应用任务驱动教学法 培养物理学科核心素养*——以“摩擦力”的教学为例

纪雯婷 许 英

(湖南科技大学物理与电子科学学院 湖南 湘潭 411100)

1 理论背景

起源于建构主义教学理论的任务驱动型教学法的含义是学生在教师的引导下,完成根据需要学习的知识制定的教学任务,在完成任务的过程中实现教学目标[1].任务驱动教学法的基本环节包括:创设情境,设定任务,自主和协作学习,效果评价.它要求确定明确的学习目标和创建真实的问题情境,使学生带着任务在情境中进行自主探索和互助协作的学习.在这一方法下,学生成为了知识的主动建构者,而不是被动的吸收者[2].这与《新课标》所提出的教学理念,即“将课堂还给学生,使学生成为学习的主人”相一致.罗均等人的研究发现,任务驱动法的应用,不仅符合高中生的探究需求,还能培养学生学习兴趣,使学生物理水平得到有效发展[2].研究者们十分认可将任务驱动教学法应用在物理教学中能够更好地帮助学生学习物理.然而,当前对于如何应用任务驱动教学法去培养学生物理学科核心素养方面的研究却还不足.因此,本文试从任务驱动教学法这一新视角出发去培养学生物理学科核心素养.

2 通过任务驱动教学法推动培养学生物理学科核心素养

将任务驱动教学法运用到课堂教学中能够推动新课标的落实与物理学科核心素养的培养.物理学科核心素养包括物理观念,科学思维,科学探究以及科学态度与责任[4].笔者挖掘并整理了通过任务驱动教学法来培养学生物理学科核心素养的内在逻辑关系,如图1所示.

图1 任务驱动教学法与培养物理学科核心素养的内在关系图

在创设情境环节,可通过生活实例激发学生学习和研究物理的兴趣和求知欲,培养学生科学态度;在设定任务环节,可通过共同制定探究任务,培养学生科学思维;在自主和协作学习环节,可通过分组协作进行独立实验,培养学生科学探究能力;在效果评价环节,可通过自主评价总结课堂收获,培养学生物理观念.因此,抓好任务驱动法的4个基本环节对于培养学生的物理学科核心素养具有重要意义.

3 教学设计思路

接下来,笔者以人教版必修1第三章第2节“摩擦力”一节为例,以培养学生核心素养为目标,基于任务驱动型教学法来进行了课堂教学设计.

摩擦力的学习是人教版必修一第三章的重点和难点,正确认识摩擦力对于后面研究力的特点与规律,分析物体运动状态具有重要意义.学生在初中时已经初步接触了摩擦力,但难点在于不能做好静摩擦力和动摩擦力的区分.笔者运用任务驱动教学法,以“认识和理解摩擦力”为主线,明确好本节课的探究任务并以此为依据制定了探究计划.探究计划中包括了创设情境、设定任务、自主和协作学习、效果评价4个部分.学生围绕任务展开学习,再以任务的完成成效查验和反思学习过程.通过一个个任务的不断达成,学生逐渐增强自信心,激发出更大的求知欲望,构建起良性的循环,逐步形成科学的思维方法和自主学习的能力.因此,运用任务驱动型教学法进行教学设计能促进学生在学习物理时具有实验探究的欲望与意识,形成严密的科学思维模式和正确的科学思维方法,分析论证.学生通过采用各种方法自主协作完成任务,不断地锻炼和培养未来发展所需要的必备品格与关键能力.

4 课程教学目标与重难点分析

4.1 教学目标

(1)物理观念:清楚影响摩擦力大小的因素,会计算和判断摩擦力的大小,方向和作用点.

(2)科学思维:从生活实例中认真思考,大胆猜想影响摩擦力的因素,仔细制定实验方案,通过实验探究影响摩擦力大小的因素;锻炼学生的逻辑思维,观察思考,质疑创新等能力.

