鄧宗茂

摘 要：教學任務分析是一種教學設計技術，它是連接教與學的橋梁，能夠幫助教師明確學生的學習起點，合理制定教學目標，確定教學重點與難點，科學設計學生學習路徑，有效地進行教學評價。本文以《動量定理》為例說明如何運用教學任務分析優(yōu)化高中物理課堂教學。

關鍵詞：任務分析；高中物理；教學設計；課堂教學

中圖分類號：G633.7 文獻標識碼：A 文章編號：1003-6148（2017）12-0007-4

物理學是一門系統(tǒng)的學科，學科知識之間存在著非常緊密的聯(lián)系。而我國當前高中物理傳統(tǒng)的課堂教學往往是教師經(jīng)驗的產(chǎn)物，教師在教學經(jīng)驗積累的基礎上，形成對學生能力和教學可能發(fā)展方向的預見，在此基礎上設計教學過程，選擇教學策略。這樣的教學安排缺少科學的學習理論的指導，與學習理論脫節(jié)，缺乏基于學習理論的思考，導致教學安排的理論依據(jù)不清，不可避免地會存在一定程度的隨意性和盲目性。

本文所指的教學任務分析是指建立在美國教育心理學家羅伯特·加涅的學習理論之上的教學設計技術。羅伯特·加涅按學習結(jié)果將學習分為五種類型：言語信息、智慧技能、認知策略、動作技能和態(tài)度，他認為不同的學習類型有不同的內(nèi)部過程和外部條件，適合使用不同的教學策略和方法。教學任務分析是指從教學目標開始，運用逆向設問法，反復提出這樣的問題：學生要獲得這樣的知識或技能，他們首先需要具備哪些簡單的知識或技能，要具備這些簡單的知識或技能，還需要具備哪些更簡單的知識或技能，這樣一直分析到學生的起點能力為止。通過這樣的教學任務分析能夠清晰地了解教學的終點目標、使能目標、學習起點，再按照各個使能目標的學習類型及學習層次設計與相適應的教學策略、方法和步驟，同時做好基于證據(jù)收集的教學評價，使教學按照優(yōu)化的程序通向教學終點目標，從而實現(xiàn)終點目標。教學任務分析能夠揭示學生從起點能力到終點目標的實現(xiàn)過程中的邏輯結(jié)構(gòu)和學習的重要節(jié)點以及學習需要的內(nèi)部條件，使教學過程中的教學事件與學生學習的每個內(nèi)部加工階段一一對應起來，也揭示出教學中影響學生學習的各種可控因素，這樣可以使教師明確教學活動的目的性，提高課堂語言的針對性，增加教學步驟的清晰度。也有助于教師理解教學任務的結(jié)構(gòu)和學生學習所需的條件，可以更加合理、有針對性地安排教學活動，作出適合教學的決策，減小教師教學的隨意性和盲目性，從而使教師的“教”更好地為學生的“學”服務。教學設計建立在科學心理學理論之上，從而讓我們物理教師以“教學目標”為終點，合理地設計“教學活動”，有效地進行“教學評價”，打造出高效的物理課堂。

下面以高中物理選修3-5（魯科版）第一章第一節(jié)《動量定理》為例，說明教學任務分析在優(yōu)化物理課堂教學中的應用。

【教材分析】

動量定理是由牛頓第二定律F=ma和勻變速直線運動的速度公式vt=v0+at推導出來的，但從學生的思維發(fā)展來說，動量定理的學習比牛頓第二定律的層次更高。動量定理與動量守恒定律是研究宏觀微觀物體所必需的知識，是解決力學問題的新途徑，是本章的核心內(nèi)容，也是高中階段的重點內(nèi)容。牛頓第二定律是學習動量定理的使能目標，而動量定理又是學習動量守恒定律的使能目標，可見動量定理是本章乃至高中物理中的重點內(nèi)容。

