典型任務(wù)范式中科學(xué)探究能力的培養(yǎng)

葛元鐘

摘要：勇于探究是科學(xué)精神的重要組成部分，利用典型任務(wù)范式有利于學(xué)生探究能力的培養(yǎng)，本文以浙教版科學(xué)九年級第三章《機(jī)械能》為例，讓學(xué)生在完成機(jī)械能經(jīng)典碰撞實(shí)驗(yàn)任務(wù)的過程中，體會轉(zhuǎn)換法、控制變量法、類比法等探究方法；在體會能量轉(zhuǎn)化的過程中，聯(lián)系生活實(shí)際思考如何設(shè)計(jì)汽車的剎車裝置、嘗試解決科學(xué)工程問題。

關(guān)鍵詞：典型任務(wù)；探究能力；機(jī)械能；轉(zhuǎn)換法

2016年9月，北師大舉行了中國學(xué)生發(fā)展核心素養(yǎng)研究成果發(fā)布會。這項(xiàng)歷時三年、權(quán)威出爐的研究成果，對學(xué)生發(fā)展核心素養(yǎng)的內(nèi)涵、表現(xiàn)、落實(shí)途徑等做了詳細(xì)闡釋。中國學(xué)生發(fā)展核心素養(yǎng)以培養(yǎng)“全面發(fā)展的人”為核心，分為文化基礎(chǔ)、自主發(fā)展、社會參與三個方面。綜合表現(xiàn)為“人文底蘊(yùn)、科學(xué)精神、學(xué)會學(xué)習(xí)、健康生活、責(zé)任擔(dān)當(dāng)、實(shí)踐創(chuàng)新”六大素養(yǎng)。科學(xué)精神主要是學(xué)生在學(xué)習(xí)、理解、運(yùn)用科學(xué)知識和技能等方面所形成的價值標(biāo)準(zhǔn)、思維方式和行為表現(xiàn)。勇于探究是科學(xué)精神的重要組成部分。

1當(dāng)前初中探究式課堂的現(xiàn)狀

初中科學(xué)學(xué)科的探究式課堂已經(jīng)非常普遍，特別是教師在公開課中都會選擇探究模式進(jìn)行設(shè)計(jì)。經(jīng)觀察，在課堂實(shí)施過程中的這樣一些現(xiàn)象，阻礙了探究式課堂的發(fā)展，減少了探究式課堂本應(yīng)帶來的能力提升效果。

1.1片面追求探究過程的完整性

在義務(wù)教育階段物理課程的學(xué)習(xí)中，探究教學(xué)模式基本上遵循著提出探究課題——猜想與假設(shè)——制訂計(jì)劃與設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)——進(jìn)行實(shí)驗(yàn)與收集證據(jù)——分析與論證——評估——交流合作這樣一個由七個階段構(gòu)成的程序。在實(shí)際教學(xué)中的科學(xué)探究，如果都要涉及以上程序中的所有階段，將會制約探究課堂的發(fā)展。

1.2公開課中進(jìn)行的假探究

課程改革中明確強(qiáng)調(diào)探究式教學(xué)，并將視為課改的靈魂。初中的科學(xué)教師在上公開課的時候一般會選擇探究性教學(xué)。用小組合作的方式開展探究性教學(xué)，這就需要學(xué)生有合作探究意識和探究能力為前題。由于平時缺少訓(xùn)練，所以在公開課上看到的往往是無序的熱鬧和流程式的探究，對學(xué)生的探究能力提高反而會有不良的影響。

1.3很少從生活中去提煉探究問題

探究式教學(xué)是充分發(fā)揮學(xué)生主體性的教學(xué)方式。目前，課堂中的探究問題很少放到一個貼近生活的情境中，因此，在課堂上學(xué)生經(jīng)常會產(chǎn)生“這樣探究有什么用”的困惑。如果教師能提供情境，要求學(xué)生能從日常生活、自然現(xiàn)象或?qū)嶒?yàn)觀察的情境中發(fā)現(xiàn)與物理學(xué)有關(guān)的問題，將會明顯提高學(xué)生的探究熱情和探索未知世界的興趣和勇氣。

2典型任務(wù)課堂范式

本文中的“典型任務(wù)”是指：在科學(xué)課堂的探究任務(wù)中要包含著學(xué)生必須掌握的核心知識點(diǎn)；典型任務(wù)中還應(yīng)該蘊(yùn)含著學(xué)科學(xué)習(xí)的方法；任務(wù)中要設(shè)計(jì)一些有梯度的問題情境，著力培養(yǎng)學(xué)生解決問題的能力。

