王秀娟

摘? 要：文章從單元教學(xué)視角對大任務(wù)設(shè)計在教學(xué)中的具體實施路徑進行了梳理，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)計學(xué)習(xí)過程，并選定學(xué)習(xí)策略，立足目標(biāo)設(shè)計單元評價。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)，促進教師的專業(yè)發(fā)展。基于此，本研究以“帶電粒子在電場中的運動”為主題，以 “設(shè)計直線粒子加速器”為大任務(wù)，整合了靜電場的部分章節(jié)內(nèi)容，設(shè)計單元教學(xué)內(nèi)容并實施，取得了很好的教學(xué)效果。

關(guān)鍵詞：單元設(shè)計;大任務(wù);電場

中圖分類號：G633.7 文獻標(biāo)識碼：A ? ? 文章編號：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，促進學(xué)科核心素養(yǎng)的落實?！盵1]可是在目前的教學(xué)中，依然是分課時進行的，該如何整體規(guī)劃，選擇什么主題來統(tǒng)領(lǐng)單元？分課時又該選擇什么教學(xué)策略進行？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，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)計以一個單元學(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，從而實現(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)計與有序?qū)嵤?，即在整體設(shè)計時心懷具體內(nèi)容，在具體內(nèi)容實施時仰望整體。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核心任務(wù)里。具體單元教學(xué)設(shè)計的流程如圖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動”為主題，以“設(shè)計直線粒子加速器”為大任務(wù)設(shè)計學(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)中建立起來的運動與相互作用觀念進一步應(yīng)用于對靜電場的研究，通過靜電力的討論建立電場強度的概念。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。這兩章的知識框架如圖2所示。

【學(xué)情分析】 在知識基礎(chǔ)上學(xué)生已經(jīng)學(xué)習(xí)了重力場的相關(guān)知識，對物體在重力場中的受力及運動情況有一定掌握，可以通過類比的方法進一步學(xué)習(xí)電場的知識。在學(xué)生的能力水平和興趣方面，絕大多數(shù)學(xué)生能運用牛頓運動定律結(jié)合勻變速直線運動的規(guī)律解決直線運動的問題，但在運用功和能的規(guī)律解決相關(guān)問題方面相對較弱;而對于場的認(rèn)識，學(xué)生也有初步的感性認(rèn)識，但是微觀層面的理論分析還是不足。

通過對教材內(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動”為主題，設(shè)計單元教學(xué)有助于提升學(xué)生對物質(zhì)、運動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動”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）通過演示實驗，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分析靜電現(xiàn)象，形成運動與相互作用觀;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)，知道點電荷模型。理解兩個點電荷間相互作用的規(guī)律，體會探究庫侖定律過程中的科學(xué)思想和方法;體驗從猜想到驗證、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，加深對物質(zhì)觀的理解。

（4）通過學(xué)習(xí)電場強度、電勢能、電勢、電勢差和電容的概念，進一步感受運用類比、比值等方法定義新物理量的方法。

（5）通過學(xué)習(xí)勻強電場中電勢差與電場強度的關(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動情況，解釋相關(guān)的物理現(xiàn)象，加深對運動與相互作用及能量觀的理解。

2.3? ? “帶電粒子在電場中的運動”單元重難點分析

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

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)計直線粒子加速器”為大任務(wù)，實施“帶電粒子在電場中的運動”的單元教學(xué)，具體單元和課時規(guī)劃如表1所示，涉及電場、電荷、電場力和能的特性的知識，蘊含了物理學(xué)發(fā)展的歷史和科學(xué)家的思維歷程，對學(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)任意識的增強都有促進作用。

4? ? 單元教學(xué)的課堂實施

整體規(guī)劃按“節(jié)”實施是單元教學(xué)的落點，以系列“小問題” 實現(xiàn)“大任務(wù)”[3]是實施的可行策略。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，但真正實施的過程還需要設(shè)計指向單元目標(biāo)、驅(qū)動大任務(wù)、為單元評價提供依據(jù)的小問題，這才是單元教學(xué)中課堂實施的關(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”的知識后，請根據(jù)所學(xué)知識體系的框架，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，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)合運動和相互作用的知識，你能嘗試著設(shè)計一個直線粒子加速器么？（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：這兩個診斷性的問題既可以幫助學(xué)生梳理知識，也可以強化本單元的主題和大任務(wù)。讓學(xué)生的思維活動得以外顯，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，發(fā)現(xiàn)多數(shù)學(xué)生能夠?qū)⒄鹿?jié)知識進行梳理，能設(shè)計出簡單的單級直線粒子加速器;一半左右的學(xué)生能夠推理出速度大小的表達式。在展示部分學(xué)生作品的過程中，引導(dǎo)學(xué)生互評，并設(shè)計課堂驅(qū)動性問題。

