單元教學(xué)中大任務(wù)的設(shè)計(jì)

王秀娟

摘? 要：文章從單元教學(xué)視角對(duì)大任務(wù)設(shè)計(jì)在教學(xué)中的具體實(shí)施路徑進(jìn)行了梳理，即：學(xué)科素養(yǎng)導(dǎo)向下依據(jù)教學(xué)內(nèi)容和學(xué)生學(xué)情選擇學(xué)習(xí)主題并確定單元目標(biāo)，基于目標(biāo)設(shè)計(jì)學(xué)習(xí)過程，并選定學(xué)習(xí)策略，立足目標(biāo)設(shè)計(jì)單元評(píng)價(jià)。以大任務(wù)統(tǒng)領(lǐng)單元主題是單元教學(xué)的有效策略，有利于培養(yǎng)學(xué)生的學(xué)科素養(yǎng)，促進(jìn)教師的專業(yè)發(fā)展?；诖耍狙芯恳浴皫щ娏Ｗ釉陔妶鲋械倪\(yùn)動(dòng)”為主題，以 “設(shè)計(jì)直線粒子加速器”為大任務(wù)，整合了靜電場的部分章節(jié)內(nèi)容，設(shè)計(jì)單元教學(xué)內(nèi)容并實(shí)施，取得了很好的教學(xué)效果。

關(guān)鍵詞：單元設(shè)計(jì);大任務(wù);電場

中圖分類號(hào)：G633.7 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A ? ? 文章編號(hào)：1003-6148（2021）12-0025-5

1? ? 問題提出

在《普通高中課程方案（2017年版）》 “前言”中明確指出，各學(xué)科課程標(biāo)準(zhǔn)都“進(jìn)一步精選了學(xué)科內(nèi)容，重視以學(xué)科大概念為核心，使課程內(nèi)容結(jié)構(gòu)化，以主題為引領(lǐng)，使課程內(nèi)容情境化，促進(jìn)學(xué)科核心素養(yǎng)的落實(shí)?！盵1]可是在目前的教學(xué)中，依然是分課時(shí)進(jìn)行的，該如何整體規(guī)劃，選擇什么主題來統(tǒng)領(lǐng)單元？分課時(shí)又該選擇什么教學(xué)策略進(jìn)行？這都是值得思考的問題，也是一線教師的困惑。本研究提出應(yīng)該基于學(xué)科特點(diǎn)，立足教材的學(xué)習(xí)內(nèi)容，以大概念、大任務(wù)、大問題等統(tǒng)領(lǐng)單元，是使課堂教學(xué)走向“大融合”與“大發(fā)展”方向的有效策略。

單元教學(xué)設(shè)計(jì)以一個(gè)單元學(xué)習(xí)內(nèi)容為整體，既能統(tǒng)籌、規(guī)劃統(tǒng)攬全局，又能按步驟有序地開展系列教學(xué)活動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)最佳的教學(xué)成效。單元教學(xué)并不是簡單地打破“節(jié)”，其精髓在于整體設(shè)計(jì)與有序?qū)嵤?，即在整體設(shè)計(jì)時(shí)心懷具體內(nèi)容，在具體內(nèi)容實(shí)施時(shí)仰望整體。大任務(wù)是指教師在教學(xué)的單元內(nèi)，按照課程標(biāo)準(zhǔn)和單元教學(xué)的目標(biāo)，以培養(yǎng)核心素養(yǎng)為導(dǎo)向，將學(xué)習(xí)的內(nèi)容和學(xué)科的思想方法融入到一個(gè)核心任務(wù)里。具體單元教學(xué)設(shè)計(jì)的流程如圖1所示。

本文以人教版高中物理必修三第九章、十章“靜電場”單元為例，選擇“帶電粒子在電場中的運(yùn)動(dòng)”為主題，以“設(shè)計(jì)直線粒子加速器”為大任務(wù)設(shè)計(jì)學(xué)習(xí)過程，以情境化問題分解大任務(wù)開展單元教學(xué)。

2? ? 單元分析

依據(jù)教學(xué)內(nèi)容和學(xué)生學(xué)情，選擇單元主題，確定素養(yǎng)導(dǎo)向下的單元目標(biāo)是單元教學(xué)的關(guān)鍵。

