发展科学思维素养视域下任务驱动教学

林先鼎

摘 要：发展科学思维是提升学生物理核心素养的重要目标。任务驱动教学是科学思维训练的重要途径。本课例通过质疑、推理、建模、论证、实验、模型应用等过程，帮助学生建立自由落体运动的概念，探究自由落体运动的规律，促进学生深度思考，发展科学思维的素养。文章以课例为载体，从课堂教学的角度，阐述学生在任务驱动下，遵循认知规律，循序渐进完成科学思维训练的过程。

关键词：任务驱动；科学思维 ；物理模型

“双减”政策大环境下，“提质增效”是课堂教学的重要议题。物理教学将以发展学生的核心素养为重要的教学目标。《普通高中物理课程标准》（2017年版2020年修订）关于本节内容有这样要求：通过实验，认识自由落体运动的规律。结合物理学史的相关内容，认识物理实验与科学推理在物理学研究中的作用[1]。

基于发展科学思维的目的，本节课的设计，以学生为中心，创设思辨问题情境，设计适切学习任务。学生在任务驱动中，提升关键能力，掌握必备知识，发展科学思维素养。

一、梳理教材脉络，明确教学目标

鲁科版《自由落体运动》（2020年7月第1版）是在学习匀变速直线运动规律之后安排的课程内容。这样的安排体现了从一般到特殊的教学逻辑。这节课是匀变速直线运动规律的典型实例。通过学习认识自由落体运动是初速度为零的匀加速直线运动，是最简单的匀速直线运动。

这节课聚焦科学思维的要素，通过相应的学习任务的推动，培养了学生建模、推理、论证等关键能力。结合教学目标，渗透思维训练的要素，制订五个进阶的教学任务。任务一：质疑亚里士多德重快轻慢观点，训练基于证据表达自己的观点的思维习惯；任务二：理想实验推理出真空落体结论，训练极限演绎，建立理想实验模型思维方法；任务三：牛顿管实验验证真空中落体快慢同一致结论，训练逆向推理、对比观察、分析论证的思维方法；任务四：分组实验探究真空中落体规律，训练分析、归纳、推理论证等思维要素；任务五：应用落体规律解决问题，培养学生在真实情境中应用物理模型解决问题的自觉性和灵

敏性。

二、完成五大任务，训练科学思维

（一）经历思辨演绎，质疑前人观点

学生观看播放高空落体极限运动精彩场面视频，激发学习落体运动的热情。由此提出落体下落快慢如何变化的问题。利用“问卷星”收集人们对落体运动的认识（1.重快，2.轻重一样快，3.视具体情况而定）。师生共同回顾亚里士多德的观点：落体运动具有“重快轻慢”的特点。

引导学生交流讨论，基于证据表达自己的观点。学会利用身边的简单器材验证自己的想法。展示学生做法：揉成团的小张纸比张开的大张纸下落更快。由此质疑亚里士多德观点片面性。

师生建模质疑，应用逻辑的方法推出落体佯谬。如果重物下落速度是四，轻物下降速度是二，当把二者拴在一起时“下落快的物体会被下落慢的拖慢，而下落慢的物体会被下落快的物体拖快”，则他们的速度会在二到四之间。就像大人拉着孩子跑，大人的速度会降下来。但当二者拴在一起时“更重了”速度应该大于四。这样悖论否决了“重快轻慢”的观点。

设计意图：教学从观察落体现象开始，发现速度变化的差异，用逻辑推理的力量批判亚里士多德重快轻慢的片面性。学生不迷信权威，依据证据，表达自己的观点。感悟到质疑批判创新精神在科学发展中的作用。

（二）演绎极限方法，构建理想模型

物理的探究是从观察物理的现象开始。学生用身边的器材（气球，纸张，树叶，橡胶球）对比演示下落的快慢。展示学生做法：对比充气和憋气的气球下落快慢。由此分析下落快慢可能与哪些因素相关。归纳总结学生的观点：与，，，，因素有关。

引导学生归纳推理：物体下落过程中运动状态发生变化，是受力的原因。所以必须对下落的物体进行受力分析。其中阻力和重力 可能影响物体下落的快慢。物体的，的影响可归为有关；下落的，物体空气接触面积影响可归为有关。研究物理问题总是从简单的情况开始。阻力影响物体的运动，应用极限的方法将阻力减小到零，这样运动更简单，便于探究。

回顾伽利略由三个粗糙程度不同斜面实验，进一步推导出绝对光滑的水平面实验结果。阻力是效果力，只要与重力方向相反即可，引导学生类比：物体在液体中受到向上的浮力与重力相反，可以类比为阻力。物体受到浮力减小的过程就可看作阻力减小的过程。

