基于學(xué)科核心素養(yǎng)提升的任務(wù)驅(qū)動(dòng)探究課堂實(shí)踐

摘要：《普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版2020年修訂）》詳細(xì)闡述了學(xué)科核心素養(yǎng)的內(nèi)涵，并在此基礎(chǔ)上擬定了編寫高中物理課程的目標(biāo).文章首先介紹物理學(xué)科核心素養(yǎng)的內(nèi)涵及要求，然后闡述任務(wù)驅(qū)動(dòng)探究課堂實(shí)踐在物理教學(xué)中的價(jià)值和作用，接著通過“科學(xué)探究：向心力”教學(xué)實(shí)例，分析如何通過任務(wù)驅(qū)動(dòng)的探究課堂促進(jìn)學(xué)生物理核心素養(yǎng)的提升.

關(guān)鍵詞：核心素養(yǎng)；任務(wù)驅(qū)動(dòng) ；探究課堂；向心力

中圖分類號(hào)：G632文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1008-0333（2025）06-0099-03

收稿日期：2024-11-25

作者簡(jiǎn)介：李曉斌，本科，一級(jí)教師，從事物理教學(xué)研究.

物理學(xué)科核心素養(yǎng)是學(xué)生在物理學(xué)習(xí)過程中培養(yǎng)的關(guān)鍵能力和必備品格，對(duì)其未來的發(fā)展具有深遠(yuǎn)影響.如何有效實(shí)現(xiàn)核心素養(yǎng)的教學(xué)目標(biāo)，已成為當(dāng)前教育領(lǐng)域亟待解決的重要問題.文章以魯科版高中物理教材中的“科學(xué)探究：向心力”為例，探討如何通過任務(wù)驅(qū)動(dòng)探究課堂實(shí)踐，有效培養(yǎng)學(xué)生學(xué)科核心素養(yǎng).

1物理學(xué)科核心素養(yǎng)的內(nèi)涵和要求

1.1物理觀念

物理觀念是從物理學(xué)視角形成的關(guān)于物質(zhì)、運(yùn)動(dòng)與相互作用、能量等的基本認(rèn)識(shí)，是物理概念和規(guī)律等在頭腦中的提煉與升華，是從物理學(xué)視角解釋自然現(xiàn)象和解決實(shí)際問題的基礎(chǔ)[1].落實(shí)在“科學(xué)探究：向心力”教學(xué)中，教師注意做好以下兩方面的工作：（1）通過“設(shè)置情境→引發(fā)認(rèn)知沖突→提出問題→科學(xué)探究→得出結(jié)論→驗(yàn)證結(jié)論”的教學(xué)過程，強(qiáng)化向心力概念教學(xué)；（2）通過“探究實(shí)驗(yàn)→數(shù)據(jù)分析→實(shí)驗(yàn)結(jié)論→規(guī)律總結(jié)→規(guī)律應(yīng)用”的教學(xué)過程，強(qiáng)化向心力規(guī)律教學(xué).

1.2科學(xué)思維

科學(xué)思維是從物理學(xué)視角對(duì)客觀事物的本質(zhì)屬性、內(nèi)在規(guī)律及相互關(guān)系的認(rèn)識(shí)方式，是基于經(jīng)驗(yàn)事實(shí)建構(gòu)物理模型的抽象概括過程，是分析綜合、推理論證等方法在科學(xué)領(lǐng)域的具體運(yùn)用，是基于事實(shí)證據(jù)和科學(xué)推理對(duì)不同觀點(diǎn)和結(jié)論提出疑問和批判，進(jìn)行檢驗(yàn)和修正，進(jìn)而提出創(chuàng)造性見解的能力與品格.落實(shí)在“科學(xué)探究：向心力”教學(xué)中，能將生活中圓周運(yùn)動(dòng)實(shí)例轉(zhuǎn)化為基本的圓周運(yùn)動(dòng)模型，使學(xué)生理解圓周運(yùn)動(dòng)的規(guī)律；對(duì)使用向心力演示儀和傳感器實(shí)驗(yàn)獲得的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析歸納，得出實(shí)驗(yàn)結(jié)論，并能用不同方式進(jìn)行探究，用證據(jù)證明結(jié)論.