2.1? ? 教材內(nèi)容和學(xué)生學(xué)情分析

【教材內(nèi)容】 在2019版高中物理必修三（人教版）教材中，“靜電場”單元是電磁學(xué)內(nèi)容的第一章，也是學(xué)生學(xué)習(xí)其他電磁學(xué)知識(shí)的重要基礎(chǔ)。在新教材中以兩章的形式呈現(xiàn)：首先，第九章從力的視角研究電場性質(zhì)，把力學(xué)中建立起來的運(yùn)動(dòng)與相互作用觀念進(jìn)一步應(yīng)用于對(duì)靜電場的研究，通過靜電力的討論建立電場強(qiáng)度的概念。然后，第十章從能的視角研究電場性質(zhì)，從功和能的關(guān)系建立電勢、電勢差及電勢能的概念。這兩章的知識(shí)框架如圖2所示。

【學(xué)情分析】 在知識(shí)基礎(chǔ)上學(xué)生已經(jīng)學(xué)習(xí)了重力場的相關(guān)知識(shí)，對(duì)物體在重力場中的受力及運(yùn)動(dòng)情況有一定掌握，可以通過類比的方法進(jìn)一步學(xué)習(xí)電場的知識(shí)。在學(xué)生的能力水平和興趣方面，絕大多數(shù)學(xué)生能運(yùn)用牛頓運(yùn)動(dòng)定律結(jié)合勻變速直線運(yùn)動(dòng)的規(guī)律解決直線運(yùn)動(dòng)的問題，但在運(yùn)用功和能的規(guī)律解決相關(guān)問題方面相對(duì)較弱;而對(duì)于場的認(rèn)識(shí)，學(xué)生也有初步的感性認(rèn)識(shí)，但是微觀層面的理論分析還是不足。

通過對(duì)教材內(nèi)容和學(xué)生學(xué)情的分析來看，以“帶電粒子在電場中的運(yùn)動(dòng)”為主題，設(shè)計(jì)單元教學(xué)有助于提升學(xué)生對(duì)物質(zhì)、運(yùn)動(dòng)與相互作用和能量觀念的理解。

2.2? ? “帶電粒子在電場中的運(yùn)動(dòng)”單元目標(biāo)分析

根據(jù)課程標(biāo)準(zhǔn)的內(nèi)容要求確定素養(yǎng)導(dǎo)向下的單元目標(biāo)如下：

（1）通過演示實(shí)驗(yàn)，了解靜電現(xiàn)象。能用原子結(jié)構(gòu)模型和電荷守恒的知識(shí)分析靜電現(xiàn)象，形成運(yùn)動(dòng)與相互作用觀;引導(dǎo)學(xué)生經(jīng)歷構(gòu)建模型、解釋現(xiàn)象、猜想、歸納等過程，發(fā)展學(xué)生邏輯推理的能力。

（2）通過類比學(xué)習(xí)，知道點(diǎn)電荷模型。理解兩個(gè)點(diǎn)電荷間相互作用的規(guī)律，體會(huì)探究庫侖定律過程中的科學(xué)思想和方法;體驗(yàn)從猜想到驗(yàn)證、從定性到定量的科學(xué)探究過程。

（3）通過電荷在電場中受力，知道電場是電荷周圍空間存在的一種物質(zhì)，能利用電場線描述電場，加深對(duì)物質(zhì)觀的理解。

（4）通過學(xué)習(xí)電場強(qiáng)度、電勢能、電勢、電勢差和電容的概念，進(jìn)一步感受運(yùn)用類比、比值等方法定義新物理量的方法。

（5）通過學(xué)習(xí)勻強(qiáng)電場中電勢差與電場強(qiáng)度的關(guān)系，能從力和能的視角描述電場，能夠分析帶電粒子在電場中的運(yùn)動(dòng)情況，解釋相關(guān)的物理現(xiàn)象，加深對(duì)運(yùn)動(dòng)與相互作用及能量觀的理解。

2.3? ? “帶電粒子在電場中的運(yùn)動(dòng)”單元重難點(diǎn)分析

在學(xué)生看來，本章知識(shí)抽象、概念較多、關(guān)聯(lián)復(fù)雜，如何建構(gòu)知識(shí)網(wǎng)絡(luò)、梳理知識(shí)脈絡(luò)、實(shí)現(xiàn)知識(shí)在具體情境中的應(yīng)用是本章的重點(diǎn)和難點(diǎn)。

