基于任务驱动的项目式学习教学设计——《带电粒子在电场中的运动》

（黑龙江省实验中学 黑龙江·哈尔滨 150001）

1 项目式教学法与任务驱动教学法

项目教学法是一种以学习者的能力为本，以发展学习者的核心素养为本的活动教学法。它是以完成真实的事情或任务为目标，是教师根据教学目标和教学内容，精心构造和设计实际情景，并设置相应的问题或任务，让学生能够完全融入特定或真实的项目情景中去进行研究式、探究式、体验式、合作式乃至创新式学习的教学方法。在项目式教学中，学生成为积极的探索者，主动参与者，深度思考者。

项目式学习中，学生围绕一个富有挑战性的学习主题，整合学科内甚至是跨学科的学习内容，促进学生综合理解，实现学生的综合发展。项目式学习能够有效地改变以往以知识传授为主线的教学方式，用更真实、更综合的项目引导学生展开学习，让学生在问题解决中实现学用合一。项目式学习强调学生的自主建构和实践创新，让学生在探究与创作中或形成一定的作品，或建构出富有逻辑的知识体系与思维体系。

任务驱动教学法是基于建构主义教学理论，将教学内容和教学目标分解成一个个富有趣味性、挑战性的真实任务，学习者通过完成对应任务从而获取相关知识与技能的一种开放式、探究式教学模式，它能够有效激发学习者完成学习任务的动机和潜能。

任务驱动教学法强调问题导向原则和任务驱动机制，教师需要精心设计特定的教学任务，并将教学内容和相关知识点融合进去，学生通过完成这些具体任务，掌握任务中隐含的教学内容，从而实现总体教学目标。这种教学模式将彻底改变以教师讲授为主的传统教学方式，取而代之的是混合式教学模式，强调学生主动探究式、协作式完成任务，教师进行适当引导和有效组织。它通过“任务”来激发学生原始的内在动力，使枯燥乏味的知识点学习目标变成更明确、更具体，学习过程也更有体验感和参与感。

基于任务驱动的项目式教学是任务驱动教学法和项目式教学法在真实或模拟项目教学中深度融合的成果性教学模式。在普通高中教育教学中，这种教学模式以项目为载体，将项目分解成一个个的真实任务，在逐步完成任务中将相应理论知识、基本原理、技术及其应用有机融合在项目的学习与研究中，从而构建知识体系、思维体系和实践技能。

经过长期实践，基于任务驱动的项目式学习一般具有的步骤：创设实际问题情境→提取学习主题→建构物理模型→展开问题化教与学→建构知识体系→回扣实际情境解决问题→延伸到课下的学习暨走向高阶思维。

下面以《带电粒子在电场中的运动》为例，呈现基于任务驱动的项目式教学法。

2 基于任务驱动的项目式学习教学设计《带电粒子在电场中的运动》

本课旨在通过基于任务驱动的项目式教学方式把抽象的理论知识蕴含在分析和解决实际问题中进行学习，激发学生的深度思考，培养学生的综合思维能力、运用知识解决问题的能力以及模型建构、知识体系建构等能力。

本节教学设计从展示实际的科学研究仪器示波器入手，演示其应用，引发学生对该科学仪器的兴趣。然后层层剖析其内部核心元件示波管的构造，用问题驱动来启发学生利用所学知识分析其工作原理。从而使学生在知识上进一步学会带电粒子在电场中加速和偏转的分析方法，又深刻体会物理基本知识在实际生活和科学技术中的重大应用。受课时限制，本课采用问题为导向的半开放式的研究方式，强化学生的自主学习和对知识的综合运动用能力，以期全方位提高学生的核心素养。