2.1任務(wù)中包含著核心知識

核心知識是每個教學(xué)活動單元中必須要讓學(xué)生掌握、理解、明確的主要知識，是教學(xué)的主體內(nèi)容與知識主干，是整個教學(xué)活動鏈條中的關(guān)鍵鏈環(huán)。抓住了核心知識就等于抓住了教學(xué)主線，其他課堂知識必須圍繞它來組織安排。

科學(xué)課堂的典型任務(wù)中的核心知識一旦確定，教師必須確保其在教學(xué)中凸顯出來并加以重點(diǎn)關(guān)注，那些與核心知識密切相關(guān)的課堂知識將被置于教學(xué)主干的地位。

2.2蘊(yùn)含著學(xué)科學(xué)習(xí)的方法

在教學(xué)中應(yīng)側(cè)重培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)。而科學(xué)素質(zhì)則由科學(xué)知識、科學(xué)能力、科學(xué)方法、科學(xué)意識和科學(xué)品質(zhì)等諸要素構(gòu)成。其中科學(xué)方法是科學(xué)素質(zhì)的翅膀，是獲取科學(xué)知識的手段。學(xué)生只有掌握了科學(xué)方法，才能更深入地理解和牢固掌握科學(xué)知識，提高學(xué)習(xí)效率，起到事半功倍的作用。

筆者曾執(zhí)教九年級上冊第三章第二節(jié)《機(jī)械能》。課堂上通過帶領(lǐng)學(xué)生分析追尾造成傷害的原因，分析傷害程度與什么因素有關(guān)，解釋交通法規(guī)中大貨車、小汽車不能超載、超速的原因，著力培養(yǎng)學(xué)生轉(zhuǎn)換法、類比法、控制變量法等探究方法。

2.3創(chuàng)建來自生活的情境

新課標(biāo)指出：“要注重學(xué)生在現(xiàn)實(shí)生活的背境中學(xué)習(xí)科學(xué)知識，倡導(dǎo)學(xué)生在解決實(shí)際問題的過程中深入理解科學(xué)的核心概念并加以運(yùn)用。”

著名特級教師陳鋒老師在評課時說：“典型任務(wù)的情境來源于生活，在課堂中要完成典型任務(wù)必須解決一個或者一組實(shí)際問題。創(chuàng)建比較生活化的有趣的情境，可以加深學(xué)生對科學(xué)知識在生活實(shí)際中的應(yīng)用體驗(yàn)。通過典型任務(wù)，可以讓學(xué)生感受掌握知識、解決問題的滿足感?！?/p>

在執(zhí)教《機(jī)械能》的過程中，筆者以“小明全家一起開車到外地游玩，在高速公路上發(fā)現(xiàn)汽車的剎車失靈”做開篇引入，用車禍視頻吸引學(xué)生注意，讓學(xué)生身臨其境。

設(shè)計(jì)如下：10月1日，小明全家一起開車到外地游玩，在高速公路上發(fā)現(xiàn)汽車的剎車失靈，一家人頓時陷入了恐慌中……，播放2分鐘車禍的視頻。思考：

（1）視頻中失控的汽車具有什么能？

（2）物體有“能”可以對外做功，依靠什么來判斷失控汽車“能”的大??？

可以通過兩輛汽車共同的損壞程度大小來判斷動能的大小，動能的大小可以通過對外所做的功的多少來表示。W=F₁S₁+F₂S₂+…

3典型任務(wù)范式中科學(xué)探究能力的培養(yǎng)

在典型任務(wù)的課堂中，將學(xué)生的自主學(xué)習(xí)、合作學(xué)習(xí)、探究學(xué)習(xí)較好地結(jié)合起來。學(xué)生在課堂上通過完成教師布置的任務(wù)，提升自己的科學(xué)探究能力。下面筆者就結(jié)合《機(jī)械能》這一堂課為例進(jìn)行說明。

3.1讓學(xué)生在探究中意識到課本實(shí)驗(yàn)的經(jīng)典

典型任務(wù)一：根據(jù)桌上材料，設(shè)計(jì)出能判斷動能大小的裝置

提問：由于需要多次實(shí)驗(yàn)，如何保證每次實(shí)驗(yàn)中小球速度相同？

提示：用斜面、用手，單擺、彈簧，電動機(jī)。

提問：斜面上滑下的小球速度如何變化？endprint

組織學(xué)生討論：如何讓小球獲得穩(wěn)定的動能大小？由于大家的猜想是動能和物體質(zhì)量、速度有關(guān)，因此，要解決如何讓小球在B點(diǎn)獲得穩(wěn)定的速度。通過學(xué)生的討論和實(shí)驗(yàn)，大家發(fā)現(xiàn)：用手，速度不穩(wěn)定；用單擺，不容易對準(zhǔn)小木塊D；用彈簧，操作不方便；用電動機(jī)，設(shè)備太麻煩。所以得出：用斜面獲得速度最穩(wěn)定，而且容易改變物體速度的大小。

