基于學(xué)生思維發(fā)展的物理練習(xí)課教學(xué)探討①
——以“帶電粒子在電場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)”為例

(江蘇省武進(jìn)高級(jí)中學(xué)，江蘇 常州 213161)

物理練習(xí)課是高中物理教學(xué)的重要課型之一，練習(xí)作為鞏固和活化知識(shí)、發(fā)展科學(xué)思維能力、進(jìn)行教學(xué)評(píng)價(jià)的重要教學(xué)形式，是物理教學(xué)不可或缺的環(huán)節(jié)。

1 物理練習(xí)課的特點(diǎn)

第一，物理練習(xí)教學(xué)的形式豐富多樣，常見(jiàn)的有以鞏固新課為目的的問(wèn)題解決型練習(xí)教學(xué)，即當(dāng)堂留有一定時(shí)間辨析概念、運(yùn)用概念和規(guī)律解決一些實(shí)際問(wèn)題，可以是口頭解答、書(shū)面解答、設(shè)計(jì)操作、評(píng)價(jià)交流等形式，以加深學(xué)生對(duì)新知識(shí)的理解和鞏固，檢驗(yàn)學(xué)生對(duì)新知識(shí)的掌握程度。

第二，在重要物理規(guī)律學(xué)習(xí)完成后，設(shè)置一整節(jié)或更多課時(shí)，以指導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行物理練習(xí)為主的習(xí)題課。它不是簡(jiǎn)單地再現(xiàn)、鞏固所學(xué)物理知識(shí)，而是要揭示學(xué)生先前未注意到的概念、規(guī)律之間的新聯(lián)系，發(fā)展學(xué)生自主建構(gòu)知識(shí)體系、運(yùn)用所學(xué)思想方法、聯(lián)系實(shí)際解決問(wèn)題等多方面綜合能力。

第三，寓規(guī)律于練習(xí)的新課教學(xué)，即物理規(guī)律的習(xí)得不是讓學(xué)生去死記硬背結(jié)論，而是在學(xué)生對(duì)有關(guān)問(wèn)題進(jìn)行分析、探究，并對(duì)它的本質(zhì)有相當(dāng)認(rèn)識(shí)的基礎(chǔ)上進(jìn)行。練習(xí)新課教學(xué)立足于學(xué)生的主體行為，以學(xué)生的思考和操作為根本，依靠學(xué)生的親身體驗(yàn)獲得對(duì)知識(shí)的新理解、對(duì)方法和技能的新感悟，不是教師直接告知，當(dāng)然也不是學(xué)生疲于機(jī)械的解題操作而荒于反思。有效地促使學(xué)生進(jìn)行有價(jià)值的思考，才是練習(xí)教學(xué)的關(guān)鍵所在。

2 基于學(xué)生思維發(fā)展解讀教材

“科學(xué)思維”作為物理核心素養(yǎng)的4要素之一，在《普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)(2017年版)》中58次出現(xiàn)“思維”這個(gè)關(guān)鍵詞，可見(jiàn)，在物理教學(xué)中遵循學(xué)生思維發(fā)展規(guī)律，培養(yǎng)學(xué)生思維能力，提升學(xué)生思維品質(zhì)具有重要意義。

人教版選修3-1第一章第9節(jié)“帶電粒子在電場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)”，由“帶電粒子加速”“帶電粒子偏轉(zhuǎn)”“示波管的原理”三部分組成，教學(xué)內(nèi)容的梯度十分明顯，符合學(xué)生科學(xué)思維不斷發(fā)展的認(rèn)知規(guī)律。高中學(xué)生思維的培養(yǎng)要由直觀形象向邏輯抽象轉(zhuǎn)變，還常常需要與具體的感性經(jīng)驗(yàn)相聯(lián)系，筆者通過(guò)演示實(shí)驗(yàn)情景，提煉物理模型，巧設(shè)問(wèn)題情境等方式，引導(dǎo)學(xué)生自主學(xué)習(xí)、合作與交流，將未知的微觀帶電粒子受力運(yùn)動(dòng)與已知的宏觀物體受力運(yùn)動(dòng)知識(shí)建立關(guān)聯(lián)，逐步完成基于學(xué)生思維發(fā)展的教學(xué)設(shè)計(jì)。其中，示波管原理部分不僅對(duì)力學(xué)、電學(xué)知識(shí)的綜合能力要求較高，而且要有一定的空間想象能力，教學(xué)中要注意思維方式的循序漸進(jìn)，幫助學(xué)生鋪設(shè)合理臺(tái)階，逐步提高他們的綜合分析能力。為此，教師要充分利用好教材“思考與討論”欄目中為學(xué)生設(shè)置的4個(gè)問(wèn)題，讓學(xué)生在科學(xué)探究、交流協(xié)作中理解示波器原理。結(jié)合學(xué)生思維發(fā)展的特點(diǎn)，學(xué)生可能存在以下思維障礙。