3? ? 單元規(guī)劃

梳理物理學(xué)發(fā)展的歷史，從18世紀(jì)電火花萊頓瓶的發(fā)明，到德國科學(xué)家維德羅1928年的第一臺(tái)粒子直線加速器，再到現(xiàn)在的高能物理研究，在靜電場及應(yīng)用方面，科學(xué)家們歷經(jīng)了漫長的探索。筆者以“設(shè)計(jì)直線粒子加速器”為大任務(wù)，實(shí)施“帶電粒子在電場中的運(yùn)動(dòng)”的單元教學(xué)，具體單元和課時(shí)規(guī)劃如表1所示，涉及電場、電荷、電場力和能的特性的知識(shí)，蘊(yùn)含了物理學(xué)發(fā)展的歷史和科學(xué)家的思維歷程，對(duì)學(xué)生物理觀念的形成、科學(xué)思維的培養(yǎng)、科學(xué)探究能力的提升、科學(xué)態(tài)度與責(zé)任意識(shí)的增強(qiáng)都有促進(jìn)作用。

4? ? 單元教學(xué)的課堂實(shí)施

整體規(guī)劃按“節(jié)”實(shí)施是單元教學(xué)的落點(diǎn)，以系列“小問題” 實(shí)現(xiàn)“大任務(wù)”[3]是實(shí)施的可行策略。即使有了大任務(wù)統(tǒng)領(lǐng)下的單元主題和情境化的問題將任務(wù)分解，但真正實(shí)施的過程還需要設(shè)計(jì)指向單元目標(biāo)、驅(qū)動(dòng)大任務(wù)、為單元評(píng)價(jià)提供依據(jù)的小問題，這才是單元教學(xué)中課堂實(shí)施的關(guān)鍵?，F(xiàn)將本單元最后一節(jié)的部分學(xué)習(xí)過程呈現(xiàn)如下：

（1）課前診斷性問題

問題1：學(xué)習(xí)了第九章和第十章“靜電場”的知識(shí)后，請根據(jù)所學(xué)知識(shí)體系的框架，結(jié)合物理學(xué)科方法，畫出這兩章的思維導(dǎo)圖。（要求：確定的主題詞有概括性，子主題之間要有邏輯性，思維導(dǎo)圖既要體現(xiàn)核心知識(shí)，又要體現(xiàn)核心方法）

問題2：學(xué)習(xí)了電場力和能的特性，請結(jié)合運(yùn)動(dòng)和相互作用的知識(shí)，你能嘗試著設(shè)計(jì)一個(gè)直線粒子加速器么？（要求：畫出結(jié)構(gòu)簡圖，并推理、分析如何提高粒子的速度）

意圖說明：這兩個(gè)診斷性的問題既可以幫助學(xué)生梳理知識(shí)，也可以強(qiáng)化本單元的主題和大任務(wù)。讓學(xué)生的思維活動(dòng)得以外顯，有利于提高課堂的效率。

在學(xué)生完成診斷問題后匯總學(xué)生的設(shè)計(jì)，發(fā)現(xiàn)多數(shù)學(xué)生能夠?qū)⒄鹿?jié)知識(shí)進(jìn)行梳理，能設(shè)計(jì)出簡單的單級(jí)直線粒子加速器;一半左右的學(xué)生能夠推理出速度大小的表達(dá)式。在展示部分學(xué)生作品的過程中，引導(dǎo)學(xué)生互評(píng)，并設(shè)計(jì)課堂驅(qū)動(dòng)性問題。

（2）課堂驅(qū)動(dòng)性問題

問題1：電場的力和能的性質(zhì)有什么應(yīng)用呢？

問題2：如何依據(jù)電場力和能的特性實(shí)現(xiàn)粒子在電場中加速呢？

問題3：粒子這種運(yùn)動(dòng)形式及解決此運(yùn)動(dòng)所用的物理規(guī)律與曾經(jīng)所學(xué)過的哪個(gè)運(yùn)動(dòng)有相似之處呢？

通過回答上述問題，學(xué)生知識(shí)性的內(nèi)容得以鞏固，同時(shí)引出下面的例題，這樣的加速器在實(shí)際應(yīng)用中是否可行呢？

例題1 單級(jí)粒子加速器

某些腫瘤可以用“質(zhì)子療法”進(jìn)行治療。在這種療法中，質(zhì)子先被加速到具有較高的能量，然后被引向轟擊腫瘤，殺死癌細(xì)胞。若質(zhì)子的加速長度一定，要使質(zhì)子由靜止被加速到很高的速度，加速電場的電壓應(yīng)是多少？分析計(jì)算結(jié)果你發(fā)現(xiàn)了什么問題？