通過對速度獲得方式的對比后，不僅更容易接受課本中用斜面獲得速度的方法，理解實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的出發(fā)點(diǎn)和技巧，更重要的是通過“如何保證每次實(shí)驗(yàn)中小球速度相同”這一問題的討論研究，能使學(xué)生對整個實(shí)驗(yàn)的理解更深人、更到位。

3.2讓學(xué)生在探究中學(xué)會探究實(shí)驗(yàn)的觀察設(shè)計(jì)

在數(shù)學(xué)等式中，能夠影響其他變量的一個變量叫做自變量。如果（x）取任意一個量，（y）都有唯一的一個量與（x）對應(yīng)，那么相應(yīng)地（x）就叫做這個函數(shù)的自變量。如果（y）是（x）的函數(shù)，那么（x）是這個函數(shù)的自變量。

在科學(xué)教學(xué)中，任何一個系統(tǒng)（或模型）都是由各種變量構(gòu)成的，當(dāng)分析這些系統(tǒng)（或模型）時，可以選擇研究其中一些變量對另一些變量的影響，那么選擇的這些變量就稱為自變量，而被影響的量就被稱為因變量。

在《機(jī)械能》這一節(jié)中，有這樣的表述：射箭時手拉弓弦使弓的形變越大，箭就射得越遠(yuǎn)；球拍擊打網(wǎng)球越用力，網(wǎng)球拍形變就越大，網(wǎng)球就會飛得越遠(yuǎn)。由此可見，彈性勢能的大小跟物體形變的大小有關(guān)，物體的彈性形變越大，彈性勢能就越大。

由于弓和弦的彈性勢能完全轉(zhuǎn)移到箭上，網(wǎng)球拍的彈性勢能完全轉(zhuǎn)移到網(wǎng)球上，所以，箭射得遠(yuǎn)近和網(wǎng)球飛得遠(yuǎn)近就是物體彈性勢能大小的觀測指標(biāo)。

從上圖可得，動能大小的觀測指標(biāo)設(shè)計(jì)可以從能量轉(zhuǎn)化考慮，動能越大造成的損壞就會越大，克服摩擦形成的位移越大，剎車裝置轉(zhuǎn)化成的內(nèi)能就越多，也可以沖上更高的斜坡。在課堂上，引導(dǎo)學(xué)生思考設(shè)計(jì)怎么樣的指標(biāo)觀測裝置，經(jīng)過小組合作總結(jié)出這樣幾個可行性方案：用小球撞干面粉，用小球撞橡皮泥，用小球撞小車，用小球撞積木等等。經(jīng)過實(shí)驗(yàn)比較，大家一致認(rèn)為：用小球撞小車，測小車移動的距離，更方便、更準(zhǔn)確，能比較迅速地將小球動能大小表示出來。

在課堂上，組織學(xué)生一起討論是否可以通過汽車損壞程度大小來判斷動能的大小這一問題，一致得出：動能的大小可以用造成損壞程度和對外所做的功來表示。交警正是通過觀察損壞程度和對外所做的功的大小來初步判斷事故發(fā)生時汽車的速度。

教師引導(dǎo)學(xué)生理解：如果將本實(shí)驗(yàn)中的小球假設(shè)為飛馳的汽車，小木塊相當(dāng)于汽車的剎車裝置。而后引出第二個典型任務(wù)：實(shí)際汽車的剎車裝置。了解生活中跑車的剎車盤大，剎車卡鉗的摩擦力大。因此，雖然跑車速度快，動能大，也能較快剎住車。核心知識是：剎車裝置是一個將動能轉(zhuǎn)化為熱能的裝置，并且是通過摩擦做功的方法使物體內(nèi)能增加的。

有的物理量不便于直接測量，有的物理現(xiàn)象不便于直接觀察，可以用轉(zhuǎn)換的方法。轉(zhuǎn)換法是對于一些看不見、摸不著的現(xiàn)象或不易直接測量的物理量，用一些非常直觀的現(xiàn)象去認(rèn)識，或用易測量的物理量間接測量的研究方法。表1是學(xué)生總結(jié)出的適用轉(zhuǎn)換法的實(shí)驗(yàn)。

