单元教学中大任务的设计
王秀娟
摘 要：文章从单元教学视角对大任务设计在教学中的具体实施路径进行了梳理，即：学科素养导向下依据教学内容和学生学情选择学习主题并确定单元目标，基于目标设计学习过程，并选定学习策略，立足目标设计单元评价。以大任务统领单元主题是单元教学的有效策略，有利于培养学生的学科素养，促进教师的专业发展。基于此，本研究以“带电粒子在电场中的运动”为主题，以 “设计直线粒子加速器”为大任务，整合了静电场的部分章节内容，设计单元教学内容并实施，取得了很好的教学效果。
关键词：单元设计;大任务;电场
中图分类号：G633.7 文献标识码：A 文章编号：1003-6148（2021）12-0025-5
1 问题提出
在《普通高中课程方案（2017年版）》 “前言”中明确指出，各学科课程标准都“进一步精选了学科内容，重视以学科大概念为核心，使课程内容结构化，以主题为引领，使课程内容情境化，促进学科核心素养的落实。”[1]可是在目前的教学中，依然是分课时进行的，该如何整体规划，选择什么主题来统领单元？分课时又该选择什么教学策略进行？这都是值得思考的问题，也是一线教师的困惑。本研究提出应该基于学科特点，立足教材的学习内容，以大概念、大任务、大问题等统领单元，是使课堂教学走向“大融合”与“大发展”方向的有效策略。
单元教学设计以一个单元学习内容为整体，既能统筹、规划统揽全局，又能按步骤有序地开展系列教学活动，从而实现最佳的教学成效。单元教学并不是简单地打破“节”，其精髓在于整体设计与有序实施，即在整体设计时心怀具体内容，在具体内容实施时仰望整体。大任务是指教师在教学的单元内，按照课程标准和单元教学的目标，以培养核心素养为导向，将学习的内容和学科的思想方法融入到一个核心任务里。具体单元教学设计的流程如图1所示。
本文以人教版高中物理必修三第九章、十章“静电场”单元为例，选择“带电粒子在电场中的运动”为主题，以“设计直线粒子加速器”为大任务设计学习过程，以情境化问题分解大任务开展单元教学。
2 单元分析
依据教學内容和学生学情，选择单元主题，确定素养导向下的单元目标是单元教学的关键。
2.1 教材内容和学生学情分析
【教材内容】 在2019版高中物理必修三（人教版）教材中，“静电场”单元是电磁学内容的第一章，也是学生学习其他电磁学知识的重要基础。在新教材中以两章的形式呈现：首先，第九章从力的视角研究电场性质，把力学中建立起来的运动与相互作用观念进一步应用于对静电场的研究，通过静电力的讨论建立电场强度的概念。然后，第十章从能的视角研究电场性质，从功和能的关系建立电势、电势差及电势能的概念。这两章的知识框架如图2所示。
【学情分析】 在知识基础上学生已经学习了重力场的相关知识，对物体在重力场中的受力及运动情况有一定掌握，可以通过类比的方法进一步学习电场的知识。在学生的能力水平和兴趣方面，绝大多数学生能运用牛顿运动定律结合匀变速直线运动的规律解决直线运动的问题，但在运用功和能的规律解决相关问题方面相对较弱;而对于场的认识，学生也有初步的感性认识，但是微观层面的理论分析还是不足。
通过对教材内容和学生学情的分析来看，以“带电粒子在电场中的运动”为主题，设计单元教学有助于提升学生对物质、运动与相互作用和能量观念的理解。
2.2 “带电粒子在电场中的运动”单元目标分析
根据课程标准的内容要求确定素养导向下的单元目标如下：
（1）通过演示实验，了解静电现象。能用原子结构模型和电荷守恒的知识分析静电现象，形成运动与相互作用观;引导学生经历构建模型、解释现象、猜想、归纳等过程，发展学生逻辑推理的能力。
（2）通过类比学习，知道点电荷模型。理解两个点电荷间相互作用的规律，体会探究库仑定律过程中的科学思想和方法;体验从猜想到验证、从定性到定量的科学探究过程。
（3）通过电荷在电场中受力，知道电场是电荷周围空间存在的一种物质，能利用电场线描述电场，加深对物质观的理解。
（4）通过学习电场强度、电势能、电势、电势差和电容的概念，进一步感受运用类比、比值等方法定义新物理量的方法。