意圖說明：

①在這個(gè)題目中學(xué)生發(fā)現(xiàn)加速需要很高的電壓，在實(shí)際工作中操作要求比較高，能否有改進(jìn)方案呢？引出多級(jí)直流加速器，展示學(xué)生的多級(jí)直流加速器設(shè)計(jì)方案并完成推導(dǎo)。

②落實(shí)運(yùn)用牛頓運(yùn)動(dòng)定律解決粒子運(yùn)動(dòng)的問題。

例題2 多級(jí)粒子加速器

如圖3所示，已知粒子質(zhì)量m，電荷量q，板間電壓U，求粒子經(jīng)過n次加速后的速度？思考：多級(jí)加速裝置在使用中有什么不足？如何改進(jìn)呢？

分析：在兩個(gè)電容器之間可以放置一個(gè)金屬筒使得粒子因屏蔽而不受邊緣場效應(yīng)的影響。實(shí)際設(shè)計(jì)過程中金屬筒將靠近前一個(gè)電容的末極板和后一個(gè)電容的初極板，但能否將筒設(shè)計(jì)成既能實(shí)現(xiàn)屏蔽作用，又能使粒子在進(jìn)入筒和飛出筒時(shí)筒的極性改變呢？從而引出教材上的多級(jí)交流粒子加速器。

意圖說明：通過學(xué)習(xí)多級(jí)直流加速器，落實(shí)運(yùn)用電場力做功結(jié)合動(dòng)能定理解決粒子運(yùn)動(dòng)問題，引導(dǎo)學(xué)生不斷完善加速器的設(shè)計(jì)。

例題3 多級(jí)金屬圓筒交流加速器

如圖4甲所示，多級(jí)金屬圓筒交流加速器有多個(gè)橫截面積相同的金屬圓筒依次排列，其中心軸線在同一直線上，圓筒的長度依照一定的規(guī)律依次增加。序號(hào)為奇數(shù)的圓筒和交變電源的一個(gè)極相連，序號(hào)為偶數(shù)的圓筒和該電源的另一個(gè)極相連。交變電源兩極間電勢差的變化規(guī)律如圖4乙所示。在t=0時(shí)，奇數(shù)圓筒相對(duì)偶數(shù)圓筒的電勢差為正值，此時(shí)位于和偶數(shù)圓筒相連的金屬圓板（序號(hào)為0）中央的一個(gè)電子，在圓板和圓筒1之間的電場中由靜止開始加速，沿中心軸線沖進(jìn)圓筒1。為使電子運(yùn)動(dòng)到圓筒與圓筒之間各個(gè)間隙中都能恰好使靜電力的方向跟運(yùn)動(dòng)方向相同而不斷加速，圓筒長度的設(shè)計(jì)必須遵照一定的規(guī)律。若已知電子的質(zhì)量為m、電子電荷量為e、電壓的絕對(duì)值為u，周期為T，電子通過圓筒間隙的時(shí)間可以忽略不計(jì)。則金屬圓筒的長度和它的序號(hào)之間有什么定量關(guān)系？第n個(gè)金屬圓筒的長度應(yīng)該是多少？

分析： 關(guān)于題目的物理學(xué)史背景：1924年英國物理學(xué)家提出了直線加速器的設(shè)計(jì)圖樣。1928年德國物理學(xué)家維德羅完成了第一臺(tái)直線粒子加速器，并利用交變電場加速粒子。為了實(shí)現(xiàn)加速，需在制造過程中讓漂移管（屏蔽筒）的長度隨著粒子速度的增加而增加。這也是當(dāng)時(shí)在研制粒子加速器中的一個(gè)重點(diǎn)和難點(diǎn)。

本題目的難點(diǎn)在于粒子在筒內(nèi)飛行多長時(shí)間才能實(shí)現(xiàn)粒子出了金屬筒就能被加速。這需要分析出粒子在筒內(nèi)的時(shí)間，再根據(jù)勻變速運(yùn)動(dòng)規(guī)律算出筒的長度。為突破難點(diǎn)，結(jié)合力和運(yùn)動(dòng)的相關(guān)知識(shí)，設(shè)計(jì)如下問題，為思維搭設(shè)臺(tái)階。

問題4：根據(jù)所學(xué)力和運(yùn)動(dòng)的知識(shí)，以一個(gè)粒子為研究對(duì)象（圖5），分析其受力和運(yùn)動(dòng)情況，并完成表2。