(3)科学探究:学生经历摩擦力影响因素关系以及摩擦力的方向和大小的判断与计算实验,掌握用控制变量法研究多因素问题;通过独立制定实验方案,收集数据,利用Excel进行数据处理和分析,得到实验结论来破除原有思维误区.

(4)科学态度与责任: 学生列举与生活情境相关的实例,体会物理与生活的紧密联系;学会通过构建起来的物理观念思考与解释自然现象.如:鱼的身体表面分泌的粘液的作用;综合应用物理知识思考摩擦力在生活中的危害与帮助.

4.2 教学重难点

(1)教学重点:清楚影响摩擦力大小的因素,掌握摩擦力的方向和大小的判断和计算.

(2)教学难点:明晰静摩擦力与滑动摩擦力区别和联系,通过实验数据图像理解静摩擦力并非永远小于滑动摩擦力.

5 教学过程

5.1 创设情境 引入新课

任务驱动教学法强调要为学生创设真实有趣的情境.学生在真实的情境中自然地唤醒已有认知,进一步形成新旧认知冲突,引入本节课内容的同时也为后续任务设置做好铺垫.教师通过设置真实有趣的情境,也自然地培养了学生乐于探究现象本质的科学态度,激发其学习和研究物理现象的好奇心与求知欲.

创设情境:教师提前将两本书逐页相互叠在一起(图2)带到课堂之中.

图2 不会掉落的书本

教师活动:教师提问学生猜想两本书是否会分开并思考原因.接着请提出不同说法的两位同学上台拉两本书的书脊,亲自验证自己的猜想.

学生活动:学生在拉动书后发现无法将两本书分开.在教师引导以及在初中对摩擦力有基本认知的前提下,学生思考得到是摩擦力阻碍两本书分开.接着,教师引导他们分享生活中常见的摩擦力现象并带领学生回顾初中所学摩擦力的知识.

5.2 明确任务 展开新课

在前期铺设的情境下,设置与学习主题紧密联系的探究任务作为本节课的中心内容,为新课展开提供指向性.教师与学生共同精心设计进阶性挑战任务群,优化学习路径,进行深度学习,把握知识的本质和意义[3].在这一过程中,学生需要运用带有批判性、创造性和逻辑性思维去设置具有深度意义的任务,从而培养学生科学思维能力.

从刚刚所举的例子,可以知道生活中无处不存在摩擦力,了解和应用摩擦力的知识能够帮助我们解决生活中许多问题.为了更深入理解摩擦力,教师与学生共同制定核心任务与分任务,通过完成进阶式自主探究活动去达成核心任务.

核心任务:认识和理解摩擦力.

分任务:

(1)了解滑动摩擦力的方向和作用点.

(2)滑动摩擦力大小的计算.

(3)静摩擦力的大小和方向探究.

(4)动摩擦力与静摩擦力的区别与联系.

进阶性挑战任务图如图3所示.

图3 进阶性挑战任务图

5.3 自主探究 协作学习

物理课程标准的基本理念指出,高中物理课程要通过创设学生积极参与、乐于探究、善于实验、勤于思考的学习情境,培养和发展学生的自主学习能力[4].学生在此阶段根据所设置的核心任务与分任务开展探究活动,经历探究活动的自主学习,小组任务的交流合作,新旧知识结构的同化顺应和科学实验的严谨认真.从而驱动学生自主学习能力,科学探究能力,与他人合作交流能力等多方面意愿与能力的提升.

5.3.1 探究任务一:了解滑动摩擦力的方向和作用点

学生在亲身实验中感受到滑动摩擦力的存在,为探究任务提供丰富的感性认识.在此过程中激发学生联系到原有认知结构中有关的知识,经验及表象,从而能够同化新知识,补充完善已有认知结构.

小实验:学生将手掌贴于桌面上,在桌面平行滑动,感受桌面对手掌的阻碍.