(1) 處理帶電粒子在電場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)的問(wèn)題時(shí)，重力是否可以忽略？

(2) 關(guān)于帶電粒子做勻加速運(yùn)動(dòng)，用勻加速運(yùn)動(dòng)的公式來(lái)處理，還是用動(dòng)能定理來(lái)處理？哪一種處理方式更優(yōu)越？

(3) 帶電粒子垂直電場(chǎng)線方向射入勻強(qiáng)電場(chǎng)，用什么樣的方法分析處理此類(lèi)曲線運(yùn)動(dòng)？

(4) 示波管中為什么要有兩組偏轉(zhuǎn)電極？怎樣定出不同時(shí)刻光斑的位置？

筆者根據(jù)學(xué)生的思維特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了3個(gè)創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)，逐步突破學(xué)生存在的思維障礙。

3 物理練習(xí)課教學(xué)案例分析

本節(jié)課通過(guò)例題形式研究帶電粒子的加速和偏轉(zhuǎn)問(wèn)題，主要培養(yǎng)學(xué)生綜合應(yīng)用力學(xué)知識(shí)和電學(xué)知識(shí)的能力。筆者通過(guò)演示創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)、構(gòu)建物理模型、鋪設(shè)問(wèn)題情境、放飛思維想象等方法，逐步提升學(xué)生的綜合素養(yǎng)。

3.1 演示創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)，構(gòu)建物理模型

圖1

實(shí)驗(yàn)引入：如圖1所示，正對(duì)放置的平行板電容器兩極板相距約10cm，分別與手搖式感應(yīng)起電機(jī)的兩個(gè)電極連接，用一根絕緣細(xì)線將包著鋁箔的乒乓球懸掛在兩極板間。邀請(qǐng)一位學(xué)生配合演示實(shí)驗(yàn)，慢慢手搖感應(yīng)起電機(jī)，學(xué)生觀察到乒乓球在兩極板間往復(fù)運(yùn)動(dòng)；隨著手搖速度加快，乒乓球與極板間的撞擊聲和撞擊頻率均變大；緊接著教師剪斷細(xì)線，乒乓球掉落于桌面。

教師設(shè)計(jì)問(wèn)題情境，學(xué)生探尋原因并作匯報(bào)交流。

設(shè)計(jì)意圖：一是明確帶電粒子的運(yùn)動(dòng)情況仍然要從受力分析出發(fā)，為培養(yǎng)學(xué)生綜合應(yīng)用力學(xué)知識(shí)和電學(xué)知識(shí)的能力作好鋪墊；二是由此構(gòu)建理想化物理模型。剪斷細(xì)線后，乒乓球在電場(chǎng)力和重力的共同作用下做復(fù)雜的曲線運(yùn)動(dòng)，但學(xué)生處理帶電粒子在電場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)的問(wèn)題時(shí)，常常因“重力是否可以忽略”感到迷茫。

3.2 簡(jiǎn)化物理模型，突出理論推導(dǎo)的作用

實(shí)驗(yàn)演示：陰極射線管接在高壓靜電發(fā)生器上，逐漸增大電壓，高速運(yùn)動(dòng)的電子流打在熒光屏上，很容易觀察到電子沿直線運(yùn)動(dòng)的軌跡。先從最簡(jiǎn)單的運(yùn)動(dòng)情況入手，分析在勻強(qiáng)電場(chǎng)中只受電場(chǎng)力作用、忽略重力的電子的加速運(yùn)動(dòng)情況。

圖2

如圖2所示，在真空中有一對(duì)平行金屬板，兩板間電勢(shì)差為U0，間距為x，質(zhì)量為m電荷量大小為e的電子(重力不計(jì))，在靜電力作用下由靜止開(kāi)始從負(fù)極板向正極板運(yùn)動(dòng)。求電子到達(dá)正極板時(shí)的速度。

教師引導(dǎo)學(xué)生分組，分別用勻加速運(yùn)動(dòng)的公式和動(dòng)能定理兩種方法來(lái)處理。請(qǐng)學(xué)生分析對(duì)比兩種方法的優(yōu)劣：利用動(dòng)能定理解決問(wèn)題時(shí)，不需要考慮運(yùn)動(dòng)中間過(guò)程，解題簡(jiǎn)潔、計(jì)算量小，而且能夠解決帶電粒子在非勻強(qiáng)電場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)問(wèn)題，而利用運(yùn)動(dòng)學(xué)公式只能分析電子在勻強(qiáng)電場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)情況。