师生共同演绎伽利略理想实验。三个实心小球：铅球、金球、木球（＞＞＞＞）。假想，让这三个球在水银、水里和空气里下落。分析在这三种介质中下落的速度差异有何不同（强调速度的差异）。

引导学生自主推理：在水银中，只有金球往下降，在水里金球和铅球都往下降，而金球下降得比铅球更快。在空气里三个球都下降，而且，金铅两球下降速度几乎没有差异，只有木球下降速度小些。基于以上理想实验总结：当发现重量不同的物体在不同媒质中下落时，它们速度的差异是随周围介质的密度缩小而减小的；当周围的介质的密度越来越小，下落速度差异越不明显。于是合理外推可得出了“物体在真空里下落得同样快”的重要结论。教师追问“手中大小不一的橡胶球有空气阻力存在，为什么同时落地？”重温理想模型的建立：两橡胶球虽然受到空气阻力，但相对重力来讲很小可以忽略不计。

设计意图：此段教学引导学生从物理学视角归纳影响下落快慢的因素。再思考三个小球理想实验的演绎过程，体验理想化模型的魅力。这个过程中通过类比伽利略斜面实验，借助初中浮沉条件，将类比为浮力，做力示意图（用这个方法克服学生在高中现阶段还未学习力的难点），运用极限的思想，直观形象分析合理外推得到=0仅受重力。让学生应用理想化实验的方法及科学的推理得到轻重的物体下落快慢一样，建立自由落体的概念，感受到了极限思想的魅力。

（三）优化对比方案，逆向设计实验

判断新的科学认知是否正确，除了能分析论证过去的事实，还要能预测未来的实验现象。鲁科2020版教材提供实验方案为在充满空气的玻璃管中，抽走部分空气，最后在接近真空的三种情况下，比对钱币、羽毛下落快慢情况。引导学生不迷信权威，优化方案，便于对比观察实验的现象。

学生讨论总结：逆向放气实验。先将玻璃管抽气，让其接近真空，再放入部分空气，最后全部充满空气。还可在牛顿管后面提供深色背景，产生对比。

小组派代表描述三次的现象，在接近真空，放入部分空气，全部放入气体时三种情况下，钱币、羽毛快慢的差异的变化（速度差异越来越小）。观察思考：为什么牛顿管中的钱币、羽毛还是难以做到一起下落？引导学生发现：里面还存在微量的空气，并不是十足的真空。进一步播放视频：视频NASA的大型真空实验室（全球最大），加大下落的高度，提高真空度，再次验证落体运动快慢一致。接着跟进预测月球上没有空气，从静止开始的落体运动快慢也是一致。事实验证大卫斯各特在月球上的落体运动实际结果与预测相符，再次证明真空中自由落体下落快慢一致结论。

设计意图：教学中在真实的情境下，遇到现象不明显的困境。引导学生分析问题，解决问题，教学实现从“纸面”解题到解决真实问题的过程。通过实验和对比观察，发现在真空度越高的情况下，速度差异越小，接近真空的情况下，钱币、羽毛速度几乎接近，但还是有微小的差异。学生在此事实基础上极限外推，物体在真空中下落时快慢一致，得到自由落体运动的概念。NASA大型的真空实验再次激发学生探究的热情，感受到科学家持之以恒、精益求精的科学精神。推理论证，分析归纳，科学思维的训练渗透整个探究过程。

（四）动手分组实验，探究落体规律

通过纸带科学探究自由落体是最简单匀变速运动。并能定量描述自由落体运动的规律。在处理纸带的过程中，培养学生获取和处理信息的能力，并能基于证据得出正确的结论。通过纸带的计算培养学生严谨科学、求真务实、精益求精的科学

态度。

自由落体快慢一样，伽利略相信自由落体运动是最简单的变速运动，最简单的变速运动又是什么样的运动呢？引导学生思考以下问题。

1.描述一种运动要用到哪些物理量？（、、、）2.如何测量这些物理量？刻度尺，秒表，纸带，打点计时器，频闪照片。学生分组实验：重锤自由落体打出纸带（注意先接通电源，后释放纸带）。

基于实验得到的纸带数据，学生讨论分析以下问题：1.重锤是不是匀速直线运动，为什么？（相同时间内位移不同，所以变速）2.是什么样的变速运动，如何判断？（加速，因为相同时间内位移在增加）3.如何判断匀加速？ 求加速度有哪些办法？图像分析或4.如何判断初速度是否为零？（第一点和第二点之间距离为2mm，或连续相同的时间间隔内的位移之比是否1：3：5：7可推出初速度为零）5.为了便于比对相同时间内的位移关系，可有一些取巧的方法？取时间位移为4.80cm，找到起始点，然后依次剪短第二个的纸带，第三个的纸带，第四个的纸带。6.为什么在第一个内，测量值=4.80cm，而不取理论上的4.90 cm （存在阻力，加速度减小）。

