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(fā)，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(guī)律都是通過相關(guān)概念間的關(guān)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(guān)系.

學生學習物理規(guī)律就是通過學生自己的思維活動形成這些概念間的本質(zhì)或因果聯(lián)系，主要表現(xiàn)為定性關(guān)系和定量關(guān)系.建立物理概念間或物理量之間關(guān)系的邏輯機制主要是探究因果聯(lián)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(guān)物理概念和規(guī)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(jié)果的內(nèi)部過程及條件，具體分析每一教學結(jié)論獲得的邏輯結(jié)構(gòu)、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(guī)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(jié)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(huán)節(jié)[2]，這些環(huán)節(jié)的引入，有助于教師從學生的角度理清學習內(nèi)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(nèi)容

根據(jù)圖式可知，本節(jié)課主要學習牛頓第三定律的物理意義和性質(zhì)(命題學習)和牛頓第三定律的數(shù)學表達式(符號表征學習).需要學生建立3個子結(jié)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(zhì)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(jīng)驗事實歸納途徑和實驗歸納途徑實現(xiàn).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(tǒng)的闡述，提出了著名的探索因果聯(lián)系的歸納方法——穆勒五法.本節(jié)內(nèi)容運用了其中的求同法和共變法.

1.3.1 求同法及其結(jié)構(gòu)

求同法是通過考察被研究現(xiàn)象出現(xiàn)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(xiàn)象之間有因果關(guān)系.其結(jié)構(gòu)如表2所示.

表2 求同法的邏輯結(jié)構(gòu)

1.3.2 共變法及其結(jié)構(gòu)

共變法是通過考察被研究現(xiàn)象發(fā)生變化的若干場合中，確定是否只有一個情況發(fā)生相應變化，如果是，那么這個發(fā)生了相應變化的情況與被研究現(xiàn)象之間存在聯(lián)系.其結(jié)構(gòu)如表3所示.

表3 共變法的邏輯結(jié)構(gòu)

1.4 清序列

1.4.1 獲得結(jié)論的邏輯過程

通過經(jīng)驗事實歸納途徑(求同法)獲得子結(jié)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(fā)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(jié)論一

通過經(jīng)驗事實歸納途徑(求同法)獲得子結(jié)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(jié)論二

通過實驗歸納途徑(求同法)獲得子結(jié)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(zhuǎn)其中一個小磁針，觀察和記錄實驗現(xiàn)象.

圖2 兩個小磁針

表6 獲得子結(jié)論三

1.4.2 獲得結(jié)論的途徑

基于日常的觀察和經(jīng)驗，通過歸納途徑(求同法)，建立了一對相互作用力的定性關(guān)系.接下來再通過DIS實驗探究一對相互作用力的定量關(guān)系.實驗時，將兩只力傳感器接入數(shù)據(jù)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(nèi)對壓力傳感器.改變力的大小、傳感器的狀態(tài)(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(jié)論.

圖3 實驗裝置圖

1.4.3 子環(huán)節(jié)任務及其策略

如前所述，一對相互作用力的定量關(guān)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(jīng)歷提出問題、猜測、規(guī)劃研究方案、設計實驗、處理數(shù)據(jù)等環(huán)節(jié).

(1)提出問題

本環(huán)節(jié)目的是幫助學生明確要研究的問題.

本節(jié)課要研究“物體間相互作用力的關(guān)系和規(guī)律”.關(guān)于本研究內(nèi)容學生具有較豐富的生活經(jīng)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(guān)系？

(2)猜測

本環(huán)節(jié)目的是幫助學生猜測出研究對象或?qū)傩缘挠绊懸蛩?

猜測不是瞎猜，是基于生活經(jīng)驗、實踐經(jīng)驗或理論分析形成研究對象的相關(guān)影響因素，運用歸納法或類比推理等方法進行猜測.本節(jié)課要研究的規(guī)律可由學生從其生活經(jīng)驗出發(fā)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(guī)劃研究方案

本環(huán)節(jié)目的是幫助學生形成研究的方案.

如前分析，3個子結(jié)論都是通過求同法獲得的，而經(jīng)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(guī)劃方案)

(4)設計實驗

本環(huán)節(jié)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(shù)據(jù)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(shù).其一是傳感器的連接技術(shù)；其二是傳感器的測量操作技術(shù).

(5)處理數(shù)據(jù)

通常顯示模式下，觀察“力-時間”圖線，會發(fā)現(xiàn)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(chǎn)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(fā)現(xiàn)兩條圖線關(guān)于橫軸對稱,如圖5所示，說明兩力方向保持相反.綜上，根據(jù)求同法歸納得出結(jié)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(zhì)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(qū)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(huán)節(jié)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(guī)律教學中，利用任務分析的結(jié)果鑒別出學生需要學習的內(nèi)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(jié)束語

根據(jù)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(guī)律，并把規(guī)律建立的邏輯思路清晰地呈現(xiàn)出來，讓學生有一個感性認識和促進學生養(yǎng)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(guān)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(qū)別和聯(lián)系，讓學生理性思考.任務分析遵循學生的學習規(guī)律，為設計有效教學所必需清楚的內(nèi)部過程和學習條件提供依據(jù)，并對課堂教學事件進行有序規(guī)劃，是教學設計中非常有效的一種方法.