运用教学任务分析 优化物理课堂教学

邓宗茂

摘 要：教学任务分析是一种教学设计技术，它是连接教与学的桥梁，能够帮助教师明确学生的学习起点，合理制定教学目标，确定教学重点与难点，科学设计学生学习路径，有效地进行教学评价。本文以《动量定理》为例说明如何运用教学任务分析优化高中物理课堂教学。

关键词：任务分析；高中物理；教学设计；课堂教学

中图分类号：G633.7 文献标识码：A 文章编号：1003-6148（2017）12-0007-4

物理学是一门系统的学科，学科知识之间存在着非常緊密的联系。而我国当前高中物理传统的课堂教学往往是教师经验的产物，教师在教学经验积累的基础上，形成对学生能力和教学可能发展方向的预见，在此基础上设计教学过程，选择教学策略。这样的教学安排缺少科学的学习理论的指导，与学习理论脱节，缺乏基于学习理论的思考，导致教学安排的理论依据不清，不可避免地会存在一定程度的随意性和盲目性。

本文所指的教学任务分析是指建立在美国教育心理学家罗伯特·加涅的学习理论之上的教学设计技术。罗伯特·加涅按学习结果将学习分为五种类型：言语信息、智慧技能、认知策略、动作技能和态度，他认为不同的学习类型有不同的内部过程和外部条件，适合使用不同的教学策略和方法。教学任务分析是指从教学目标开始，运用逆向设问法，反复提出这样的问题：学生要获得这样的知识或技能，他们首先需要具备哪些简单的知识或技能，要具备这些简单的知识或技能，还需要具备哪些更简单的知识或技能，这样一直分析到学生的起点能力为止。通过这样的教学任务分析能够清晰地了解教学的终点目标、使能目标、学习起点，再按照各个使能目标的学习类型及学习层次设计与相适应的教学策略、方法和步骤，同时做好基于证据收集的教学评价，使教学按照优化的程序通向教学终点目标，从而实现终点目标。教学任务分析能够揭示学生从起点能力到终点目标的实现过程中的逻辑结构和学习的重要节点以及学习需要的内部条件，使教学过程中的教学事件与学生学习的每个内部加工阶段一一对应起来，也揭示出教学中影响学生学习的各种可控因素，这样可以使教师明确教学活动的目的性，提高课堂语言的针对性，增加教学步骤的清晰度。也有助于教师理解教学任务的结构和学生学习所需的条件，可以更加合理、有针对性地安排教学活动，作出适合教学的决策，减小教师教学的随意性和盲目性，从而使教师的“教”更好地为学生的“学”服务。教学设计建立在科学心理学理论之上，从而让我们物理教师以“教学目标”为终点，合理地设计“教学活动”，有效地进行“教学评价”，打造出高效的物理课堂。

下面以高中物理选修3-5（鲁科版）第一章第一节《动量定理》为例，说明教学任务分析在优化物理课堂教学中的应用。

【教材分析】

动量定理是由牛顿第二定律F=ma和匀变速直线运动的速度公式vt=v0+at推导出来的，但从学生的思维发展来说，动量定理的学习比牛顿第二定律的层次更高。动量定理与动量守恒定律是研究宏观微观物体所必需的知识，是解决力学问题的新途径，是本章的核心内容，也是高中阶段的重点内容。牛顿第二定律是学习动量定理的使能目标，而动量定理又是学习动量守恒定律的使能目标，可见动量定理是本章乃至高中物理中的重点内容。