进一步带领学生用“手机物理工坊”测定当地的重力加速度。教师同屏演示，现场测出在手机“静止模式”下的和自由下落的。发现两者存在微小差异，引导学生正视实验误差，分析原因。（手机自由下落时显示三个方面的加速度，非重心加速度）

设计意图：这段教学让学生依据实验的原理，选择合适器材，采用简便的操作，获取实验的数据。学生在分析纸带探究运动规律过程中，经历信息采集，计算分析，基于证据得到规律的逻辑推理过程，感受到物理规律得到过程的严谨，数据处理的巧妙，养成实事求是的科学态度。认识实验是认识世界、揭示本质的重要方法，学生应在这个过程养成选择应用模型解决物理问题的自觉性。应用匀变速直线运动模型分析自由落体运动，得出自由落体速度，位移，方差公式，学生体验到人类的认知是不断进步的，感受到由已知模型不断修正完善得到新模型的必要性。通过“手机物理工坊”引导学生借助现代信息技术，进一步验证物理规律，不断完善自己的观点。

（五）应用落体模型，渗透课程思政

从物理视角观察思考现实的问题，实现从生活到物理，又从物理回到社会的理念。2018年4月“中国好人榜”见义勇为陈忠平徒手接住从五楼坠落的三岁小女孩，英雄随之倒地，脑部受到重伤。请同学估算5层楼上小孩空中下落所用时间和着地速度？（取）这些数据给你什么感想？

设计意图：在生活中应用物理的模型解决实际问题是新课程的重要理念。学生从物理的视角观察高空坠物，认识到坠物受到的阻力远小于重力，可以忽略，建立自由落体运动的模型。学生在辨析、抽象、最终选用自由落体模型解决实际的问题的过程中，就已经发展了科学思维素养。通过估算，培养学生定性定量分析现实生活问题的能力。同时从热爱生命的角度看待高空落物的安全问题，渗透见义勇为的思想教育，达到立德树人课程思政

目的。

（六）对话科学大师，领悟方法的巧妙

作业：1 阅读“自由落体运动的回眸”，思考：伽利略是如何发现问题的？如何进一步研究？研究中遇到什么问题？这些问题是如何解决的？

设计意图：通过阅读物理学史，知道伽利略借助斜面延长运动时间，“消减”重力作用，得到位移与时间二次方成线性关系，合理外推得到自由落体是速度随时间均匀变化的直线运动，再次体验到物理大师伽利略不迷信权威，敢于质疑，克服种种困难追求真理的执着精神及理想化模型的魅力。

三、基于发展科学思维素养的任务驱动教学思考

从真实情境出发建构模型，解决实际问题是物理课堂教学中发展科学思维素养的重要途径。

物理课堂教学，关注生活，联系实际，结合物理学史，收集课堂教学中发展科学思维教学资源。任务驱动的教学引导学生从物理学的视角观察现实中的问题，以物理的研究方法为指导，通过辨析、假设、概括、抽象等手段，抓住研究对象的主要特征，抽象概括，建构物理模型，通过推理论证，解决真实的物理问题，达到发展科学思维素养的目的。

科学思维素养视域下的任务驱动教学以生为本，遵循教学逻辑，尊重物理史实，依次提高科学建模的五个水平。

以生为本的任务驱动教学结合课标中模型建构的五个水平，依次经历辨别模型，套用模型，选用模型，架构模型，创建模型的过程。教学从学生已有的认知出发，梳理本节课内容在物理学科发展史上经历的路程，确定学生逻辑递进的思维任务。课程从激发思维的动机开始，从易到难，由简到繁，完成相应的任务群。学生在质疑、建模、推理验证、实际应用中，经历生生、师生互动过程，在建构知识的过程中，完成科学思维训练。任务驱动模式的应用升级了课堂的教学模式，学生学习的主动性得到大幅度提升[2]。

结束语

自由落体运动课堂教学从观察落体运动出发，借助逻辑的力量，质疑亚里士多德的观点，建立理想化模型，分析推理得出自由落体的概念。学生借助分组实验，再次验证自由落体运动是匀变速直线运动，推导出了自由落体运动的规律。学生在探究任务的驱动下，掌握物理规律的同时，发展科学思维的核心素养。

参考文献

[1]范福生.基于普通高中物理课程标准的一轮复习策略[J].教学考试，2022（31）：1.

[2]李建强，张琰.任务驱动模式在高中物理教育领域的践行[J].中学物理教学参考，2021，50（27）：8-9.