在物理教學設計中引入任務分析程序的探討

黃彥媚

(華東師范大學教師教育學院 上海 200062)

課程改革倡導“學生主體、教師主導”的課堂教學理念，這就要求教師在教學過程中要從學生的實際出發，以學生學習機制為主線來分析和設計教學活動.分析表明，物理概念和規律都是通過相關概念間的關系界定的.

例如，楞次定律就是由感應電流、磁場、磁通量等概念組成的，它表明感應電流的方向與感應電流的磁場、引起感應電流的磁通量變化之間存在定性關系.

學生學習物理規律就是通過學生自己的思維活動形成這些概念間的本質或因果聯系，主要表現為定性關系和定量關系.建立物理概念間或物理量之間關系的邏輯機制主要是探究因果聯系的歸納法(包括求同法、共變法、差異法等)和演繹法，因此，教師在做有關物理概念和規律的課堂教學設計時，可以通過物理教學任務分析程序，如圖1所示，揭示出習得該學習結果的內部過程及條件，具體分析每一教學結論獲得的邏輯結構、學生解決問題所需的策略和必要技能，進而合理選擇教學方法和教學媒體來規劃相應的教學活動，將教學的有效性建立在學習機制基礎之上[1].

圖1 物理教學任務分析程序

接下來以人教版《高中物理·必修1》“牛頓第三定律”這一節物理課的教學設計為例，展示圖1所示的物理教學任務分析程序.

1 教學任務分析

教學任務分析程序主要包括以下4個環節[2]，這些環節的引入，有助于教師從學生的角度理清學習內容和選擇學習策略，提高教學過程的有效性.

1.1 寫圖式

牛頓第三定律的圖式如表1所示.

表1 牛頓第三定律的圖式

1.2 定內容

根據圖式可知，本節課主要學習牛頓第三定律的物理意義和性質(命題學習)和牛頓第三定律的數學表達式(符號表征學習).需要學生建立3個子結論：

(1)力的作用是相互的.物體間相互作用的一對力，叫做作用力和反作用力.作用力和反作用力的性質相同.

(2)非接觸力之間也存在作用力和反作用力.

(3)兩個物體之間的作用力和反作用力作用在同一條直線上.

1.3 析途徑

牛頓第三定律的學習，可通過經驗事實歸納途徑和實驗歸納途徑實現.歸納法是一種由個別到一般的推理，19世紀英國邏輯學家穆勒對歸納法做了一次系統的闡述，提出了著名的探索因果聯系的歸納方法——穆勒五法.本節內容運用了其中的求同法和共變法.

1.3.1 求同法及其結構

求同法是通過考察被研究現象出現的若干場合，確定在各個場合先行情況中是否只有另外一個情況是相同的，如果是，那么這個共同情況與被研究現象之間有因果關系.其結構如表2所示.

表2 求同法的邏輯結構

1.3.2 共變法及其結構

共變法是通過考察被研究現象發生變化的若干場合中，確定是否只有一個情況發生相應變化，如果是，那么這個發生了相應變化的情況與被研究現象之間存在聯系.其結構如表3所示.

表3 共變法的邏輯結構

1.4 清序列

1.4.1 獲得結論的邏輯過程

通過經驗事實歸納途徑(求同法)獲得子結論一,如表4所示.

場合1：兩手相拍.隨著力氣的增大，兩只手都越來越疼.

場合2：手拉彈簧.彈簧受到手的拉力發生形變，同時手也受到彈簧的拉力.

場合3：坐在椅子上推桌子.隨著力氣的增大，會感到桌子也在推我們，我們的身體要向后仰.

表4 獲得子結論一

通過經驗事實歸納途徑(求同法)獲得子結論二,如表5所示.

場合1：將兩個條形磁鐵的同名磁極相對，兩個磁極很難靠在一起.

場合2：將兩個條形磁鐵的異名磁極相對，兩個磁極很容易靠在一起.

表5 獲得子結論二

通過實驗歸納途徑(求同法)獲得子結論三,如表6所示.

兩個小磁針互相靠近、異名磁極相對，首先畫出它們之間的相互作用力，如圖2所示.然后旋轉其中一個小磁針，觀察和記錄實驗現象.

圖2 兩個小磁針

表6 獲得子結論三

1.4.2 獲得結論的途徑

基于日常的觀察和經驗，通過歸納途徑(求同法)，建立了一對相互作用力的定性關系.接下來再通過DIS實驗探究一對相互作用力的定量關系.實驗時，將兩只力傳感器接入數據采集器,如圖3所示.