3.3讓學(xué)生在探究中學(xué)會探究過程的幾類方法

能對外做功的物體具有能量。物體具有做功的本領(lǐng)，是因?yàn)樗哂心?。做功的過程實(shí)質(zhì)上就是能量轉(zhuǎn)化的過程。不同的物體做功的本領(lǐng)也不同。一個物體能夠做的功越多，表示這個物體的能量越大。動能是物體由于運(yùn)動而具有的能。典型任務(wù)“研究動能的大小與什么因素有關(guān)”就要用控制變量是一研究方法。操作如下：

提出問題：動能的大小與什么因素有關(guān)

建立假設(shè)：可能與物體的質(zhì)量、運(yùn)動速度的大小有關(guān)

設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)的過程中，最重要也是最困難的就是設(shè)計(jì)表格，用以研究自變量和應(yīng)變量之間的關(guān)系。通過和學(xué)生一起討論研究，設(shè)計(jì)表2實(shí)驗(yàn)表格：

在學(xué)生分組實(shí)驗(yàn)之后，師生共同總結(jié)實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

教師提問：大貨車、小汽車為什么不能超載、超速？

教師講解：超載、超速時車子的動能增大，能對外做更多的功。在剎車時，這些動能轉(zhuǎn)化為剎車盤克服摩擦做功。汽車在全力剎車情況下，動能大的要經(jīng)過更長的距離才能停下來。

在《機(jī)械能》這一節(jié)課中，還要研究物體的勢能與什么因素有關(guān)。這個研究和物體的動能與什么因素有關(guān)是相似的，因此可以用類比法進(jìn)行研究。

參照動能的大小與什么因素有關(guān)的實(shí)驗(yàn)，設(shè)計(jì)重力勢能的大小與什么因素有關(guān)的實(shí)驗(yàn)如表3。

教師小結(jié)：重力勢能表現(xiàn)它做功本領(lǐng)時，通常有一個重力勢能先轉(zhuǎn)化為動能的過程。暗含勢能和動能的轉(zhuǎn)化，為下一節(jié)課作準(zhǔn)備。

3.4探究任務(wù)要解決生活中的問題

在典型任務(wù)范式中開展探究式教學(xué)，目的是讓學(xué)生在完成任務(wù)的同時，掌握核心知識，領(lǐng)悟探究方法，其中任務(wù)情境是明線，讓學(xué)生學(xué)得輕松和有趣，讓知識更好地和生活相結(jié)合；核心知識和方法是暗線，要突出重點(diǎn)，突出知識和方法的應(yīng)用性，力求達(dá)到課堂上深刻與生動的完美結(jié)合。

在《機(jī)械能》這一課中，最后還設(shè)計(jì)了一個討論：剎車失靈怎么辦？如何設(shè)計(jì)大貨車和小車的剎車裝置？思考作為初中學(xué)生，怎樣安全出行？

在這個環(huán)節(jié)中，學(xué)生們集思廣益，充分發(fā)表意見：加大剎車盤直徑，減小車重，剎車盤耐高溫，限速、加大盤與鉗的壓力和粗糙程度，油門當(dāng)剎車誤踩裝置，不闖紅燈，不超速，不超載，提醒親人高速公路不停車，冷卻剎車盤（到服務(wù)區(qū)自然冷卻），在高速公路上增加緩沖斜坡等等……

本文根據(jù)學(xué)生的和教師的教學(xué)實(shí)際，對《機(jī)械能》這一堂課的進(jìn)行教學(xué)設(shè)計(jì)進(jìn)行剖析，對在典型任務(wù)范式中開展探究式教學(xué)幾個優(yōu)勢進(jìn)行了羅列：通過典型任務(wù)的設(shè)計(jì)，使知識和生活聯(lián)系的更加密切有利于學(xué)生利用知識去解決生活中的問題；通過典型任務(wù)的設(shè)計(jì)比較，讓學(xué)生意識到課本實(shí)驗(yàn)都是經(jīng)過精心挑選的經(jīng)典；通過典型任務(wù)的設(shè)計(jì)，還能讓學(xué)生學(xué)會探究實(shí)驗(yàn)的觀察設(shè)計(jì)，從而突破學(xué)生實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的難點(diǎn)；通過典型任務(wù)的設(shè)計(jì)，讓學(xué)生在探究中學(xué)會探究過程的幾類方法。endprint