問題5：一個(gè)粒子在筒里飛行多長時(shí)間，才能保證粒子出筒就被加速？

教師進(jìn)一步引導(dǎo)分析（圖6），研究其中一個(gè)粒子的受力及運(yùn)動(dòng)情況，并畫出金屬筒極性隨時(shí)間的變化圖。分別討論粒子在筒內(nèi)飛行時(shí)間t的大小與T/2的關(guān)系。發(fā)現(xiàn)粒子進(jìn)出筒，只有筒的極性發(fā)生改變，粒子才能被加速。

意圖說明：

①通過單級(jí)直流粒子加速器到多級(jí)交流粒子加速器的學(xué)習(xí)，層層設(shè)計(jì)逐步加深學(xué)生從運(yùn)動(dòng)與相互作用的視角分析粒子的加速，從牛頓運(yùn)動(dòng)定律和功能關(guān)系兩條思路研究粒子的運(yùn)動(dòng)。

②通過對(duì)粒子在多級(jí)交流加速器中的運(yùn)動(dòng)分析，能運(yùn)用所學(xué)的方法，對(duì)粒子進(jìn)行受力和運(yùn)動(dòng)的分析，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)運(yùn)動(dòng)和相互作用及能量觀念的遷移和應(yīng)用。

③通過學(xué)習(xí)多級(jí)交流加速器，進(jìn)一步理解設(shè)計(jì)直線加速器過程的漫長和艱辛，體會(huì)科學(xué)家的思維過程，學(xué)會(huì)嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)態(tài)度。

為進(jìn)一步培養(yǎng)學(xué)生推動(dòng)科技發(fā)展的責(zé)任感，形成探索科學(xué)的內(nèi)在動(dòng)力，本節(jié)安排拓展作業(yè)，查找并梳理我國粒子加速器的研究現(xiàn)狀及粒子加速器之父——謝家麟的戎馬一生。

5? ? 單元教學(xué)評(píng)價(jià)

單元教學(xué)評(píng)價(jià)是基于單元目標(biāo)的診斷，幫助教師隨時(shí)了解目標(biāo)的達(dá)成情況，檢測和調(diào)控學(xué)生的學(xué)習(xí)過程，從而改進(jìn)教學(xué)。設(shè)計(jì)單元評(píng)價(jià)的思路簡單來說就是，用什么任務(wù)來評(píng)價(jià)目標(biāo)的達(dá)成效果。本課時(shí)評(píng)價(jià)設(shè)計(jì)維度如表3所示。

單元教學(xué)評(píng)價(jià)設(shè)計(jì)是圍繞單元目標(biāo)整體設(shè)計(jì)評(píng)價(jià)任務(wù)和評(píng)價(jià)工具，評(píng)價(jià)方式可以是多元的，要做到單元和課時(shí)評(píng)價(jià)的統(tǒng)一和銜接。

6? ? 以“大任務(wù)統(tǒng)領(lǐng)單元教學(xué)”實(shí)施反思

6.1? ? 單元教學(xué)促進(jìn)了教師的專業(yè)提升

在單元設(shè)計(jì)的過程中能讓教師像學(xué)科專家那樣思考，選擇主題、確定目標(biāo)、設(shè)計(jì)大任務(wù)。因此，需要教師立足單元，上接學(xué)科核心素養(yǎng)，下連知識(shí)點(diǎn)的目標(biāo)或要求，既要站在高位上設(shè)計(jì)單元，又要落在課時(shí)上來實(shí)施教學(xué);既要仰望整體目標(biāo)，又要心懷具體策略。

6.2? ? “大任務(wù)”最好要具有延展性

“大任務(wù)”的確定要切合主題，適應(yīng)學(xué)生的探究水平，才有利于激發(fā)學(xué)生的探究動(dòng)機(jī)。教師需要根據(jù)教學(xué)內(nèi)容、目標(biāo)、條件、對(duì)象和階段的不同，確定不同的“大任務(wù)”，使“大任務(wù)”在教學(xué)的各環(huán)節(jié)中真正發(fā)揮作用。本文以“設(shè)計(jì)直線粒子加速器”這個(gè)大任務(wù)整合部分“靜電場”章節(jié)，更是為后續(xù)磁場中的回旋加速器、電磁感應(yīng)中的感應(yīng)加速器埋下了伏筆，以加速器為主線還可以整合更大的主題單元，這些還需在未來教學(xué)中不斷摸索實(shí)踐。

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（欄目編輯? ? 鄧? ?磊）