【教学目标】

1.理解动量的概念，知道冲量的定义，知道动量、冲量都是矢量。

2.知道动量的变化也是矢量，会正确计算一维的动量变化。

3.理解动量定理的确切含义和表达式，知道动量定理也适用于变力。

4.能从牛顿运动定律和运动学公式推导出动量定理的表达式。

5.会用动量定理解释有关现象和处理有关问题。

6.渗透物理学研究方法教育，培养学生的推理能力和理论联系实际的能力。

【教学重点与难点】

教学重点：理解动量的概念，通过理论推导与实验验证得出动量定理，理解动量定理的图式，用动量定理解释有关现象。

教学难点：理解动量定理的图式，理解动量、冲量的方向。

【学习层级分析】

如图1所示。

【学习类型和学习条件分析】

学习类型：本课的重点是“通过理论推导与实验验证得出动量定理，理解动量定理的图式”。因此，本课属于规律课学习。

学习条件：学习条件分为必要条件和支持性条件。

①必要条件：其中“力”“时间”“质量”“速度”“牛顿第二定律”“速度的变化”是学生的起点知识，理解冲量、动量、动量的变化的概念是本节课的使能目标，难点是知道动量的变化是不同于初动量与末动量的第三个物理量，它是两个矢量的求差得出的第三个矢量。

②支持性条件：获得动量定理的演绎推理能力、实验观察能力及数据分析能力，速度的变化的概念知识。

【教学过程】

1.创设问题情境，引入动量的概念

①以10 m/s的速度运动的足球和铅球，能不能用头去顶？

因为铅球质量太大，所以足球可以用头去顶，铅球不能用头去顶。

②质量很小的子弹高速飞过来能不能用手去接？

因为子弹的速度太大，所以高速飞过来的子弹不能用手去接。

设计意图：通过创设这样的联系生活的情境，使学生理解运动物体的作用效果，既与物体的质量有关，也与物体的速度有关，水到渠成地引入动量的概念。

动量：物理学把物体的质量与速度的乘积叫做动量。

p=mv

速度是矢量，质量是标量，它们的乘积动量是矢量，既有大小又有方向，动量的方向与速度的方向相同。

2.运用类比的方法，引入动量变化的概念

一个质量50 g的网球以30 m/s的速率水平向右飞行，又以30 m/s的速率被水平打回。endprint

①网球被击打前后速度有变化吗？若有变化请求出速度变化的大小和方向。

选取水平向右方向为正方向

打回前的速度v1=30 m/s

打回后的速度v2=-30 m/s

打回前后的速度变化

Δv=v2-v1=-30-30 m/s=-60 m/s

Δv为负值，表示其方向与规定的正方向相反，即打球前后的速度变化方向水平向左。

②求出网球的动量变化大小和方向。

选取水平向右方向为正方向

打回前的动量

p1=mv1=0.05×30 kg·m/s=1.5 kg·m/s

打回后的动量

p2=mv2=-0.05×30 kg·m/s=-1.5 kg·m/s

打回前后的动量变化

Δp=p2-p1=（-1.5-1.5） kg·m/s=-3.0 kg·m/s

Δp为负值，表示其方向与规定的正方向相反，即打球前后的动量变化方向水平向左。

设计意图：通过呈现实际问题情境，激活并重现学生原有的关于速度变化的知识，并通过对原有知识的运用顺理成章地引入动量变化的概念，实现速度变化概念对动量变化概念的同化。

3.探究动量变化的原因与量度，引入冲量概念

由以上问题可知，网球运动员击球时，球拍的作用力使网球的动量发生了变化。那么，物体的动量变化与哪些因素有关呢？

由牛顿第二定律可知： F=ma=m

上式变形得：Ft=mv2-mv1

变形式表明：力与力的作用时间的乘积等于物体的动量变化。

冲量的概念：物理学中，我们把力与力的作用时间的乘积叫做这个力的冲量，用符号I来表示。

I=Ft

力是矢量，时间是标量，它们的乘积冲量是矢量，既有大小又有方向，冲量的方向与力的方向相同。

动量定理：物体所受的外力的冲量等于物体的动量变化。

I=p2-p1

或者I=Δp

注意：上式是个矢量表达式，外力的冲量与物体的动量变化这两个矢量大小相等，方向相同。

设计意图：通过合理设计教学顺序，使课堂教学展开符合学生的认知思维逻辑，注重与学生学习起点的牛顿第二定律的衔接。培养了学生的演绎推理能力，同时平顺地引入了冲量的概念，避免了不管冲量概念的来龙去脉的生硬引入。