（5）通过学习匀强电场中电势差与电场强度的关系，能从力和能的视角描述电场，能够分析带电粒子在电场中的运动情况，解释相关的物理现象，加深对运动与相互作用及能量观的理解。
2.3 “带电粒子在电场中的运动”单元重难点分析
在学生看来，本章知识抽象、概念较多、关联复杂，如何建构知识网络、梳理知识脉络、实现知识在具体情境中的应用是本章的重点和难点。
3 单元规划
梳理物理学发展的历史，从18世纪电火花莱顿瓶的发明，到德国科学家维德罗1928年的第一台粒子直线加速器，再到现在的高能物理研究，在静电场及应用方面，科学家们历经了漫长的探索。笔者以“设计直线粒子加速器”为大任务，实施“带电粒子在电场中的运动”的单元教学，具体单元和课时规划如表1所示，涉及电场、电荷、电场力和能的特性的知识，蕴含了物理学发展的历史和科学家的思维历程，对学生物理观念的形成、科学思维的培养、科学探究能力的提升、科学态度与责任意识的增强都有促进作用。
4 单元教学的课堂实施
整体规划按“节”实施是单元教学的落点，以系列“小问题” 实现“大任务”[3]是实施的可行策略。即使有了大任务统领下的单元主题和情境化的问题将任务分解，但真正实施的过程还需要设计指向单元目标、驱动大任务、为单元评价提供依据的小问题，这才是单元教学中课堂实施的关键。现将本单元最后一节的部分学习过程呈现如下：
（1）课前诊断性问题
问题1：学习了第九章和第十章“静电场”的知识后，请根据所学知识体系的框架，结合物理学科方法，画出这两章的思维导图。（要求：确定的主题词有概括性，子主题之间要有逻辑性，思维导图既要体现核心知识，又要体现核心方法）
问题2：学习了电场力和能的特性，请结合运动和相互作用的知识，你能尝试着设计一个直线粒子加速器么？（要求：画出结构简图，并推理、分析如何提高粒子的速度）
意图说明：这两个诊断性的问题既可以帮助学生梳理知识，也可以强化本单元的主题和大任务。让学生的思维活动得以外显，有利于提高课堂的效率。
在学生完成诊断问题后汇总学生的设计，发现多数学生能够将章节知识进行梳理，能设计出简单的单级直线粒子加速器;一半左右的学生能够推理出速度大小的表达式。在展示部分学生作品的过程中，引导学生互评，并设计课堂驱动性问题。
（2）课堂驱动性问题
问题1：电场的力和能的性质有什么应用呢？
问题2：如何依据电场力和能的特性实现粒子在电场中加速呢？
问题3：粒子这种运动形式及解决此运动所用的物理规律与曾经所学过的哪个运动有相似之处呢？
通过回答上述问题，学生知识性的内容得以巩固，同时引出下面的例题，这样的加速器在实际应用中是否可行呢？
例题1 单级粒子加速器
某些肿瘤可以用“质子疗法”进行治疗。在这种疗法中，质子先被加速到具有较高的能量，然后被引向轰击肿瘤，杀死癌细胞。若质子的加速长度一定，要使质子由静止被加速到很高的速度，加速电场的电压应是多少？分析计算结果你发现了什么问题？
意图说明：
①在这个题目中学生发现加速需要很高的电压，在实际工作中操作要求比较高，能否有改进方案呢？引出多级直流加速器，展示学生的多级直流加速器设计方案并完成推导。
②落实运用牛顿运动定律解决粒子运动的问题。
例题2 多级粒子加速器
如图3所示，已知粒子质量m，电荷量q，板间电压U，求粒子经过n次加速后的速度？思考：多级加速装置在使用中有什么不足？如何改进呢？
分析：在两个电容器之间可以放置一个金属筒使得粒子因屏蔽而不受边缘场效应的影响。实际设计过程中金属筒将靠近前一个电容的末极板和后一个电容的初极板，但能否将筒设计成既能实现屏蔽作用，又能使粒子在进入筒和飞出筒时筒的极性改变呢？从而引出教材上的多级交流粒子加速器。
意图说明：通过学习多级直流加速器，落实运用电场力做功结合动能定理解决粒子运动问题，引导学生不断完善加速器的设计。
例题3 多级金属圆筒交流加速器
