指向物理学科关键能力的实践性任务学习设计与应用

摘  要：物理学科关键能力的培养是高中物理教学中落实学科核心素养的重点和难点。实践性任务学习具有源自真实情境、强调学生体验、重视知识整合的特点，能有效培养学生的物理学科关键能力，并能克服目前教学中在培养物理学科关键能力上的不足。结合高中物理教学实例，介绍指向高中物理学科关键能力的实践性任务学习的设计思路、实施原则与应用。

关键词：实践性任务学习；物理学科关键能力；教学设计

中图分类号：G633.7 文献标识码：A     文章编号：1003-6148（2024）2-0031-5

物理学科关键能力是指学习者在面对与物理学科相关的生活实践或学习探索类问题时，高质量地认识问题、分析问题、解决问题所必须具备的能力，是物理学科核心素养具体化、显性化的表达。高中物理学科关键能力主要包括理解能力、推理论证能力、模型建构能力、实验探究能力和创新能力五个方面［1］。教师以培养学生物理学科关键能力为核心制订教学目标，设计和组织能有效发展物理学科核心素养的教学活动。

实践性任务学习在高中物理教学中的应用是发展学生物理学科关键能力的载体。实践性任务学习指的是能将高中物理知识和真实生活实践联系起来的学习活动，如科学探究、设计制作、实验验证、设计方案解决实际问题等［2］。通过参与实践性任务学习，学生能在真实情境下经历模型抽象、模型应用、逻辑推理、实验设计、证据解释等过程，把情境与知识建立联系，获得能解决真实问题的物理学科关键能力。

1    实践性任务学习的设计思路与实施原则

在教学中开展实践性任务学习活动，要关注实践性任务与高中物理学科知识、学科关键能力的联系，避免只重任务结果而忽视学生思维能力发展的教学活动。教师可以按图1所示的流程图进行实践性任务学习的开发。

教师在设计任务主题内容时要以课程标准为依据，充分考虑学习者的知识和能力水平，明确任务学习活动重点指向的物理学科关键能力，并以此为基础设计实践性任务学习情境。教师需要挖掘教材、实验、生活等可用资源，分析任务价值和可行性，设计实践性任务情境。实践性任务学习目标应明确体现学生的学科关键能力在任务中的外显表现。在目标的基础上，教师对学生完成任务的思维路径进行预期设计，通过任务具体表述和任务问题设计为学生搭建合适的思维脚手架。任务评价环节要让学生对任务的完成情况进行充分表达和交流，并在教师的引导下归纳和建立物理概念，对物理学科思维和学科方法形成较深刻的认识。教师需要整理实践性任务学习实施过程中的经验和教训，调整和完善实践性任务学习的目标。

在明确任务情境的情况下，教师可以通过填表的方式提高实践性任务学习设计的效率。如在认识洛伦兹力及其方向的教学中，教师以阴极射线管中电子在磁场中的偏转实验（图2）作为实践性任务学习情境，在正确理解课标要求的基础上，填写表格（表1）完成指向学生推理论证能力的实践性任务学习设计。填表过程中，教师参考学生的推理论证能力，明确学生在本实践性任务学习过程中具体的行为表现目标，完成对实践性任务学习内容及问题的设计。

这样的设计过程，使教师在教授物理知识的同时，还能兼顾教学活动中学生的思维过程，促进学生物理学科关键能力的发展。任务表述和问题应该简明有效，过多的铺垫会降低学生的思维量，限制学生的思维上限，而表格帮助教师预设了学生在实践性任务学习过程中体现物理学科关键能力的思维过程，有效避免了任务表述或教师教学语言中用过多铺垫“代替”学生思维的问题。教学中，教师通过学生行为表现目标达成情况，判断学生对物理知识及方法的掌握情况，评价学生的关键能力水平。

为保证实践性任务学习能在教学中达到促进学生物理学科关键能力发展的目的，设计和实施实践性任务学习应遵循学科知识性、情境生活化、思路多样化的原则。

1.1    学科知识性原则

设计和实施实践性任务学习的本质是完善和优化高中物理知识和方法的学习，为学生物理学科关键能力的培养提供有效的实现方式。实践性任务学习的设计要以课程标准的要求为基础，对应具体的高中物理学科知识和方法。因此，实践性任务学习必须要具有知识性和科学性。