直接取教材P34提供的數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算，若m=0.9×10-30kg，e=1.6×10-19C，U0=2500V，求v0的大小。

設(shè)計(jì)意圖：一是培養(yǎng)學(xué)生根據(jù)真實(shí)情境,構(gòu)建物理模型的意識(shí)和能力。二是引導(dǎo)學(xué)生比較兩種解題方法的優(yōu)劣，強(qiáng)調(diào)動(dòng)能定理的優(yōu)越性，但并不忽視運(yùn)動(dòng)學(xué)知識(shí)的作用。動(dòng)能定理只能求速度的大小，不能求速度的方向，這也為下一環(huán)節(jié)解決曲線運(yùn)動(dòng)的速度方向問(wèn)題埋下伏筆。三是具體的數(shù)據(jù)運(yùn)算源于教材，緊扣教材，能讓學(xué)生直觀感受高速電子流獲得的可能性。

3.3 類(lèi)比原有知識(shí)，提升模型建構(gòu)和科學(xué)思維能力

實(shí)驗(yàn)演示：若將接在高壓靜電發(fā)生器上的平行板電容器的兩個(gè)極板，分別水平正對(duì)放置在陰極射線管的上下兩側(cè)(如圖3)，高速電子流的運(yùn)動(dòng)軌跡會(huì)怎樣變化呢？

圖3

圖4

學(xué)生回答：發(fā)生偏轉(zhuǎn)。

構(gòu)建模型：基于以上分析，我們將實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象簡(jiǎn)化為物理模型，如圖4所示，質(zhì)量為m、電荷量大小為e的電子以平行于極板的初速度v0，射入長(zhǎng)L、板間距離為d的平行板電容器間，兩板間電壓為U，分析電子的偏轉(zhuǎn)情況。

設(shè)計(jì)意圖：本環(huán)節(jié)基于學(xué)生思維發(fā)展的特點(diǎn)，通過(guò)類(lèi)比構(gòu)建物理模型，設(shè)計(jì)高度關(guān)聯(lián)但又層層遞進(jìn)的問(wèn)題，很自然地激發(fā)了學(xué)生探究的欲望。

3.4 拓展應(yīng)用，培養(yǎng)科學(xué)態(tài)度與責(zé)任

師生共同探討：當(dāng)U=0時(shí)，電子打在熒光屏的中心；當(dāng)U增大，則y變大，是不是U可以無(wú)限增大呢？結(jié)論：不是，U過(guò)大則會(huì)打在極板上。當(dāng)U反向，則y也反向……可以通過(guò)y的大小判斷U的大小，我們把這個(gè)電壓叫信號(hào)電壓。

師：如果信號(hào)電壓的大小周期性變化，在熒光屏上呈現(xiàn)什么現(xiàn)象？

生：出現(xiàn)一條豎直的亮線。

教師演示，用記號(hào)筆在白紙上周期性上下往復(fù)移動(dòng)，留下的軌跡表示光斑的徑跡，得到一條不斷重合的直線，如圖5中的直線。

圖5

師：我們無(wú)法判斷各個(gè)時(shí)刻亮斑的位置，即無(wú)法表現(xiàn)信號(hào)電壓在每個(gè)時(shí)刻的大小，有什么辦法？你是否也能模擬光斑的徑跡？

學(xué)生分組討論、交流：記號(hào)筆上下往復(fù)移動(dòng)表示偏轉(zhuǎn)位移y隨信號(hào)電壓U的變化而變化，如果同時(shí)水平勻速抽動(dòng)白紙，則光斑的徑跡便不再重疊在一起。師生共同協(xié)作，完成模擬實(shí)驗(yàn)，得到如圖5中的曲線。

至此，師生共同進(jìn)行理論探究，交流并完成模擬實(shí)驗(yàn)，定性了解了示波器的原理。本環(huán)節(jié)是整節(jié)課所學(xué)知識(shí)的整合與應(yīng)用，不僅培養(yǎng)了學(xué)生科學(xué)探究的能力，還使學(xué)生逐漸形成對(duì)科學(xué)和技術(shù)應(yīng)有的科學(xué)態(tài)度與責(zé)任。

4 物理練習(xí)課的實(shí)踐與思考

傳統(tǒng)的高中物理練習(xí)教學(xué)往往存在脫離實(shí)際、過(guò)于模型化等傾向，缺少物理情境的真實(shí)性以及物理學(xué)與社會(huì)、文化、技術(shù)、相關(guān)學(xué)科之間的聯(lián)系。物理練習(xí)課是高中物理教學(xué)重要的課型之一，它不僅能促進(jìn)學(xué)生對(duì)知識(shí)的理解和應(yīng)用，還能促進(jìn)學(xué)生掌握方法、發(fā)展能力，也能為教師了解學(xué)生的學(xué)習(xí)效果及思維方式，為改進(jìn)教學(xué)提供重要信息。

