王秀娟

摘? 要：文章從單元教學視角對大任務設計在教學中的具體實施路徑進行了梳理，即：學科素養(yǎng)導向下依據教學內容和學生學情選擇學習主題并確定單元目標，基于目標設計學習過程，并選定學習策略，立足目標設計單元評價。以大任務統領單元主題是單元教學的有效策略，有利于培養(yǎng)學生的學科素養(yǎng)，促進教師的專業(yè)發(fā)展?；诖?，本研究以“帶電粒子在電場中的運動”為主題，以 “設計直線粒子加速器”為大任務，整合了靜電場的部分章節(jié)內容，設計單元教學內容并實施，取得了很好的教學效果。

關鍵詞：單元設計;大任務;電場

中圖分類號：G633.7 文獻標識碼：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，各學科課程標準都“進一步精選了學科內容，重視以學科大概念為核心，使課程內容結構化，以主題為引領，使課程內容情境化，促進學科核心素養(yǎng)的落實?！盵1]可是在目前的教學中，依然是分課時進行的，該如何整體規(guī)劃，選擇什么主題來統領單元？分課時又該選擇什么教學策略進行？這都是值得思考的問題，也是一線教師的困惑。本研究提出應該基于學科特點，立足教材的學習內容，以大概念、大任務、大問題等統領單元，是使課堂教學走向“大融合”與“大發(fā)展”方向的有效策略。

單元教學設計以一個單元學習內容為整體，既能統籌、規(guī)劃統攬全局，又能按步驟有序地開展系列教學活動，從而實現最佳的教學成效。單元教學并不是簡單地打破“節(jié)”，其精髓在于整體設計與有序實施，即在整體設計時心懷具體內容，在具體內容實施時仰望整體。大任務是指教師在教學的單元內，按照課程標準和單元教學的目標，以培養(yǎng)核心素養(yǎng)為導向，將學習的內容和學科的思想方法融入到一個核心任務里。具體單元教學設計的流程如圖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“設計直線粒子加速器”為大任務設計學習過程，以情境化問題分解大任務開展單元教學。

2? ? 單元分析

依據教學內容和學生學情，選擇單元主題，確定素養(yǎng)導向下的單元目標是單元教學的關鍵。

2.1? ? 教材內容和學生學情分析

【教材內容】 在2019版高中物理必修三（人教版）教材中，“靜電場”單元是電磁學內容的第一章，也是學生學習其他電磁學知識的重要基礎。在新教材中以兩章的形式呈現：首先，第九章從力的視角研究電場性質，把力學中建立起來的運動與相互作用觀念進一步應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，從功和能的關系建立電勢、電勢差及電勢能的概念。這兩章的知識框架如圖2所示。

【學情分析】 在知識基礎上學生已經學習了重力場的相關知識，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習電場的知識。在學生的能力水平和興趣方面，絕大多數學生能運用牛頓運動定律結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)律解決相關問題方面相對較弱;而對于場的認識，學生也有初步的感性認識，但是微觀層面的理論分析還是不足。

通過對教材內容和學生學情的分析來看，以“帶電粒子在電場中的運動”為主題，設計單元教學有助于提升學生對物質、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”單元目標分析

根據課程標準的內容要求確定素養(yǎng)導向下的單元目標如下：

（1）通過演示實驗，了解靜電現象。能用原子結構模型和電荷守恒的知識分析靜電現象，形成運動與相互作用觀;引導學生經歷構建模型、解釋現象、猜想、歸納等過程，發(fā)展學生邏輯推理的能力。

（2）通過類比學習，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思想和方法;體驗從猜想到驗證、從定性到定量的科學探究過程。

（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，能利用電場線描述電場，加深對物質觀的理解。

（4）通過學習電場強度、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）通過學習勻強電場中電勢差與電場強度的關系，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，解釋相關的物理現象，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

在學生看來，本章知識抽象、概念較多、關聯復雜，如何建構知識網絡、梳理知識脈絡、實現知識在具體情境中的應用是本章的重點和難點。

3? ? 單元規(guī)劃

梳理物理學發(fā)展的歷史，從18世紀電火花萊頓瓶的發(fā)明，到德國科學家維德羅1928年的第一臺粒子直線加速器，再到現在的高能物理研究，在靜電場及應用方面，科學家們歷經了漫長的探索。筆者以“設計直線粒子加速器”為大任務，實施“帶電粒子在電場中的運動”的單元教學，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，蘊含了物理學發(fā)展的歷史和科學家的思維歷程，對學生物理觀念的形成、科學思維的培養(yǎng)、科學探究能力的提升、科學態(tài)度與責任意識的增強都有促進作用。

4? ? 單元教學的課堂實施

整體規(guī)劃按“節(jié)”實施是單元教學的落點，以系列“小問題” 實現“大任務”[3]是實施的可行策略。即使有了大任務統領下的單元主題和情境化的問題將任務分解，但真正實施的過程還需要設計指向單元目標、驅動大任務、為單元評價提供依據的小問題，這才是單元教學中課堂實施的關鍵?，F將本單元最后一節(jié)的部分學習過程呈現如下：

