基于任務驅動的項目式學習教學設計
——《帶電粒子在電場中的運動》

（黑龍江省實驗中學 黑龍江·哈爾濱 150001）

1 項目式教學法與任務驅動教學法

項目教學法是一種以學習者的能力為本，以發展學習者的核心素養為本的活動教學法。它是以完成真實的事情或任務為目標，是教師根據教學目標和教學內容，精心構造和設計實際情景，并設置相應的問題或任務，讓學生能夠完全融入特定或真實的項目情景中去進行研究式、探究式、體驗式、合作式乃至創新式學習的教學方法。在項目式教學中，學生成為積極的探索者，主動參與者，深度思考者。

項目式學習中，學生圍繞一個富有挑戰性的學習主題，整合學科內甚至是跨學科的學習內容，促進學生綜合理解，實現學生的綜合發展。項目式學習能夠有效地改變以往以知識傳授為主線的教學方式，用更真實、更綜合的項目引導學生展開學習，讓學生在問題解決中實現學用合一。項目式學習強調學生的自主建構和實踐創新，讓學生在探究與創作中或形成一定的作品，或建構出富有邏輯的知識體系與思維體系。

任務驅動教學法是基于建構主義教學理論，將教學內容和教學目標分解成一個個富有趣味性、挑戰性的真實任務，學習者通過完成對應任務從而獲取相關知識與技能的一種開放式、探究式教學模式，它能夠有效激發學習者完成學習任務的動機和潛能。

任務驅動教學法強調問題導向原則和任務驅動機制，教師需要精心設計特定的教學任務，并將教學內容和相關知識點融合進去，學生通過完成這些具體任務，掌握任務中隱含的教學內容，從而實現總體教學目標。這種教學模式將徹底改變以教師講授為主的傳統教學方式，取而代之的是混合式教學模式，強調學生主動探究式、協作式完成任務，教師進行適當引導和有效組織。它通過“任務”來激發學生原始的內在動力，使枯燥乏味的知識點學習目標變成更明確、更具體，學習過程也更有體驗感和參與感。

基于任務驅動的項目式教學是任務驅動教學法和項目式教學法在真實或模擬項目教學中深度融合的成果性教學模式。在普通高中教育教學中，這種教學模式以項目為載體，將項目分解成一個個的真實任務，在逐步完成任務中將相應理論知識、基本原理、技術及其應用有機融合在項目的學習與研究中，從而構建知識體系、思維體系和實踐技能。

經過長期實踐，基于任務驅動的項目式學習一般具有的步驟：創設實際問題情境→提取學習主題→建構物理模型→展開問題化教與學→建構知識體系→回扣實際情境解決問題→延伸到課下的學習暨走向高階思維。

下面以《帶電粒子在電場中的運動》為例，呈現基于任務驅動的項目式教學法。

2 基于任務驅動的項目式學習教學設計《帶電粒子在電場中的運動》

本課旨在通過基于任務驅動的項目式教學方式把抽象的理論知識蘊含在分析和解決實際問題中進行學習，激發學生的深度思考，培養學生的綜合思維能力、運用知識解決問題的能力以及模型建構、知識體系建構等能力。

本節教學設計從展示實際的科學研究儀器示波器入手，演示其應用，引發學生對該科學儀器的興趣。然后層層剖析其內部核心元件示波管的構造，用問題驅動來啟發學生利用所學知識分析其工作原理。從而使學生在知識上進一步學會帶電粒子在電場中加速和偏轉的分析方法，又深刻體會物理基本知識在實際生活和科學技術中的重大應用。受課時限制，本課采用問題為導向的半開放式的研究方式，強化學生的自主學習和對知識的綜合運動用能力，以期全方位提高學生的核心素養。