其中项目一和项目二课上完成，项目三由学生课下完成。项目四是本课学习之后为学生提供的使用示波器研究实际问题的研究性学习课题。

【学习准备】将学生每四人分成一个学习小组。

【器材准备】J2459型学生示波器、MIC话筒放大/咪头传感器、阻值为20的滑动变阻器、1.5V干电池四节、电键、导线若干。

项目研究一：从实际情境和问题出发，建立物理模型，进入理论探究。

环节一：创设实际情境，激发兴趣，引发思考。

向学生展示示波器。在示波器的信号端接入一咪头传感器，请学生对着话筒说话或者唱歌，观察和感受示波器屏幕上的波形随学生声音变化情况。提出问题：

问题1：你认为屏上显示的是什么信号的波形呢？

问题2：你见过类似的仪器吗？在哪里见过？

问题3：这个仪器是怎么把我们要研究的信号反映出来的呢？

环节二：研究核心部件示波管构造，猜想其工作原理 ，提取学习主题。

让学生观察内部核心部件示波管（有条件展示，无条件可不做）。向学生介绍示波管内部构造，并提取管内核心要素，简化构造图如图所示。猜想：

问题4：电子枪的作用是什么？

问题5：两个偏转电极的放置方式和作用是什么？

问题6：若想让电子打在荧光屏的中央采取什么措施？打在屏的右侧呢？打在屏的上方呢？打在第一象限呢？

请同学们利用手中的示波器及提供的器材来证实所想。（此处教师要告诉学生：扫描范围放到“外X”。小组讨论研究怎样在两个偏转电极上加电压。）

可见，示波器屏幕之所以能显示出信号的波形，跟带电粒子在电场中的运动有关。

问题7：这里面只有一个电子吗？

问题8：刚才屏上显示的都是一个点，这个点是怎么形成的？怎样才能让屏幕上出现线条呢？

带着这样的问题继续下面的研究。

环节三：变情境化问题为非情境化问题，构建物理模型，进入理论分析与研究。

问题9：一个电子打在荧光屏上的位置跟什么因素有关呢？请构建一个方便我们进行理论探究的情境。

提示同学们：问题的研究往往从简单的入手，由浅入深，由表及里。

问题10：在这个情境中，我们应该设置哪些量？哪些量是不变的，哪些量是可变的？要研究的对象又是谁？

构建之后的图景及研究：

探究性问题11：若电子从金属丝中出来时速度可认为是0，则电子从电子枪中射出时速率是多大？这个问题能用运动学公式求解吗？为什么？

体会分析物体运动过程的重要性，形成相互作用与运动观念以及能量观念。

探究性问题12：探究电子在偏转电场中的的偏移量y和速度的偏转角 。

引导学生构建电子的运动模型：电子质量为m，电荷量为q，以初速度0垂直电场方向进入匀强电场，不计其受到的重力作用，分析其从电场中射出时的偏移量y和速度的偏转角 。如图所示。

问题分解：（1）粒子将做什么运动？

（2）研究这种运动的基本方法是什么？

（3）定量列出方程进行求解。（已知板间距d、极板长l、板间偏转电压U2。）

探究性问题13：粒子从偏转电场中射出后打在荧光屏上的位置和什么因素有关？

此处通过讨论研究，电子飞出偏转电场后运动性质及规律发生了变化，再次体会分析物体运动过程的重要性，强化相互作用与运动观念。同时体会研究电子在偏转电场中的偏移量及速度偏转角的重大意义。

可见，若加速电压U1确定，电子打在屏幕上的位置与加在上的偏转电压U2成正比。

探究性问题14：若电子从加速电场中飞出后只进入XX'偏转电场，电子经加速和偏转后，打在屏幕上的位置和什么因素有关？

探究性问题15：若两个偏转电极上同时加上了电压，且电子经加速电场后先进入YY'偏转电场，飞出后进入XX'偏转电场，又怎样运动？

此问题是前面问题思维的综合与升华。学生在此处思维更受挑战，进一步体会分析相互作用与运动观念的运动及运动合成与分解的基本知识的使用。

探究性问题16：物体运动的平面由什么因素来决定？如何将运动分解问题的研究变得简单？

探究性问题17：再次思考，电子打在屏幕上的位置由什么因素来决定？

项目研究二：理论探究的结果应用于实际，进入体验式研究阶段。

环节四：问题的深层次的探究，引发深度思考与综合分析：探究示波管屏幕上的波形是如果显示出来的。

这个环节的问题通过理论研究得出结论后，在示波器上操作来验证同学们的结论。

问题18：如何让示波管屏幕上显示一条水平亮线？又如何使其拉长或缩短？

问题19：如何让示波管屏幕上显示一条竖直亮线？又如何使其拉长或缩短？

问题20：如果在电极YY′之间所加的电压按图(b)所示的规律变化，在电极XX′之间所加的电压按图(c)所示的规律变化，则在荧光屏上会看到的图形是哪一个？

问题 21：如何让示波管屏幕上显示出两个完整的正弦波？两个偏转电极的周期应该怎样匹配才能使示波管荧光屏显示稳定的图形？

问题22：若要让示波管屏幕上显示出我们的声音信号随时间变化的波形，我们需要在两个偏转电极加上怎样的电压？

问题23：荧光屏上的线条是一个电子的运动形成的吗？在前面进行的理论探究中我们做了怎样的近似处理？这样的处理合理吗？用示波器操作的结果跟近似处理之后的结果是否相符？