（1）課前診斷性問題

問題1：學習了第九章和第十章“靜電場”的知識后，請根據所學知識體系的框架，結合物理學科方法，畫出這兩章的思維導圖。（要求：確定的主題詞有概括性，子主題之間要有邏輯性，思維導圖既要體現核心知識，又要體現核心方法）

問題2：學習了電場力和能的特性，請結合運動和相互作用的知識，你能嘗試著設計一個直線粒子加速器么？（要求：畫出結構簡圖，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生梳理知識，也可以強化本單元的主題和大任務。讓學生的思維活動得以外顯，有利于提高課堂的效率。

在學生完成診斷問題后匯總學生的設計，發(fā)現多數學生能夠將章節(jié)知識進行梳理，能設計出簡單的單級直線粒子加速器;一半左右的學生能夠推理出速度大小的表達式。在展示部分學生作品的過程中，引導學生互評，并設計課堂驅動性問題。

（2）課堂驅動性問題

問題1：電場的力和能的性質有什么應用呢？

問題2：如何依據電場力和能的特性實現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)律與曾經所學過的哪個運動有相似之處呢？

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

例題1 單級粒子加速器

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

意圖說明：

①在這個題目中學生發(fā)現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，展示學生的多級直流加速器設計方案并完成推導。

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，已知粒子質量m，電荷量q，板間電壓U，求粒子經過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的影響。實際設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，但能否將筒設計成既能實現屏蔽作用，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：通過學習多級直流加速器，落實運用電場力做功結合動能定理解決粒子運動問題，引導學生不斷完善加速器的設計。

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。序號為奇數的圓筒和交變電源的一個極相連，序號為偶數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，奇數圓筒相對偶數圓筒的電勢差為正值，此時位于和偶數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，圓筒長度的設計必須遵照一定的規(guī)律。若已知電子的質量為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系？第n個金屬圓筒的長度應該是多少？

分析： 關于題目的物理學史背景：1924年英國物理學家提出了直線加速器的設計圖樣。1928年德國物理學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飛行多長時間才能實現粒子出了金屬筒就能被加速。這需要分析出粒子在筒內的時間，再根據勻變速運動規(guī)律算出筒的長度。為突破難點，結合力和運動的相關知識，設計如下問題，為思維搭設臺階。

問題4：根據所學力和運動的知識，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飛行時間t的大小與T/2的關系。發(fā)現粒子進出筒，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習，層層設計逐步加深學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，能運用所學的方法，對粒子進行受力和運動的分析，進而實現對運動和相互作用及能量觀念的遷移和應用。

③通過學習多級交流加速器，進一步理解設計直線加速器過程的漫長和艱辛，體會科學家的思維過程，學會嚴謹的科學態(tài)度。

為進一步培養(yǎng)學生推動科技發(fā)展的責任感，形成探索科學的內在動力，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狀及粒子加速器之父——謝家麟的戎馬一生。

5? ? 單元教學評價

單元教學評價是基于單元目標的診斷，幫助教師隨時了解目標的達成情況，檢測和調控學生的學習過程，從而改進教學。設計單元評價的思路簡單來說就是，用什么任務來評價目標的達成效果。本課時評價設計維度如表3所示。

單元教學評價設計是圍繞單元目標整體設計評價任務和評價工具，評價方式可以是多元的，要做到單元和課時評價的統一和銜接。

6? ? 以“大任務統領單元教學”實施反思

6.1? ? 單元教學促進了教師的專業(yè)提升

在單元設計的過程中能讓教師像學科專家那樣思考，選擇主題、確定目標、設計大任務。因此，需要教師立足單元，上接學科核心素養(yǎng)，下連知識點的目標或要求，既要站在高位上設計單元，又要落在課時上來實施教學;既要仰望整體目標，又要心懷具體策略。

6.2? ? “大任務”最好要具有延展性

“大任務”的確定要切合主題，適應學生的探究水平，才有利于激發(fā)學生的探究動機。教師需要根據教學內容、目標、條件、對象和階段的不同，確定不同的“大任務”，使“大任務”在教學的各環(huán)節(jié)中真正發(fā)揮作用。本文以“設計直線粒子加速器”這個大任務整合部分“靜電場”章節(jié)，更是為后續(xù)磁場中的回旋加速器、電磁感應中的感應加速器埋下了伏筆，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中不斷摸索實踐。

參考文獻：

[1]中華人民共和國教育部.普通高中課程方案（2017年版） [M].北京：人民教育出版社，2020.

[2]陳琪琪.單元教學設計過程中的“教學問題鏈”設計——以上海科學技術出版社《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”與“小問題”相結合——“數字與信息”教學片斷與思考[J].小學數學教育，2020（06）：43-45.

（欄目編輯? ? 鄧? ?磊）