案例1 模拟手机无线充电原理

任务问题：能实现无线充电的手机及充电器内部都有线圈（图3）。现有两个线圈，其中一个连接一个发光二极管，另一个与干电池相连（图4）。将两个线圈叠放，尝试模拟手机无线充电的过程，发现实验中二极管不亮。改进实验器材或操作，使二极管发光，并解释这样做的原因。

任务问题解决：学生根据电磁感应现象的产生条件，能分析手机无线充电的原理是手机线圈中磁通量的变化。充电器内部的线圈接通交流电使其产生的磁场不断变化，从而让手机中的线圈能产生电磁感应现象。学生将模拟实验中的电池改为学生电源中的交流电，或在与电源相连的电路中串联一个小电动机使电流变化，二极管就可以发光；也有学生不改变电源线圈电路，而在电源线圈附近不断移动连接二极管的线圈，通过不断变换二极管线圈所处位置实现该线圈中磁通量的变化，也能让二极管发光。

学生未来面对的是实际问题，需要拥有解决真实问题的能力。本任务中学生将生活中的手机无线充电与模拟实验进行对比，把实际情境和知识联系起来，将实际场景抽象为物理模型。学生需要正确理解电磁感应现象的产生条件，才能在实际情境中应用所学知识解决问题。针对物理学科知识的实践性任务学习，能更好地评价学生对所学知识的理解程度，增加学生学习的趣味性。

1.2    情境生活化原则

高中物理知识在生活场景中的应用很多，若以贴近学生生活的各类物品、材料设计情境，组织实践性任务学习，能让学生感到熟悉和亲切，更好地体会物理知识与实际生活应用的联系。

案例2  研究电动车充电器中的变压器

任务问题：电动车充电器可以将220 V的交流电变为48 V的直流电给电动车电池充电。观察充电器中的电路板，你认为哪一个部件可能起到了改变电压的作用？设计方案，并想办法证明该元件有变压的作用。

任务问题解决：电动车充电器电路板上的元件较为简单，学生能排除电容器、电阻等学过的元件，找到比较明显的变压器元件（图5）。一部分学生通过实验来判断该元件是否能变压。学生需考虑其他元件的影响和实验安全，将元件从电路板中拆下进行实验。学生自主选择实验器材和设计实验方案，在不明确输入、输出端的情况下限制学生电源的最大电压不超过8 V，根据输入和输出的电压值不等证明该元件有变压的作用。也有学生进一步拆开元件（图6），观察其内部结构来认识和研究这一元件。学生能看到其基本结构是两个互相绝缘的线圈缠绕在铁芯上，学生调动已学的物理知识，会观察到两个线圈缠绕的匝数不同，利用电磁感应定律、互感等知识来解释该元件能变压的原理。

本任务中的电动车充电器与学生的日常生活相关度较高，能引起学生的学习兴趣。在任务学习过程中，学生通过实验和理论分析两种方法认识变压器。设计实验、拆解和解释变压器变压原理的过程体现了学生的实验探究能力、模型建构能力、推理论证能力。本任务也为本节课的学生实验“探究变压器原、副线圈电压与匝数的关系”作铺垫。教师演示实验仪器（图7）结构与学生实验仪器（图8）结构有差异，导致一些学生在进行学生实验时不能明确辨认原、副线圈。而电动车充电器中的变压器结构与学生实验仪器类似，学生先在生活情境中认识变压器结构，能提高后续学生实验的效率，也能帮助学生理解演示实验的原理。

1.3    思路多样化原则

实践性任务学习是培养学生创新能力的有效方式。在组织实践性任务学习时，教师应避免用提示性的语言限制学生的问题解决思路。为了锻炼独立的逻辑思维，应鼓励学生不同问题解决思路的表达，从而培养学生的逻辑推理能力和创新思维。