4.演示实验验证动量定理

实验器材：朗威DISLab、计算机、DISLab力学轨道和附件、天平、小沙桶、配重片等。

实验原理：用小沙桶拉动小车在轨道上滑动，如果小沙桶的质量远小于小车的质量，可认为小车所受的拉力等于小沙桶及配重片的重力。测出小车通过两光电门的时间和在两光电门之间的运行时间，通过计算得出冲量和动量变化（装置如圖2）。

实验步骤：

①小车上安装宽度为0.020 m的“I”型挡光片，用天平称出小车的总质量m（kg）及小沙桶和配重片的总质量m1（kg）。

②将两只光电门传感器分别接入数据采集器的第一、二通道，将传感器固定在轨道上。

③调整轨道水平，将小沙桶悬挂在导轨末端下方，并通过牵引绳与小车连接，对小车施加拉力。

④打开“计算表格”，点击“变量”，启动“挡光片经过两个光电门的时间”功能。

⑤点击“开始”，令小车从轨道的一端开始滑动，使挡光片依次通过两光电门传感器，则挡光片通过两只光电门传感器的挡光时间t1、t2和从光电门1到光电门2的运行时间t12会记录在表格中。

⑥增加配重片的质量并在电子表格中输入相应数值，重复做若干次。

⑦分别输入计算“拉力”“动量变化”“冲量”的表达式F=m1×9.8、△p=m×（0.020/t2-0.020/t1）、I=F×t12得出计算结果。（如表1）

实验结论： 由表格数据可得“动量变化”和“冲量”的误差在1.33%～4.41%之间，说明在误差允许的范围内二者相等。

设计意图：通过演示实验探究过程，学习运用信息技术高效分析和处理数据，培养学生的实验观察能力和分析问题的能力，同时领悟物理学研究问题的科学方法。

5.巩固运用

（1）一个质量为60 kg的男孩从高处跳下，以5 m/s的速度竖直落地。

①男孩落地时曲膝，用了1 s停下，求落地时受到的平均作用力。

②假如他落地时没有曲膝，只用了0.1 s就停下，求落地时受到的平均作用力。（g=10 m/s2）

③课堂动手实验，每位学生课桌上放一只透明玻璃杯、一块厚度适当的海绵、一只鸡蛋，在透明玻璃杯底部垫好海绵，用手高举鸡蛋让鸡蛋自由下落落入杯中。把海绵垫拿走再把鸡蛋举到刚才同样的高度自由下落落入杯中，观察前后两种情况下鸡蛋的破损情况并用本节课所学知识作出解释。

设计意图：应用动量定理解释生活中碰撞与缓冲的实际问题，进一步加深对动量定理的理解。

笔者认为本节课通过详细的教学任务分析，明确了本节课的终点目标、使能目标和学习起点，明确了各使能目标的学习类型和学习条件，找到了学生的学习起点、学习路径和学习关键节点。并且基于学生起点能力进行教学，遵循学生的认知规律，理清了教学顺序，明确了教学方法和手段，选择运用了现代信息技术并结合传统实验器材，高效地实现了课堂实验探究。课堂以科学的学习理论为指导，流畅自然、逻辑性强，学生学习效果良好。笔者认为教学任务分析给高中物理教师教学设计提供了一条清晰的“技术路线”，并且根据学生的学习路径和学习关键节点作出可靠的教学评价，找到改进教学的方法，能够较好地克服当前高中物理教学中普遍存在的盲目性和随意性，是优化高中物理教学的很好策略。

参考文献：

[1]R.M.加涅.教学设计原理[M].上海：华东师范大学出版社，2007.

[2]陈刚.物理教学设计[M].上海：华东师范大学出版社，2009.

[3]赵跃文.例谈加涅任务分析图表在中学物理教学中的应用[J].物理教师，2013，34（5）：4-6.

[4]高秀丽.任务分析在物理教学设计中的应用[J].中学物理教学参考，2015，44（12）：23-25.

（栏目编辑 赵保钢）endprint