1.3科學(xué)探究

科學(xué)探究是指基于觀察和實(shí)驗(yàn)提出物理問題，形成猜想和假設(shè)，設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)與制定方案，獲取和處理信息，基于證據(jù)得出結(jié)論并作出解釋，以及對(duì)科學(xué)探究過程和結(jié)果進(jìn)行交流、評(píng)估、反思的能力.落實(shí)在“科學(xué)探究：向心力”教學(xué)中，學(xué)生能觀察、分析現(xiàn)象，根據(jù)有依據(jù)的假設(shè)提出可探究的物理問題；能應(yīng)用控制變量法制定探究方案；能選用合適的器材進(jìn)行探究并獲取數(shù)據(jù)；能基于表格和圖像分析數(shù)據(jù)并得出結(jié)論；能夠充分展示和交流探究的過程和結(jié)果，并對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的差異進(jìn)行深入反思和合理解釋.

1.4科學(xué)態(tài)度與責(zé)任

科學(xué)態(tài)度與責(zé)任是指在認(rèn)識(shí)科學(xué)本質(zhì)，認(rèn)識(shí)“科學(xué)·技術(shù)·社會(huì)·環(huán)境”關(guān)系的基礎(chǔ)上逐漸形成的探索自然的內(nèi)在動(dòng)力，嚴(yán)謹(jǐn)認(rèn)真、實(shí)事求是和持之以恒的科學(xué)態(tài)度，以及遵守道德規(guī)范，保護(hù)環(huán)境并推動(dòng)可持續(xù)發(fā)展的責(zé)任感.落實(shí)在“科學(xué)探究：向心力”教學(xué)中，學(xué)生認(rèn)識(shí)到向心力公式的獲得是建立在觀察和實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上進(jìn)行科學(xué)抽象的創(chuàng)造性工作，在實(shí)驗(yàn)中能夠養(yǎng)成實(shí)事求是和嚴(yán)謹(jǐn)?shù)墓ぷ髯黠L(fēng)，形成主動(dòng)將所學(xué)知識(shí)應(yīng)用在自然生活的意識(shí)，體會(huì)物理技術(shù)應(yīng)用對(duì)社會(huì)發(fā)展的影響.

2基于核心素養(yǎng)提升的任務(wù)驅(qū)動(dòng)探究課堂實(shí)踐

情景創(chuàng)設(shè)視頻展示游樂場(chǎng)旋轉(zhuǎn)桶游戲，如圖1所示.

問題1旋轉(zhuǎn)桶里的人在做什么運(yùn)動(dòng)？她們?yōu)槭裁磿?huì)粘在桶壁上掉不下來？

問題2生活中哪里還有類似的現(xiàn)象？

教師引導(dǎo)勻速圓周運(yùn)動(dòng)速度方向一直在改變→變速曲線運(yùn)動(dòng)→一定存在加速度→合外力不為零.

任務(wù)1做勻速圓周運(yùn)動(dòng)的物體所受的合力有何特點(diǎn)？

學(xué)生討論得出結(jié)論：要保證合力不能改變v的大小，F(xiàn)必須時(shí)刻垂直V′，即F要指向圓心.

情景創(chuàng)設(shè)小球在細(xì)線的牽引下在近似光滑的水平面上做勻速圓周運(yùn)動(dòng).

師：為什么小球能夠沿著圓周運(yùn)動(dòng)呢？假如我們剪斷了細(xì)繩，小球是否仍然能夠保持圓周運(yùn)動(dòng)的狀態(tài)？

生：因?yàn)槔K子的作用才做圓周運(yùn)動(dòng).

師：請(qǐng)對(duì)小球進(jìn)行受力分析，探討小球的受力特點(diǎn).

生：小球所受的合力為細(xì)線的拉力，拉力時(shí)刻指向圓心.

情景回顧旋轉(zhuǎn)圓筒壁上的人為什么能夠做圓周運(yùn)動(dòng)？

師：請(qǐng)對(duì)人進(jìn)行受力分析，探討人的受力特點(diǎn).

生：豎直方向人的重力和靜摩擦力平衡，人所受合力為桶壁對(duì)人的支持力，支持力時(shí)刻指向圓心.

教師引導(dǎo)學(xué)生給出向心力的基本概念.