如图4甲所示，多级金属圆筒交流加速器有多个横截面积相同的金属圆筒依次排列，其中心軸线在同一直线上，圆筒的长度依照一定的规律依次增加。序号为奇数的圆筒和交变电源的一个极相连，序号为偶数的圆筒和该电源的另一个极相连。交变电源两极间电势差的变化规律如图4乙所示。在t=0时，奇数圆筒相对偶数圆筒的电势差为正值，此时位于和偶数圆筒相连的金属圆板（序号为0）中央的一个电子，在圆板和圆筒1之间的电场中由静止开始加速，沿中心轴线冲进圆筒1。为使电子运动到圆筒与圆筒之间各个间隙中都能恰好使静电力的方向跟运动方向相同而不断加速，圆筒长度的设计必须遵照一定的规律。若已知电子的质量为m、电子电荷量为e、电压的绝对值为u，周期为T，电子通过圆筒间隙的时间可以忽略不计。则金属圆筒的长度和它的序号之间有什么定量关系？第n个金属圆筒的长度应该是多少？
分析：
关于题目的物理学史背景：1924年英国物理学家提出了直线加速器的设计图样。1928年德国物理学家维德罗完成了第一台直线粒子加速器，并利用交变电场加速粒子。为了实现加速，需在制造过程中让漂移管（屏蔽筒）的长度随着粒子速度的增加而增加。这也是当时在研制粒子加速器中的一个重点和难点。
本题目的难点在于粒子在筒内飞行多长时间才能实现粒子出了金属筒就能被加速。这需要分析出粒子在筒内的时间，再根据匀变速运动规律算出筒的长度。为突破难点，结合力和运动的相关知识，设计如下问题，为思维搭设台阶。
问题4：根据所学力和运动的知识，以一个粒子为研究对象（图5），分析其受力和运动情况，并完成表2。
问题5：一个粒子在筒里飞行多长时间，才能保证粒子出筒就被加速？
教师进一步引导分析（图6），研究其中一个粒子的受力及运动情况，并画出金属筒极性随时间的变化图。分别讨论粒子在筒内飞行时间t的大小与T/2的关系。发现粒子进出筒，只有筒的极性发生改变，粒子才能被加速。
意图说明：
①通过单级直流粒子加速器到多级交流粒子加速器的学习，层层设计逐步加深学生从运动与相互作用的视角分析粒子的加速，从牛顿运动定律和功能关系两条思路研究粒子的运动。
②通过对粒子在多级交流加速器中的运动分析，能运用所学的方法，对粒子进行受力和运动的分析，进而实现对运动和相互作用及能量观念的迁移和应用。
③通过学习多级交流加速器，进一步理解设计直线加速器过程的漫长和艰辛，体会科学家的思维过程，学会严谨的科学态度。
为进一步培养学生推动科技发展的责任感，形成探索科学的内在动力，本节安排拓展作业，查找并梳理我国粒子加速器的研究现状及粒子加速器之父——谢家麟的戎马一生。
5 单元教学评价
单元教学评价是基于单元目标的诊断，帮助教师随时了解目标的达成情况，检测和调控学生的学习过程，从而改进教学。设计单元评价的思路简单来说就是，用什么任务来评价目标的达成效果。本课时评价设计维度如表3所示。
单元教学评价设计是围绕单元目标整体设计评价任务和评价工具，评价方式可以是多元的，要做到单元和课时评价的统一和衔接。
6 以“大任务统领单元教学”实施反思
6.1 单元教学促进了教师的专业提升
在单元设计的过程中能让教师像学科专家那样思考，选择主题、确定目标、设计大任务。因此，需要教师立足单元，上接学科核心素养，下连知识点的目标或要求，既要站在高位上设计单元，又要落在课时上来实施教学;既要仰望整体目标，又要心怀具体策略。
6.2 “大任务”最好要具有延展性
“大任务”的确定要切合主题，适应学生的探究水平，才有利于激发学生的探究动机。教师需要根据教学内容、目标、条件、对象和阶段的不同，确定不同的“大任务”，使“大任务”在教学的各环节中真正发挥作用。本文以“设计直线粒子加速器”这个大任务整合部分“静电场”章节，更是为后续磁场中的回旋加速器、电磁感应中的感应加速器埋下了伏笔，以加速器为主线还可以整合更大的主题单元，这些还需在未来教学中不断摸索实践。
参考文献：
[1]中华人民共和国教育部.普通高中课程方案（2017年版） [M].北京：人民教育出版社，2020.
[2]陈琪琪.单元教学设计过程中的“教学问题链”设计——以上海科学技术出版社《物理·必修》（第三册）静电场单元为例[J]. 物理通报，2021（01）：84-87.
[3]周凌宇.把“大任务”与“小问题”相结合——“数字与信息”教学片断与思考[J].小学数学教育，2020（06）：43-45.
（栏目编辑 邓 磊）
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