【教學目標】

1.理解動量的概念，知道沖量的定義，知道動量、沖量都是矢量。

2.知道動量的變化也是矢量，會正確計算一維的動量變化。

3.理解動量定理的確切含義和表達式，知道動量定理也適用于變力。

4.能從牛頓運動定律和運動學公式推導出動量定理的表達式。

5.會用動量定理解釋有關現(xiàn)象和處理有關問題。

6.滲透物理學研究方法教育，培養(yǎng)學生的推理能力和理論聯(lián)系實際的能力。

【教學重點與難點】

教學重點：理解動量的概念，通過理論推導與實驗驗證得出動量定理，理解動量定理的圖式，用動量定理解釋有關現(xiàn)象。

教學難點：理解動量定理的圖式，理解動量、沖量的方向。

【學習層級分析】

如圖1所示。

【學習類型和學習條件分析】

學習類型：本課的重點是“通過理論推導與實驗驗證得出動量定理，理解動量定理的圖式”。因此，本課屬于規(guī)律課學習。

學習條件：學習條件分為必要條件和支持性條件。

①必要條件：其中“力”“時間”“質(zhì)量”“速度”“牛頓第二定律”“速度的變化”是學生的起點知識，理解沖量、動量、動量的變化的概念是本節(jié)課的使能目標，難點是知道動量的變化是不同于初動量與末動量的第三個物理量，它是兩個矢量的求差得出的第三個矢量。

②支持性條件：獲得動量定理的演繹推理能力、實驗觀察能力及數(shù)據(jù)分析能力，速度的變化的概念知識。

【教學過程】

1.創(chuàng)設問題情境，引入動量的概念

①以10 m/s的速度運動的足球和鉛球，能不能用頭去頂？

因為鉛球質(zhì)量太大，所以足球可以用頭去頂，鉛球不能用頭去頂。

②質(zhì)量很小的子彈高速飛過來能不能用手去接？

因為子彈的速度太大，所以高速飛過來的子彈不能用手去接。

設計意圖：通過創(chuàng)設這樣的聯(lián)系生活的情境，使學生理解運動物體的作用效果，既與物體的質(zhì)量有關，也與物體的速度有關，水到渠成地引入動量的概念。

動量：物理學把物體的質(zhì)量與速度的乘積叫做動量。

p=mv

速度是矢量，質(zhì)量是標量，它們的乘積動量是矢量，既有大小又有方向，動量的方向與速度的方向相同。

2.運用類比的方法，引入動量變化的概念

一個質(zhì)量50 g的網(wǎng)球以30 m/s的速率水平向右飛行，又以30 m/s的速率被水平打回。endprint

①網(wǎng)球被擊打前后速度有變化嗎？若有變化請求出速度變化的大小和方向。

選取水平向右方向為正方向

打回前的速度v1=30 m/s

打回后的速度v2=-30 m/s

打回前后的速度變化

Δv=v2-v1=-30-30 m/s=-60 m/s

Δv為負值，表示其方向與規(guī)定的正方向相反，即打球前后的速度變化方向水平向左。

②求出網(wǎng)球的動量變化大小和方向。

選取水平向右方向為正方向

打回前的動量

p1=mv1=0.05×30 kg·m/s=1.5 kg·m/s

打回后的動量

p2=mv2=-0.05×30 kg·m/s=-1.5 kg·m/s

打回前后的動量變化

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

Δp為負值，表示其方向與規(guī)定的正方向相反，即打球前后的動量變化方向水平向左。

設計意圖：通過呈現(xiàn)實際問題情境，激活并重現(xiàn)學生原有的關于速度變化的知識，并通過對原有知識的運用順理成章地引入動量變化的概念，實現(xiàn)速度變化概念對動量變化概念的同化。

3.探究動量變化的原因與量度，引入沖量概念

由以上問題可知，網(wǎng)球運動員擊球時，球拍的作用力使網(wǎng)球的動量發(fā)生了變化。那么，物體的動量變化與哪些因素有關呢？

由牛頓第二定律可知： F=ma=m

上式變形得：Ft=mv2-mv1

變形式表明：力與力的作用時間的乘積等于物體的動量變化。

沖量的概念：物理學中，我們把力與力的作用時間的乘積叫做這個力的沖量，用符號I來表示。

I=Ft

力是矢量，時間是標量，它們的乘積沖量是矢量，既有大小又有方向，沖量的方向與力的方向相同。

動量定理：物體所受的外力的沖量等于物體的動量變化。

I=p2-p1

或者I=Δp

注意：上式是個矢量表達式，外力的沖量與物體的動量變化這兩個矢量大小相等，方向相同。

設計意圖：通過合理設計教學順序，使課堂教學展開符合學生的認知思維邏輯，注重與學生學習起點的牛頓第二定律的銜接。培養(yǎng)了學生的演繹推理能力，同時平順地引入了沖量的概念，避免了不管沖量概念的來龍去脈的生硬引入。