設(shè)計(jì)意圖游樂場(chǎng)視頻的引入，形成認(rèn)知沖突，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣.通過回顧舊知識(shí)，教師引出進(jìn)一步要研究的問題，激發(fā)學(xué)生的求知欲.經(jīng)過理論推導(dǎo)，得出勻速圓周運(yùn)動(dòng)合外力特點(diǎn)，并通過兩個(gè)簡(jiǎn)單實(shí)例，驗(yàn)證結(jié)論，從而引出向心力的概念.

任務(wù)2感受向心力的大小，思考向心力的大小可能與哪些因素有關(guān)？

學(xué)生體驗(yàn)探究活動(dòng)：使用細(xì)繩分別連接鋼球和塑料球，拉住繩的一端，使小球在桌面上盡可能做勻速圓周運(yùn)動(dòng).分別改變轉(zhuǎn)動(dòng)的快慢、細(xì)繩的長(zhǎng)短做幾次實(shí)驗(yàn).

引導(dǎo)學(xué)生猜想向心力大小可能與小球質(zhì)量、轉(zhuǎn)動(dòng)角速度、轉(zhuǎn)動(dòng)半徑有關(guān)，引導(dǎo)學(xué)生采用控制變量法探究他們之間的關(guān)系.

設(shè)計(jì)意圖通過簡(jiǎn)單易操作的實(shí)驗(yàn)，學(xué)生能夠直觀感受影響向心力大小的因素，培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)的探究能力和嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)態(tài)度.

任務(wù)3定量探究向心力的大小.

教師向?qū)W生詳細(xì)介紹向心力演示儀的原理及使用方法，引導(dǎo)學(xué)生設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)探究方案.

學(xué)生分三組進(jìn)行探究活動(dòng)：①兩個(gè)質(zhì)量比為2∶1的鋼球和鋁球，當(dāng)運(yùn)動(dòng)的半徑r和角速度ω相同時(shí)，觀察向心力的大小F與質(zhì)量m的關(guān)系;②兩個(gè)質(zhì)量相同的鋼球，保持運(yùn)動(dòng)的角速度ω相同，觀察向心力的大小F與運(yùn)動(dòng)半徑r之間的關(guān)系;③兩個(gè)質(zhì)量相同的鋼球，保持運(yùn)動(dòng)半徑r相同，觀察向心力F與角速度ω之間的關(guān)系.

教師指導(dǎo)各組進(jìn)行探究實(shí)驗(yàn)，并用手機(jī)拍攝學(xué)生實(shí)驗(yàn)過程視頻片段.

學(xué)生探究活動(dòng)結(jié)束，教師分別請(qǐng)三組學(xué)生進(jìn)行實(shí)驗(yàn)結(jié)果展示及交流，并通過投屏展示各組的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象.最終引導(dǎo)學(xué)生得出結(jié)論：做勻速圓周運(yùn)動(dòng)的物體，其所需的向心力在半徑和角速度一定時(shí)，和質(zhì)量成正比；在質(zhì)量和角速度一定時(shí)，和半徑成正比；在質(zhì)量和半徑一定時(shí)，和角速度的平方成正比.即F=kmω2r.

設(shè)計(jì)意圖學(xué)生通過控制變量法進(jìn)行科學(xué)探究，分析實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，推測(cè)得出了向心力大小與質(zhì)量、角速度和半徑的關(guān)系，教學(xué)過程中充分滲透了科學(xué)思維、科學(xué)探究、科學(xué)態(tài)度與責(zé)任素養(yǎng)的落實(shí).

任務(wù)4向心力表達(dá)式中 k=？

引導(dǎo)學(xué)生思考實(shí)驗(yàn)方案：測(cè)量出F、m、ω、r的準(zhǔn)確數(shù)值，就能得出k.