项目研究三：总结归纳，构建知识体系及学习效果测评。

环节五：总结归纳，构建知识体系。

通过本课的学习、讨论、研究和体验，我们体会到了科学知识在技术上的应用，体会到了科学知识的重要性。下面我们来提取和归纳本课的要点，构建本节课的知识网络。

问题24：课用到的物理知识和基本思维方法是什么？

问题25：示波管的工作基础是什么？示波管的应用中我们应该提取哪些要点？

学生以小组为单位，共同建构本课知识网络。教师选出构建较好的展示给全体同学，并指出好在哪里。下面给出一参考案例：

带电粒子在电场中的运动：

研究对象：微观带电粒子，不计重力影响。

粒子飞出偏转电场的偏移量y求解：

粒子飞出偏转电场时速度的偏转角 求解：

带电粒子在电场中的运动应用：示波管的工作原理：

示波管构造：（1）电子枪；（2）偏转极板；（3）荧光屏。

工作原理：

由此可见示波管的工作基础：当电子枪中加速电压U1确定时，电子无论在水平方向还是竖直方向的偏转位移均与对应的偏转电压成正比。

在科学研究中，示波器这样使用：

（1）YY′上加的是待显示的信号电压，XX′上是机器自身产生的锯齿形电压，叫作扫描电压，如图所示。

（2）观察到的现象：

①如果在偏转电极XX′和YY′之间都没有加电压，则电子枪射出的电子沿直线运动，打在荧光屏中心，在那里产生一个亮斑。

②若所加扫描电压和信号电压的周期相等，就可以在荧光屏上得到待测信号在一个周期内随时间变化的稳定图像。

环节六：学习效果测评。

【题目一】如图甲，某装置由多个横截面积相同的金属圆筒依次排列，其中心轴线在同一直线上，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？

本题目测试学生的力与相互作用观念、能量观念，以及学生的科学思维能力。同时让学生了解一种获得高能粒子的方法，知道电场知识在科学与技术中的重要应用。

【题目二】若在示波管的两个偏转电极分别加上如图所示的电压，试讨论荧光屏上可能显示的图形。

项目研究四：延伸到课后的研究性学习。

环节六：课后研究性课题（本环节为有进一步研究欲望的学生设置，选择性研究）。

课题：使用示波器观察限幅电路波形。

3 案例评鉴

《带电粒子在电场中的运动》在知识上属先前所学直线运动规律与匀变速曲线运动规律的应用，从学生已经获得的能力水平来讲是容易理解和接受的。由于微观带电粒子本身及其运动学生不能直接看到和感知，学习起来比较枯燥。如何使本课的教学能充分调动学生的深层思维和激发内在动机，从而达到培养学生核心素养的目的，成为本课设计的探讨点。设计者在此将它设计成一种基于任务驱动的项目式学习方式，采用开放式的学习和研究方式，强调学生的自主学习、探究式学习和体验式学习，充分体现了以学生为本、以能力为本、以发展核心素养为本的理念。

本案例从展示实际的科学研究仪器入手，演示其应用，引发学生对该科学仪器的兴趣。然后层层剖析其内部核心元件示波管的构造，引导学生利用所学知识分析其工作原理。从而使学生在知识上进一步学会带电粒子在电场中加速和偏转的分析方法，又深刻体会物理基本知识在实际生活和科学技术中的重大应用。

以问题启发为导向，让实验探究贯穿学生学习的始终，将摸不着、看不见的微观粒子和场以及微观粒子的运动通过示波器实验变得“可视化”，抽象的知识变得形象化、具体化。在分析与探究的过程中帮助学生形成物质观、相互作用与运动观以及能量观念。

本案例的设计没有将核心素养的要素分割开来，而是在各个环节中充分体现物理核心素养四个要素的相互作用，全方位渗透科学思维、科学探究、科学态度与责任的培育。设计中共提出25个问题，问题由浅入深，层层递进，挑战性逐渐增强。这样的学习不难想象会激发学生的思维活力和享受完成挑战后发自内心的喜悦。

设计还使学生的学习延申到了课后，为学生提供了“使用示波器观察限幅电路”的研究性学习题目。参与研究的学生既要依据掌握的原理去研究具体怎样操作示波器，又通过观察限幅电路的信号激发研究和探索该电路原理的欲望，产生进一步学习的动机与行动；既使学习到的知识和实践技能得到了进一步的巩固和练习，又使学习走向更高层次：知识的整体建构、有效迁移与高阶思维的逐步形成。