4.演示實驗驗證動量定理

實驗器材：朗威DISLab、計算機、DISLab力學軌道和附件、天平、小沙桶、配重片等。

實驗原理：用小沙桶拉動小車在軌道上滑動，如果小沙桶的質(zhì)量遠小于小車的質(zhì)量，可認為小車所受的拉力等于小沙桶及配重片的重力。測出小車通過兩光電門的時間和在兩光電門之間的運行時間，通過計算得出沖量和動量變化（裝置如圖2）。

實驗步驟：

①小車上安裝寬度為0.020 m的“I”型擋光片，用天平稱出小車的總質(zhì)量m（kg）及小沙桶和配重片的總質(zhì)量m1（kg）。

②將兩只光電門傳感器分別接入數(shù)據(jù)采集器的第一、二通道，將傳感器固定在軌道上。

③調(diào)整軌道水平，將小沙桶懸掛在導軌末端下方，并通過牽引繩與小車連接，對小車施加拉力。

④打開“計算表格”，點擊“變量”，啟動“擋光片經(jīng)過兩個光電門的時間”功能。

⑤點擊“開始”，令小車從軌道的一端開始滑動，使擋光片依次通過兩光電門傳感器，則擋光片通過兩只光電門傳感器的擋光時間t1、t2和從光電門1到光電門2的運行時間t12會記錄在表格中。

⑥增加配重片的質(zhì)量并在電子表格中輸入相應數(shù)值，重復做若干次。

⑦分別輸入計算“拉力”“動量變化”“沖量”的表達式F=m1×9.8、△p=m×（0.020/t2-0.020/t1）、I=F×t12得出計算結(jié)果。（如表1）

實驗結(jié)論： 由表格數(shù)據(jù)可得“動量變化”和“沖量”的誤差在1.33%～4.41%之間，說明在誤差允許的范圍內(nèi)二者相等。

設計意圖：通過演示實驗探究過程，學習運用信息技術高效分析和處理數(shù)據(jù)，培養(yǎng)學生的實驗觀察能力和分析問題的能力，同時領悟物理學研究問題的科學方法。

5.鞏固運用

（1）一個質(zhì)量為60 kg的男孩從高處跳下，以5 m/s的速度豎直落地。

①男孩落地時曲膝，用了1 s停下，求落地時受到的平均作用力。

②假如他落地時沒有曲膝，只用了0.1 s就停下，求落地時受到的平均作用力。（g=10 m/s2）

③課堂動手實驗，每位學生課桌上放一只透明玻璃杯、一塊厚度適當?shù)暮＞d、一只雞蛋，在透明玻璃杯底部墊好海綿，用手高舉雞蛋讓雞蛋自由下落落入杯中。把海綿墊拿走再把雞蛋舉到剛才同樣的高度自由下落落入杯中，觀察前后兩種情況下雞蛋的破損情況并用本節(jié)課所學知識作出解釋。

設計意圖：應用動量定理解釋生活中碰撞與緩沖的實際問題，進一步加深對動量定理的理解。

筆者認為本節(jié)課通過詳細的教學任務分析，明確了本節(jié)課的終點目標、使能目標和學習起點，明確了各使能目標的學習類型和學習條件，找到了學生的學習起點、學習路徑和學習關鍵節(jié)點。并且基于學生起點能力進行教學，遵循學生的認知規(guī)律，理清了教學順序，明確了教學方法和手段，選擇運用了現(xiàn)代信息技術并結(jié)合傳統(tǒng)實驗器材，高效地實現(xiàn)了課堂實驗探究。課堂以科學的學習理論為指導，流暢自然、邏輯性強，學生學習效果良好。筆者認為教學任務分析給高中物理教師教學設計提供了一條清晰的“技術路線”，并且根據(jù)學生的學習路徑和學習關鍵節(jié)點作出可靠的教學評價，找到改進教學的方法，能夠較好地克服當前高中物理教學中普遍存在的盲目性和隨意性，是優(yōu)化高中物理教學的很好策略。

參考文獻：

[1]R.M.加涅.教學設計原理[M].上海：華東師范大學出版社，2007.

[2]陳剛.物理教學設計[M].上海：華東師范大學出版社，2009.

[3]趙躍文.例談加涅任務分析圖表在中學物理教學中的應用[J].物理教師，2013，34（5）：4-6.

[4]高秀麗.任務分析在物理教學設計中的應用[J].中學物理教學參考，2015，44（12）：23-25.

（欄目編輯 趙保鋼）endprint