教師介紹演示實(shí)驗(yàn)器材，如圖2，設(shè)置好相應(yīng)轉(zhuǎn)速后，請(qǐng)學(xué)生代表測(cè)量出小球質(zhì)量和旋轉(zhuǎn)半徑，讓學(xué)生先計(jì)算mω2r的數(shù)值大小.然后啟動(dòng)設(shè)備，顯示屏顯示出力傳感器的讀數(shù)，讀數(shù)與學(xué)生計(jì)算的mω2r數(shù)值一致，得出結(jié)論F=mω2r.圖2實(shí)驗(yàn)器材示意圖

設(shè)計(jì)意圖相對(duì)于書本上“進(jìn)一步研究得出，向心力的大小為F=mω2r”表述，在課堂上通過傳感器準(zhǔn)確探究得出k的數(shù)值，全面展示了科學(xué)研究的嚴(yán)謹(jǐn)性.同時(shí)本套實(shí)驗(yàn)設(shè)備相對(duì)于DIS實(shí)驗(yàn)套裝，無論是實(shí)驗(yàn)的直觀度還是學(xué)生的參與度都更好，進(jìn)一步滲透了科學(xué)思維、科學(xué)探究、科學(xué)態(tài)度的培養(yǎng)目標(biāo).

任務(wù)5驗(yàn)證向心加速度表達(dá)式.

教師通過投屏向?qū)W生介紹手機(jī)里的加速度傳感器，并展示Phyphox軟件的功能.

師：請(qǐng)同學(xué)們根據(jù)講臺(tái)上的器材，設(shè)計(jì)一個(gè)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證向心加速度大小與角速度的關(guān)系.

生：把手機(jī)固定在轉(zhuǎn)臺(tái)上，逐漸改變轉(zhuǎn)臺(tái)的轉(zhuǎn)速.

實(shí)驗(yàn)演示教師將自己手機(jī)固定在轉(zhuǎn)臺(tái)上，打開Phyphox軟件，將手機(jī)屏幕通過seewo進(jìn)行投屏顯示，接通電源逐漸增加轉(zhuǎn)臺(tái)的轉(zhuǎn)速，并在軟件上對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行線性擬合.

教師對(duì)擬合函數(shù)進(jìn)行解釋，向心力的大小與角速度平方成正比，并且a的數(shù)值恰好等于手機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)半徑.建議學(xué)生回家后可用自己手機(jī)在旋轉(zhuǎn)餐桌上改變半徑再次進(jìn)行驗(yàn)證.

設(shè)計(jì)意圖課堂通過學(xué)生熟悉的手機(jī)對(duì)向心加速度表達(dá)式進(jìn)行精確驗(yàn)證，根據(jù)牛頓第二定律再次驗(yàn)證向心力表達(dá)式的正確性，讓物理規(guī)律的學(xué)習(xí)過程經(jīng)歷 “猜—探—驗(yàn)”的科學(xué)探究歷程，使得規(guī)律的得出更加嚴(yán)謹(jǐn).同時(shí)該實(shí)驗(yàn)具備良好的可復(fù)制性，學(xué)生在家利用手機(jī)可以多方位地再次驗(yàn)證探究，深化對(duì)物理規(guī)律的理解.

問題解決在游樂場(chǎng)旋轉(zhuǎn)桶游戲中，桶的旋轉(zhuǎn)速度至少多大，人才不會(huì)掉下來？

3結(jié)束語

本節(jié)課采用任務(wù)驅(qū)動(dòng)的探究式課堂，層層深入理解向心力概念，以向心力的作用效果為切入點(diǎn)，讓學(xué)生感受向心力，分析向心力來源實(shí)例，學(xué)生易于理解接受.探究向心力大小的過程中，有學(xué)生的直觀動(dòng)手體驗(yàn)，有學(xué)生的分組探究，亦有教師的演示實(shí)驗(yàn)，從定性到半定量再到定量，最后得到數(shù)值并進(jìn)行驗(yàn)證，層層遞進(jìn)對(duì)向心力的探究.探究過程中注重啟發(fā)學(xué)生思考探究什么，怎么探究，怎么控制變量，怎么測(cè)量向心力，能得出什么結(jié)論，如何確定比例系數(shù)，如何科學(xué)驗(yàn)證，等等.教學(xué)過程中教師應(yīng)注重啟發(fā)學(xué)生思考，形成物理觀念，引領(lǐng)學(xué)生經(jīng)歷科學(xué)探究過程，體會(huì)科學(xué)探究方法，養(yǎng)成科學(xué)思維習(xí)慣，形成科學(xué)態(tài)度和價(jià)值觀.

參考文獻(xiàn)：

［1］ 中華人民共和國(guó)教育部.普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)（2017 年版2020修訂）［M］.北京：人民教育出版社，2020：4-5.

［責(zé)任編輯：李璟］