用兩手各持一只力傳感器，讓兩傳感器的測鉤互相鉤住，并保持兩力傳感器手柄平行，用力向外對拉或向內對壓力傳感器.改變力的大小、傳感器的狀態(如靜止或運動)，得到兩條“力-時間”組合顯示圖線.觀察分析兩條圖線，歸納結論.

圖3 實驗裝置圖

1.4.3 子環節任務及其策略

如前所述，一對相互作用力的定量關系通過DIS實驗探究獲得，也就是說學生學習遵循實驗歸納途徑，需要經歷提出問題、猜測、規劃研究方案、設計實驗、處理數據等環節.

(1)提出問題

本環節目的是幫助學生明確要研究的問題.

本節課要研究“物體間相互作用力的關系和規律”.關于本研究內容學生具有較豐富的生活經驗，因此，教師可以引導學生回憶陳述出物體間存在相互作用力的一些場合，再提出問題：作用力和反作用力的大小有何關系？

(2)猜測

本環節目的是幫助學生猜測出研究對象或屬性的影響因素.

猜測不是瞎猜，是基于生活經驗、實踐經驗或理論分析形成研究對象的相關影響因素，運用歸納法或類比推理等方法進行猜測.本節課要研究的規律可由學生從其生活經驗出發來進行猜測.

1)作用力和反作用力大小可能相等(共變法),如表7所示.

表7 以“劃船”為例，運用共變法進行猜測

2)作用力和反作用力大小可能不等.

以“以卵擊石，蛋破石存”為例進行猜測：作用力和反作用力大小可能不等.

(3)規劃研究方案

本環節目的是幫助學生形成研究的方案.

如前分析，3個子結論都是通過求同法獲得的，而經過猜測：作用力和反作用力大小可能(不)相等.學生應該可以想到：多做幾組實驗，觀察兩者是否相等？(即遵循求同法來規劃方案)

(4)設計實驗

本環節目的是幫助學生形成用于研究問題的實驗.

由于在課堂教學中，提供了基本的實驗裝置，如力傳感器、數據采集器、通用軟件、計算機等，也就是測量的技能都是確定的.在此基礎上可遵循設計實驗通用策略來設計實驗,如表8所示.

表8 實驗設計過程

主要技能：使用DIS力傳感器技術.其一是傳感器的連接技術；其二是傳感器的測量操作技術.

(5)處理數據

通常顯示模式下，觀察“力-時間”圖線，會發現F-t和F′-t的圖像基本重合,如圖4所示，即兩個物體間的作用力和反作用力大小始終相等，同時產生、變化、消失.

圖4 通常顯示模式下的“力-時間”圖像

如果設置鏡像顯示，發現兩條圖線關于橫軸對稱,如圖5所示，說明兩力方向保持相反.綜上，根據求同法歸納得出結論：兩個物體之間的作用力和反作用力總是大小相等，方向相反，作用在同一條直線上(F=-F′)，即牛頓第三定律.此外，需要注意的是，一對平衡力也是大小相等，方向相反，作用在一條直線上的，但是它作用在同一個物體上，力的性質不一定相同，力的作用效果可以相互抵消，且不具有同時性，可通過列表法將其和一對相互作用力區別開來.

圖5 鏡像模式下的“力-時間”圖像

2 教學流程

在教學設計中引入任務分析這個環節的主要目的是引導教師應用學習分類理論，指導教學策略的選擇，解決如何教的問題[3].在牛頓第三定律的規律教學中，利用任務分析的結果鑒別出學生需要學習的內容和教師需要選用的教學策略或方法之后，便可制定教學順序的安排，設計教學流程，如圖6所示.

圖6 教學流程圖

3 結束語

根據物理教學任務分析程序，本文首先通過歸納途徑定性分析一對相互作用力的規律，并把規律建立的邏輯思路清晰地呈現出來，讓學生有一個感性認識和促進學生養成科學思維；再通過實驗途徑，定量探究一對相互作用力的方向、大小關系，加深學生對牛頓第三定律的認識，提升學生的科學探究能力；最后引出一對相互作用力與一對平衡力的區別和聯系，讓學生理性思考.任務分析遵循學生的學習規律，為設計有效教學所必需清楚的內部過程和學習條件提供依據，并對課堂教學事件進行有序規劃，是教學設計中非常有效的一種方法.