4.1 物理練習(xí)教學(xué)的作用

物理練習(xí)教學(xué)的首要作用是幫助學(xué)生鞏固和活化基礎(chǔ)知識(shí)，加深和拓展學(xué)科知識(shí)。首先，在概念、規(guī)律的教學(xué)中，學(xué)生要能理解概念建立、規(guī)律探究的事實(shí)依據(jù)和理論基礎(chǔ)，因教學(xué)內(nèi)容受到系統(tǒng)性、篇幅、課時(shí)以及學(xué)生的知識(shí)遷移能力不同的限制，如果不讓學(xué)生將新的知識(shí)反復(fù)應(yīng)用于不同情境，他們就不能牢固掌握和靈活應(yīng)用基礎(chǔ)知識(shí)。其次，物理練習(xí)教學(xué)能促進(jìn)學(xué)生技能提高和能力發(fā)展。物理練習(xí)教學(xué)的核心是解決問(wèn)題，同時(shí)，它又是實(shí)踐性很強(qiáng)的學(xué)習(xí)活動(dòng)。面對(duì)新的問(wèn)題情境時(shí)，學(xué)生必須進(jìn)行分析與綜合、判斷與推理、設(shè)計(jì)與操作，從而促進(jìn)心智技能、動(dòng)作技能等的發(fā)展。最后，物理練習(xí)教學(xué)是進(jìn)行教學(xué)評(píng)價(jià)的重要手段。對(duì)于學(xué)生的學(xué)習(xí)情況和心理狀況等，教師可以通過(guò)課堂觀察、提問(wèn)、完成物理練習(xí)的過(guò)程和結(jié)果進(jìn)行深入考查。

4.2 重視物理情境的創(chuàng)設(shè)

知識(shí)的學(xué)習(xí)是依賴(lài)于情境的，物理練習(xí)教學(xué)就是將概念、規(guī)律的學(xué)習(xí)與豐富的情境聯(lián)系起來(lái)的過(guò)程。首先，學(xué)生在練習(xí)過(guò)程中，不斷面對(duì)新問(wèn)題，并應(yīng)用已有的知識(shí)和思維方法處理新問(wèn)題，從而發(fā)現(xiàn)并糾正自己在知識(shí)理解上的謬誤和不足。其次，許多練習(xí)題源于現(xiàn)實(shí)的生產(chǎn)、生活實(shí)際和現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)，學(xué)生在強(qiáng)化知識(shí)、方法學(xué)習(xí)的同時(shí)，還能理解物理科學(xué)與社會(huì)、技術(shù)的聯(lián)系。在“帶電粒子在電場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)”教學(xué)中，通過(guò)相互關(guān)聯(lián)并逐步深入的3個(gè)實(shí)驗(yàn)創(chuàng)設(shè)物理情境，把知識(shí)的學(xué)習(xí)融于根據(jù)物理情境構(gòu)建物理模型的研究過(guò)程之中。最后通過(guò)創(chuàng)設(shè)模擬情境，師生協(xié)作描繪光斑徑跡，以了解示波管的工作原理，達(dá)成教學(xué)目標(biāo)。

4.3 以培養(yǎng)核心素養(yǎng)為目標(biāo)

物理核心素養(yǎng)是學(xué)生在接受物理教育過(guò)程中逐步形成的適應(yīng)個(gè)人終身發(fā)展和社會(huì)需要的必備品格和關(guān)鍵能力，是學(xué)生通過(guò)物理學(xué)習(xí)內(nèi)化的帶有物理學(xué)科特性的品質(zhì)，高中物理教學(xué)以培養(yǎng)學(xué)生核心素養(yǎng)為目標(biāo)。在課堂教學(xué)引入環(huán)節(jié)，基于實(shí)驗(yàn)概括“是否要考慮重力”的條件，教師的講授與實(shí)驗(yàn)緊密結(jié)合，學(xué)生從中真正理解“理想化模型”的意義，形成物理觀念。在教學(xué)中，看似解了兩道例題，實(shí)際上教師引導(dǎo)學(xué)生圍繞真實(shí)而復(fù)雜的物理情景，經(jīng)歷物理問(wèn)題的提出、物理模型的建構(gòu)、問(wèn)題解決、實(shí)踐操作等過(guò)程，發(fā)展學(xué)生科學(xué)思維，培養(yǎng)其科學(xué)態(tài)度與責(zé)任。