其中項目一和項目二課上完成，項目三由學生課下完成。項目四是本課學習之后為學生提供的使用示波器研究實際問題的研究性學習課題。

【學習準備】將學生每四人分成一個學習小組。

【器材準備】J2459型學生示波器、MIC話筒放大/咪頭傳感器、阻值為20的滑動變阻器、1.5V干電池四節、電鍵、導線若干。

項目研究一：從實際情境和問題出發，建立物理模型，進入理論探究。

環節一：創設實際情境，激發興趣，引發思考。

向學生展示示波器。在示波器的信號端接入一咪頭傳感器，請學生對著話筒說話或者唱歌，觀察和感受示波器屏幕上的波形隨學生聲音變化情況。提出問題：

問題1：你認為屏上顯示的是什么信號的波形呢？

問題2：你見過類似的儀器嗎？在哪里見過？

問題3：這個儀器是怎么把我們要研究的信號反映出來的呢？

環節二：研究核心部件示波管構造，猜想其工作原理 ，提取學習主題。

讓學生觀察內部核心部件示波管（有條件展示，無條件可不做）。向學生介紹示波管內部構造，并提取管內核心要素，簡化構造圖如圖所示。猜想：

問題4：電子槍的作用是什么？

問題5：兩個偏轉電極的放置方式和作用是什么？

問題6：若想讓電子打在熒光屏的中央采取什么措施？打在屏的右側呢？打在屏的上方呢？打在第一象限呢？

請同學們利用手中的示波器及提供的器材來證實所想。（此處教師要告訴學生：掃描范圍放到“外X”。小組討論研究怎樣在兩個偏轉電極上加電壓。）

可見，示波器屏幕之所以能顯示出信號的波形，跟帶電粒子在電場中的運動有關。

問題7：這里面只有一個電子嗎？

問題8：剛才屏上顯示的都是一個點，這個點是怎么形成的？怎樣才能讓屏幕上出現線條呢？

帶著這樣的問題繼續下面的研究。

環節三：變情境化問題為非情境化問題，構建物理模型，進入理論分析與研究。

問題9：一個電子打在熒光屏上的位置跟什么因素有關呢？請構建一個方便我們進行理論探究的情境。

提示同學們：問題的研究往往從簡單的入手，由淺入深，由表及里。

問題10：在這個情境中，我們應該設置哪些量？哪些量是不變的，哪些量是可變的？要研究的對象又是誰？

構建之后的圖景及研究：

探究性問題11：若電子從金屬絲中出來時速度可認為是0，則電子從電子槍中射出時速率是多大？這個問題能用運動學公式求解嗎？為什么？

體會分析物體運動過程的重要性，形成相互作用與運動觀念以及能量觀念。

探究性問題12：探究電子在偏轉電場中的的偏移量y和速度的偏轉角 。

引導學生構建電子的運動模型：電子質量為m，電荷量為q，以初速度0垂直電場方向進入勻強電場，不計其受到的重力作用，分析其從電場中射出時的偏移量y和速度的偏轉角 。如圖所示。

問題分解：（1）粒子將做什么運動？

（2）研究這種運動的基本方法是什么？

（3）定量列出方程進行求解。（已知板間距d、極板長l、板間偏轉電壓U2。）

探究性問題13：粒子從偏轉電場中射出后打在熒光屏上的位置和什么因素有關？

此處通過討論研究，電子飛出偏轉電場后運動性質及規律發生了變化，再次體會分析物體運動過程的重要性，強化相互作用與運動觀念。同時體會研究電子在偏轉電場中的偏移量及速度偏轉角的重大意義。

可見，若加速電壓U1確定，電子打在屏幕上的位置與加在上的偏轉電壓U2成正比。

探究性問題14：若電子從加速電場中飛出后只進入XX'偏轉電場，電子經加速和偏轉后，打在屏幕上的位置和什么因素有關？

探究性問題15：若兩個偏轉電極上同時加上了電壓，且電子經加速電場后先進入YY'偏轉電場，飛出后進入XX'偏轉電場，又怎樣運動？

此問題是前面問題思維的綜合與升華。學生在此處思維更受挑戰，進一步體會分析相互作用與運動觀念的運動及運動合成與分解的基本知識的使用。

探究性問題16：物體運動的平面由什么因素來決定？如何將運動分解問題的研究變得簡單？

探究性問題17：再次思考，電子打在屏幕上的位置由什么因素來決定？

項目研究二：理論探究的結果應用于實際，進入體驗式研究階段。

環節四：問題的深層次的探究，引發深度思考與綜合分析：探究示波管屏幕上的波形是如果顯示出來的。

這個環節的問題通過理論研究得出結論后，在示波器上操作來驗證同學們的結論。

問題18：如何讓示波管屏幕上顯示一條水平亮線？又如何使其拉長或縮短？

問題19：如何讓示波管屏幕上顯示一條豎直亮線？又如何使其拉長或縮短？

問題20：如果在電極YY′之間所加的電壓按圖(b)所示的規律變化，在電極XX′之間所加的電壓按圖(c)所示的規律變化，則在熒光屏上會看到的圖形是哪一個？

問題 21：如何讓示波管屏幕上顯示出兩個完整的正弦波？兩個偏轉電極的周期應該怎樣匹配才能使示波管熒光屏顯示穩定的圖形？

問題22：若要讓示波管屏幕上顯示出我們的聲音信號隨時間變化的波形，我們需要在兩個偏轉電極加上怎樣的電壓？

問題23：熒光屏上的線條是一個電子的運動形成的嗎？在前面進行的理論探究中我們做了怎樣的近似處理？這樣的處理合理嗎？用示波器操作的結果跟近似處理之后的結果是否相符？