（2）課堂驅(qū)動性問題

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現(xiàn)粒子在電場中加速呢？

問題3：粒子這種運動形式及解決此運動所用的物理規(guī)律與曾經(jīng)所學(xué)過的哪個運動有相似之處呢？

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

例題1 單級粒子加速器

某些腫瘤可以用“質(zhì)子療法”進行治療。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？分析計算結(jié)果你發(fā)現(xiàn)了什么問題？

意圖說明：

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

②落實運用牛頓運動定律解決粒子運動的問題。

例題2 多級粒子加速器

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：多級加速裝置在使用中有什么不足？如何改進呢？

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

意圖說明：通過學(xué)習(xí)多級直流加速器，落實運用電場力做功結(jié)合動能定理解決粒子運動問題，引導(dǎo)學(xué)生不斷完善加速器的設(shè)計。

例題3 多級金屬圓筒交流加速器

如圖4甲所示，多級金屬圓筒交流加速器有多個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。序號為奇數(shù)的圓筒和交變電源的一個極相連，序號為偶數(shù)的圓筒和該電源的另一個極相連。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，奇數(shù)圓筒相對偶數(shù)圓筒的電勢差為正值，此時位于和偶數(shù)圓筒相連的金屬圓板（序號為0）中央的一個電子，在圓板和圓筒1之間的電場中由靜止開始加速，沿中心軸線沖進圓筒1。為使電子運動到圓筒與圓筒之間各個間隙中都能恰好使靜電力的方向跟運動方向相同而不斷加速，圓筒長度的設(shè)計必須遵照一定的規(guī)律。若已知電子的質(zhì)量為m、電子電荷量為e、電壓的絕對值為u，周期為T，電子通過圓筒間隙的時間可以忽略不計。則金屬圓筒的長度和它的序號之間有什么定量關(guān)系？第n個金屬圓筒的長度應(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)計圖樣。1928年德國物理學(xué)家維德羅完成了第一臺直線粒子加速器，并利用交變電場加速粒子。為了實現(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)時在研制粒子加速器中的一個重點和難點。

本題目的難點在于粒子在筒內(nèi)飛行多長時間才能實現(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)的時間，再根據(jù)勻變速運動規(guī)律算出筒的長度。為突破難點，結(jié)合力和運動的相關(guān)知識，設(shè)計如下問題，為思維搭設(shè)臺階。

問題4：根據(jù)所學(xué)力和運動的知識，以一個粒子為研究對象（圖5），分析其受力和運動情況，并完成表2。

問題5：一個粒子在筒里飛行多長時間，才能保證粒子出筒就被加速？

教師進一步引導(dǎo)分析（圖6），研究其中一個粒子的受力及運動情況，并畫出金屬筒極性隨時間的變化圖。分別討論粒子在筒內(nèi)飛行時間t的大小與T/2的關(guān)系。發(fā)現(xiàn)粒子進出筒，只有筒的極性發(fā)生改變，粒子才能被加速。

意圖說明：

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

②通過對粒子在多級交流加速器中的運動分析，能運用所學(xué)的方法，對粒子進行受力和運動的分析，進而實現(xiàn)對運動和相互作用及能量觀念的遷移和應(yīng)用。

③通過學(xué)習(xí)多級交流加速器，進一步理解設(shè)計直線加速器過程的漫長和艱辛，體會科學(xué)家的思維過程，學(xué)會嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)態(tài)度。

為進一步培養(yǎng)學(xué)生推動科技發(fā)展的責(zé)任感，形成探索科學(xué)的內(nèi)在動力，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)評價

單元教學(xué)評價是基于單元目標(biāo)的診斷，幫助教師隨時了解目標(biāo)的達成情況，檢測和調(diào)控學(xué)生的學(xué)習(xí)過程，從而改進教學(xué)。設(shè)計單元評價的思路簡單來說就是，用什么任務(wù)來評價目標(biāo)的達成效果。本課時評價設(shè)計維度如表3所示。

單元教學(xué)評價設(shè)計是圍繞單元目標(biāo)整體設(shè)計評價任務(wù)和評價工具，評價方式可以是多元的，要做到單元和課時評價的統(tǒng)一和銜接。

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

6.1? ? 單元教學(xué)促進了教師的專業(yè)提升

在單元設(shè)計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)，下連知識點的目標(biāo)或要求，既要站在高位上設(shè)計單元，又要落在課時上來實施教學(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)生的探究動機。教師需要根據(jù)教學(xué)內(nèi)容、目標(biāo)、條件、對象和階段的不同，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)計直線粒子加速器”這個大任務(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)中不斷摸索實踐。

參考文獻：

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[2]陳琪琪.單元教學(xué)設(shè)計過程中的“教學(xué)問題鏈”設(shè)計——以上?？茖W(xué)技術(shù)出版社《物理·必修》（第三冊）靜電場單元為例[J]. 物理通報，2021（01）：84-87.

[3]周凌宇.把“大任務(wù)”與“小問題”相結(jié)合——“數(shù)字與信息”教學(xué)片斷與思考[J].小學(xué)數(shù)學(xué)教育，2020（06）：43-45.

（欄目編輯? ? 鄧? ?磊）