动的轨迹和运动规律有何异同？

问题7.4：任意抛体运动击中球瓶的一般方法是什么？

问题7及其子问题的设置是终极任务的达成方案，起到首尾呼应的课堂效果，也是本节课所学知识的总结与应用。本节课的知识在设置的挑战性任务中自然产生，在完成任务中通过问题链的方式自然解决。虽然是一节规律应用课，但学生并无枯燥无味的感觉。从授课内容来看，理论联系实际，注重应用规律，物理结合数学;从授课方式来看，有终极任务贯穿始终，有子任务逐步推进;从课堂互动来看，学生既有思维体验，又有操作体验;从达成效果来看，学生既掌握了知识，又学会了应用，既锻炼了思维，又培养了能力。整节课突出了学生的主体地位，强调了团队合作，体现了育人思想，物理学科核心素养在本节课中展现得淋漓尽致。

2.3    问题链的评价——从“单一”转向“多元”

通过教学实践，笔者进行了专家访谈和师生认可度调查问卷。从挑战性任务的设置和问题链在学生学习过程中的地位、作用两方面进行评价，制作了“物理挑战性任务问题链”教学有效性评价表（表2）[5]。从评价表不难发现，教学有效性评价表将评价标准从“单一”转向“多元”。此评价表为一线教师设计物理挑战性任务问题链提供了一定的指导作用。

3    教学实践的反思

以具有挑战性的任务作为教学逻辑主线，配合问题链作为学习脚手架，应用到“抛体运动的规律”的教学中。该教学案例有利于激发学生的学习兴趣、建模能力和解决问题的能力，有利于发展学生的发散思维、创新思维等高阶思维，有利于落实学科核心素养。案例中涉及的问题链的设计思路、实施策略和评价方法等可以供同行借鉴和参考。然而，挑战性任务问题链是否适用于所有物理课型，是否有更高效、更合理的问题链设计方案等问题还未得到解决。还需要特别说明的是，2.3中的评价表是笔者对专家进行访谈和师生问卷调查制作而成，尚未经过信度及效度的科学检验，对物理挑战性任务问题链的有效评价还有待进一步的探究。

参考文献：

[1]中华人民共和国教育部.普通高中物理课程标准（2017年版）[S].北京：人民教育出版社，2018：49.

[2]王后雄.“问题链”的类型及教学功能——以化学教学为例[J].教育科学研究，2010（05）：50-54.

[3]方林，陶士金，许新胜.浅议高中物理单元教学问题链的设计与实施——基于“静电场”单元教学案例[J].物理教学探讨，2020，38（03）：77-80.

[4]龚含笑，唐恒钧.基于挑战性任务的数学问题链教学研究——基于“余弦定理”的教学探索[J].中学数学，2020（09）：13-15+18.

[5]高雨杏.中学生物学教学中问题串设计有效性评价的研究[D].漳州：闽南师范大学，2017：27-33.

（栏目编辑    贾伟尧）