項目研究三：總結歸納，構建知識體系及學習效果測評。

環節五：總結歸納，構建知識體系。

通過本課的學習、討論、研究和體驗，我們體會到了科學知識在技術上的應用，體會到了科學知識的重要性。下面我們來提取和歸納本課的要點，構建本節課的知識網絡。

問題24：課用到的物理知識和基本思維方法是什么？

問題25：示波管的工作基礎是什么？示波管的應用中我們應該提取哪些要點？

學生以小組為單位，共同建構本課知識網絡。教師選出構建較好的展示給全體同學，并指出好在哪里。下面給出一參考案例：

帶電粒子在電場中的運動：

研究對象：微觀帶電粒子，不計重力影響。

粒子飛出偏轉電場的偏移量y求解：

粒子飛出偏轉電場時速度的偏轉角 求解：

帶電粒子在電場中的運動應用：示波管的工作原理：

示波管構造：（1）電子槍；（2）偏轉極板；（3）熒光屏。

工作原理：

由此可見示波管的工作基礎：當電子槍中加速電壓U1確定時，電子無論在水平方向還是豎直方向的偏轉位移均與對應的偏轉電壓成正比。

在科學研究中，示波器這樣使用：

（1）YY′上加的是待顯示的信號電壓，XX′上是機器自身產生的鋸齒形電壓，叫作掃描電壓，如圖所示。

（2）觀察到的現象：

①如果在偏轉電極XX′和YY′之間都沒有加電壓，則電子槍射出的電子沿直線運動，打在熒光屏中心，在那里產生一個亮斑。

②若所加掃描電壓和信號電壓的周期相等，就可以在熒光屏上得到待測信號在一個周期內隨時間變化的穩定圖像。

環節六：學習效果測評。

【題目一】如圖甲，某裝置由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律如圖乙所示。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？

本題目測試學生的力與相互作用觀念、能量觀念，以及學生的科學思維能力。同時讓學生了解一種獲得高能粒子的方法，知道電場知識在科學與技術中的重要應用。

【題目二】若在示波管的兩個偏轉電極分別加上如圖所示的電壓，試討論熒光屏上可能顯示的圖形。

項目研究四：延伸到課后的研究性學習。

環節六：課后研究性課題（本環節為有進一步研究欲望的學生設置，選擇性研究）。

課題：使用示波器觀察限幅電路波形。

3 案例評鑒

《帶電粒子在電場中的運動》在知識上屬先前所學直線運動規律與勻變速曲線運動規律的應用，從學生已經獲得的能力水平來講是容易理解和接受的。由于微觀帶電粒子本身及其運動學生不能直接看到和感知，學習起來比較枯燥。如何使本課的教學能充分調動學生的深層思維和激發內在動機，從而達到培養學生核心素養的目的，成為本課設計的探討點。設計者在此將它設計成一種基于任務驅動的項目式學習方式，采用開放式的學習和研究方式，強調學生的自主學習、探究式學習和體驗式學習，充分體現了以學生為本、以能力為本、以發展核心素養為本的理念。

本案例從展示實際的科學研究儀器入手，演示其應用，引發學生對該科學儀器的興趣。然后層層剖析其內部核心元件示波管的構造，引導學生利用所學知識分析其工作原理。從而使學生在知識上進一步學會帶電粒子在電場中加速和偏轉的分析方法，又深刻體會物理基本知識在實際生活和科學技術中的重大應用。

以問題啟發為導向，讓實驗探究貫穿學生學習的始終，將摸不著、看不見的微觀粒子和場以及微觀粒子的運動通過示波器實驗變得“可視化”，抽象的知識變得形象化、具體化。在分析與探究的過程中幫助學生形成物質觀、相互作用與運動觀以及能量觀念。

本案例的設計沒有將核心素養的要素分割開來，而是在各個環節中充分體現物理核心素養四個要素的相互作用，全方位滲透科學思維、科學探究、科學態度與責任的培育。設計中共提出25個問題，問題由淺入深，層層遞進，挑戰性逐漸增強。這樣的學習不難想象會激發學生的思維活力和享受完成挑戰后發自內心的喜悅。

設計還使學生的學習延申到了課后，為學生提供了“使用示波器觀察限幅電路”的研究性學習題目。參與研究的學生既要依據掌握的原理去研究具體怎樣操作示波器，又通過觀察限幅電路的信號激發研究和探索該電路原理的欲望，產生進一步學習的動機與行動；既使學習到的知識和實踐技能得到了進一步的鞏固和練習，又使學習走向更高層次：知識的整體建構、有效遷移與高階思維的逐步形成。