教师活动:引导学生进行实验,并提问学生:

(1)当手掌相对桌面用力前后滑动时,是否在接触面上感觉到有阻碍相对运动的力,这种力是什么力?

(2)翻开书本,看看书本对滑动摩擦力的定义是什么?

(3)滑动摩擦力的作用点在哪里?

(4)既然滑动摩擦力是阻碍手掌向前运动的力,那这个力的方向是与相对运动方向相同还是相反呢?

(5)选择多位同学回答问题,讲述其实验和思考所得结果.

学生活动:学生进行实验,感觉到在先前推动时,桌面给手的摩擦力.在翻阅书本后,了解到滑动摩擦力的概念:两个相互接触的物体,当它们相对滑动时,在接触面上会产生一种阻碍相对运动的力,这种力叫作滑动摩擦力.学生从实验中也理解了概念中所描述的摩擦力的作用点在接触面上,方向与相对运动方向相反.

注意: “相对运动方向”与“运动方向”容易混淆,可以结合参考系去帮助学生理解.

5.3.2 探究任务二:滑动摩擦力大小的计算.

教师引导学生列举生活例子并提问学生影响摩擦力的因素是什么?学生发散思维,进行猜想与假设.学生成为了课堂的主人,独立自主进行思考学习,进行思维的锻炼.

教师活动:教师在PPT中列举几个关于摩擦力大小与接触面的粗糙程度以及压力关系的不同的例子,如图4所示,再引导学生举出生活中类似的例子.提问学生:有什么因素会影响摩擦力的大小?

图4 生活实例

学生活动:学生根据幻灯片展示的对比图片进行了新旧认知冲突,改变了原有的认知误区:物体所受滑动摩擦力大小与其重力相关.他们重新建构起新的认知,即影响摩擦力大小的因素包括接触面的粗糙程度与所受正压力的大小.接触面粗糙程度、物体所受正压力与滑动摩擦力大小呈正相关.

学生意识到自己对于滑动摩擦力的认识仅停留在定性阶段,滑动摩擦力的大小与其影响因素之间的定量关系尚未清楚.因此,学生自然且自发开始对滑动摩擦力进行定量探究.

教师活动:

(1)教师展示探究滑动摩擦力大小及其影响因素定量关系实验的器材:思迈Prodigy-Lab数据采集器,力传感器,摩擦力实验器,钩码,计算机等.将学生分成多个小组,引导他们进行实验设计.学生代表描述该组的实验方案,教师与学生加以补充说明实验注意事项,最后汇总确定实验方案.

(2)教师设置问题,学生根据问题明确实验方向,进行实验和观察所呈现实验结果图.

(3)教师进行演示实验,并强调实验中需要注意的事项.

(4)教师引入数学的正比公式,将动摩擦因数μ作为数学正比公式的比例常数k来介绍,并说明不同接触面,其μ不一样.

问题:

(1)思考对于多变量因素,应当用什么实验方法进行实验?

(2)摩擦力与摩擦因数和正压力分别呈什么数学关系呢?

(3)根据实验结果,得到摩擦力的计算公式是怎样的?

学生活动:

(1)各小组根据所展示的实验工具制定实验方案并一起确定最终方案.

(2)学生进行实验并观察思考实验结果图(图5),较容易验证得到滑动摩擦力大小与动摩擦因数以及物体所受正压力呈正比f=μF压,并举手作答.

图5 摩擦力与正压力函数图像

5.3.3 探究任务三:静摩擦力大小和方向的探究

经历前面对滑动摩擦力的定性和定量探究之后,学生对于摩擦力有了一定的认识.这时候,教师进一步拓展学生思维,让学生思考相互接触的物体处于相对静止时是否也可能存在摩擦力?

教师引导学生对图6所示的手握瓶情境进行分析,以此引入静摩擦力.根据二力平衡原理,学生能比较容易判断瓶子受到了与所受重力大小相等,方向相反的力.接着,教师自然地引入书本中有关静摩擦力完整的概念与大小的计算.