案例3  制作正弦交流发电装置

任务问题：用传感器测出手摇发电机的输出电压（图9）不是正弦交流电。分析手摇发电机模型输出的不是正弦交流电的原因。设计并制作能产生正弦交流电的装置［3］。

任务问题解决：学生将推导正弦交流电规律所用的理论模型和交流发电机实验模型进行对比。实验模型与理论模型的差异主要是手摇不能保证匀速，且实验中磁铁相对线圈较小，无法保证线圈所在位置为匀强磁场。一些学生能在手摇发电机实验模型的基础上进行实验条件的改进：有的学生制作等大、正对的两个串联直流通电线圈，利用线圈中间区域获得匀强磁场；有的学生直接将小线圈所在位置的地磁场近似为匀强磁场，利用小风扇、电动螺丝刀等工具中的转轴带动线圈实现匀速转动（图10）［3］；还有一些学生能想到用旋转磁极的方式来获得正弦交流电，他们将强磁铁粘贴在小风扇、打蛋器等匀速转动物体的转轴上，线圈固定不动也能利用微电流传感器测出输出端的正弦交流电。学生还制作出不同大小、匝数的线圈，配合打蛋器的不同转速获得峰值大小不同的正弦交流电（图11）［3］。

本任务中学生能用旋转线圈和旋转磁极两种不同的思路来设计发电装置，在改进匀强磁场条件时也有不同的方法。教师可以利用两种发电装置的不同思路，引导学生进一步认识生活中存在旋转电枢和旋转磁极的两类发电机。很多问题不只一种解决方式，教师不给学生的问题解决思路设限，就能在教学中更多地发现和培养学生的创新能力。

2    实践性任务学习在教学中实施的反思

基于《普通高中物理课程标准（2017年版2020年修订）》［4-5］，教师为了促进学生物理学科关键能力的发展，在教学过程中，让学生经历物理概念、规律的建构和研究过程，创设真实的实践情境，让学生发现事物或问题的本质特征，建构物理模型，科学推理论证，发展创新思维，形成用物理知识解决真实问题的能力。实践性任务学习作为一种实践性的教学方式，具有学习情境真实、强调学习体验、重视知识整合的特点，能有效培养和发展学生的物理学科关键能力。

通过指向高中物理学科关键能力的实践性任务学习，学生能在任务问题解决的过程中培养科学探究意识、增强逻辑推理能力、形成物理观念，体会将物理知识应用于生活实践的过程。教师在实践性任务学习的设计和实施过程中，应指导学生关注和反思任务问题的解决过程，总结问题解决背后的物理思想和物理方法。实践性任务学习的开发并不是一蹴而就的，教师应正确分析学生物理学科实际学情，不断总结实践性任务学习实施的经验，调整和优化实践性任务学习的设计和实施，让所有能力层次的学生都能积极参与，形成物理学科关键能力，发展物理学科核心素养。

参考文献：

［1］张春丽.对“基于高考评价体系的五种关键能力”含义界定的尝试［J］.物理教学探讨，2020，38（6）：41-45.

［2］许帮正.“知”“行”合一：初中物理探究教学实践路径——以“机械运动和力”单元学习为例［J］.物理教师，2022，43（10）：37-40，45.

［3］赵博，张广宏.实践性任务学习 培养物理学科关键能力——以“交变电流”教学为例［J］.物理教学，2023，45（6）：30-32.

［4］中华人民共和国教育部.普通高中物理课程标准（2017年版2020年修订）［S］.北京：人民教育出版社，2020.

［5］廖伯琴.普通高中物理课程标准（2017年版）解读［M］.北京：高等教育出版社，2018.

［6］格兰特·威金斯，杰伊·麦克泰格.追求理解的教学设计［M］.上海：华东师范大学出版社，2017.

［7］李红伟.基于问题解决的科学思维培养教学策略思考［J］.物理教师，2023，44（5）：9-15.

（栏目编辑    邓   磊）

收稿日期：2023-10-11

基金项目：江苏省中小学教学研究“十四五”立项课题“指向高中物理学科关键能力的实践性任务学习的设计与实施”（2021JY14-L24）；江苏省教育科学“十四五”规划2021年度重点课题“普通高中指向学科核心素养的典型学习任务研究”（B/2021/02/208）。

作者简介：赵博（1988-），女，中学一级教师，主要从事高中物理教学工作。