图6 手握瓶

理解书本对滑动摩擦力方向的定义以及滑动摩擦力与静摩擦力方向判断上的不同,即“相对运动”和“相对运动趋势的不同”.引导学生分析概念中的难理解的点——“相对运动趋势”.首先假设手不握住瓶子或接触面光滑,则瓶子一定会向下滑落.这个“向下滑落”的方向就是瓶子相对接触面的相对运动趋势,而静摩擦力的方向与这个相对运动趋势相反.

5.3.4 探究任务四:动摩擦力与静摩擦力之间的区别与联系

学生认为静摩擦力和动摩擦力没有必然联系,或直接认为由于拉力不断增大,物体所受静摩擦力不断变大.物体进行相对运动,受到滑动摩擦力.因此,学生认为物体所受滑动摩擦力比物体静止时所受摩擦力要大.这两种都是错误的想法.教师可以引导学生进行实验去验证想法.在运用思迈数据采集系统进行定量研究后,得出数据结果图,如图7所示,搭建动静摩擦力之间的桥梁.学生直观感受与理解动摩擦力与静摩擦力之间的区别与联系,从而改变思维误区,顺应新知识的建构.

图7 摩擦力大小随时间变化图像

教师提问:在图上,我们可以看到静摩擦力的大小随着拉力不断增大而怎么变化呢?

引入最大静摩擦力后,学生注意到物体之间实际产生的静摩擦力f在零与最大静摩擦力fmax之间,即0

注意:在滑动摩擦力处线条并没有呈直线,而是有细微的波动.这是由于人力拉动,接触面粗糙等因素导致的实验误差.对此,教师可以引导学生进行实验误差原因分析,发散与锻炼学生的科学思维.

5.4 新课总结 协作学习

任务驱动教学法中的效果评价环节是学生通过自主评价总结,回顾本节课所学内容,全面有效复习本节课的重点和难点.再引导学生迁移应用,学习从物理视角去思考日常生活中的物理现象,从而培养学生物理观念.最后通过完成自我评价表去反思课堂中的自我表现,从而帮助学生不断自我提高、自我完善、自我进阶.

教师活动:

(1)提问总结本节课的重点内容,滑动摩擦力的三要素,静摩擦力,静摩擦力与滑动摩擦力之间的区别与联系.

(2)完成本节课教师的课后自我评价表并进行课程反思.

学生活动:

(1)联系生活实际,思考车轮花纹、鞋子底部的规律性条纹、鱼的身体表面分泌的粘液的作用.

(2)课后绘制本节课的思维导图,完成本节课的课后自我评价表(表1).

表1 课后自我评价表

6 结束语

本文对任务驱动教学法进行了介绍,从理论与实践两方面共同分析了任务驱动教学法对于培养学生物理学科核心素养的重要意义.以摩擦力一节的课堂教学设计为例,深入探讨了如何应用任务驱动教学法培养学生核心素养.教师在应用任务驱动教学法培养学生物理学科核心素养的教学设计中,需要注重联系学生生活实际去建立真实有趣的学习情境,唤起学生已有经验与认知结构,从而激发学生的兴趣与学习动力.学生与教师共同制定合理可行的进阶性挑战任务群,即将核心任务拆分成多个分任务,从而帮助学生逐步进阶,深入探究核心任务.再引导学生自主协作,经历科学探究的全过程.最后,在教师引导下,学生对本节课知识进行梳理并应用于日常生活中的物理现象的探究中.课后教师和学生填写自我评价表,反思自身在课堂之中的优缺点,从而不断自我提高、自我完善、自我进阶.因此,在运用任务驱动法进行课堂教学能够潜移默化地推动学生物理学科核心素养的培养.从中培养学生乐于探究和勇于探究的科学态度,形成严密谨慎的科学思维,学会进行科学探究的方法,养成从物理视角认识世界的习惯,切实把学生培养成为具有创新意识和实践能力的有用人才.