基于學(xué)習(xí)進(jìn)階的高中物理教學(xué)設(shè)計(jì)
——以“帶電粒子在電場中的運(yùn)動(dòng)”的教學(xué)為例

(江蘇省常州市正衡中學(xué),江蘇 常州 213003)

學(xué)習(xí)進(jìn)階(learning progression)在2004年被正式提出,最初被用于測評設(shè)計(jì)，[1]學(xué)習(xí)進(jìn)階對學(xué)生認(rèn)知和指導(dǎo)教學(xué)的重要意義很快被發(fā)現(xiàn)并得到了重視。學(xué)習(xí)進(jìn)階描述的是學(xué)生在一定的教學(xué)條件下,對科學(xué)概念的理解以及實(shí)踐和應(yīng)用能力方面隨時(shí)間的不斷推移而逐漸生長、深化和精致化的過程。[2]學(xué)習(xí)進(jìn)階一方面能夠?qū)崿F(xiàn)教學(xué)內(nèi)容的連貫一致、緊密銜接,另一方面能循序漸進(jìn),前習(xí)使得后習(xí)變得容易,后習(xí)成為前習(xí)的延伸,學(xué)習(xí)者就可以通過往復(fù)遞進(jìn)式的學(xué)習(xí)而日漸進(jìn)階,最終達(dá)到高水平。

“階”就好比學(xué)生認(rèn)知路徑上的一個(gè)一個(gè)“腳印”,將學(xué)習(xí)路徑上的各點(diǎn)連接起來而呈現(xiàn)出一條路徑,進(jìn)而引導(dǎo)學(xué)生從起點(diǎn)順利到達(dá)終點(diǎn)。物理學(xué)困生能夠記住物理公式、定理、規(guī)律等陳述性的知識(shí)，但是由于他們的知識(shí)是零散的、片段的、缺乏聯(lián)系,沒有形成良好的認(rèn)知結(jié)構(gòu),他們在解決具體物理問題時(shí)不知道用合適的原理來解決。為了幫助學(xué)生發(fā)展良好的認(rèn)知結(jié)構(gòu),更新原有的圖式,這就需要教師圍繞核心概念、立足課程標(biāo)準(zhǔn)、緊扣教材和學(xué)情,構(gòu)建基于學(xué)生認(rèn)知發(fā)展的學(xué)習(xí)進(jìn)階。

在學(xué)習(xí)“帶電粒子在電場中的運(yùn)動(dòng)”之前，學(xué)生已學(xué)習(xí)了牛頓運(yùn)動(dòng)定律、平拋運(yùn)動(dòng)、動(dòng)能定理等,通過對本節(jié)的學(xué)習(xí),可以促進(jìn)學(xué)生對知識(shí)的建構(gòu)、整合、形成統(tǒng)一的體系,同時(shí)在建構(gòu)過程中可以提升他們的綜合素質(zhì)。作為本章的總結(jié),其在歷年高考中都占有很重要的地位,但學(xué)生在實(shí)際學(xué)習(xí)的過程中并不能熟練地解決電場中帶電粒子的加速和偏轉(zhuǎn)等問題。

1 教材分析

“帶電粒子在電場中的運(yùn)動(dòng)”是高中物理選修3-1第一章“靜電場”中的內(nèi)容,其基本要求為：處理帶電粒子在電場中運(yùn)動(dòng)的問題,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。教材內(nèi)容由“帶電粒子的加速”“帶電粒子的偏轉(zhuǎn)”“示波管原理”三部分組成,教學(xué)內(nèi)容的梯度十分明顯,安排符合學(xué)生的認(rèn)知規(guī)律。教材是通過問題探究和例題的形式來研究帶電粒子的加速和偏轉(zhuǎn)問題,教材先從能量角度入手，研究了帶電粒子在電場中的加速；然后又從分析粒子受力情況入手,類比重力場中的平拋運(yùn)動(dòng),研究了帶電粒子在勻強(qiáng)電場中的偏轉(zhuǎn)問題。

2 學(xué)情分析

學(xué)生已經(jīng)掌握了運(yùn)動(dòng)學(xué)和功能關(guān)系的知識(shí)以及簡單的靜電學(xué)知識(shí),具有一定的分析推理能力,但是由于該類問題綜合程度較高,對于學(xué)生來說還是有一定的困難。教師應(yīng)該幫助學(xué)生鋪設(shè)合理的臺(tái)階,逐步提高他們的綜合分析能力。

3 進(jìn)階目標(biāo)

會(huì)分析帶電粒子在電場中運(yùn)動(dòng)的受力情況和運(yùn)動(dòng)情況，會(huì)用類平拋運(yùn)動(dòng)處理帶電粒子的偏轉(zhuǎn)問題。通過對帶電粒子在電場中加速、偏轉(zhuǎn)過程的受力和運(yùn)動(dòng)進(jìn)行分析,強(qiáng)化學(xué)生的分析意識(shí)、過程意識(shí),并應(yīng)用例題進(jìn)行整合,引導(dǎo)學(xué)生自己歸納總結(jié)出解決此類問題的一般方法,由此逐步提升學(xué)生的核心素養(yǎng)。最后以示波管進(jìn)行鞏固練習(xí),讓學(xué)生用所學(xué)知識(shí)去解決實(shí)際問題,培養(yǎng)學(xué)生學(xué)以致用、融會(huì)貫通的能力。

4 進(jìn)階層次劃分與教學(xué)設(shè)計(jì)

4.1 進(jìn)階第一層次：電子電荷量的測定

前面對于電子電荷量的大小已經(jīng)有過介紹,新課引入環(huán)節(jié)首先介紹密立根實(shí)驗(yàn)(如圖1),并引導(dǎo)學(xué)生對油滴進(jìn)行受力分析,并回顧牛頓運(yùn)動(dòng)定律及靜電場的相關(guān)概念，思考電子電荷量的測量方法,這樣能夠激發(fā)起學(xué)生的好奇心和探究欲。

圖1

學(xué)生進(jìn)行小組討論，回答問題：在密立根實(shí)驗(yàn)中,需要測量哪些物理量？請導(dǎo)出用這些物理量計(jì)算油滴電荷量的表達(dá)式，教師對于帶電粒子在具體問題中是否考慮重力要進(jìn)行補(bǔ)充說明。

4.2 進(jìn)階第二層次：帶電粒子的加速

如圖2所示,在真空中有一對平行金屬板,兩板間的電勢差為U，若一個(gè)質(zhì)量為m、帶正電荷q的粒子,在靜電力作用下由靜止開始從正極板向負(fù)極板運(yùn)動(dòng),計(jì)算它到達(dá)負(fù)極板時(shí)的速度。

圖2

解析：在這里教師強(qiáng)調(diào)不計(jì)帶電粒子的重力,并引導(dǎo)學(xué)生分析：帶電粒子只受電場力作用,由于初速度為零,所以粒子沿電場力方向做勻加速直線運(yùn)動(dòng)。在具體解答中，可以采用多種方法解答，拓展學(xué)生思路,下面以兩種方法為例。

方法一：利用牛頓定律和運(yùn)動(dòng)學(xué)公式

方法二：利用動(dòng)能定理

問題討論：

(1) 若帶點(diǎn)粒子的初速度為v0,則粒子到達(dá)負(fù)極板時(shí)的速度又會(huì)怎樣？

(2) 如果兩極板電性換一下，能否達(dá)到加速粒子的目的?

(3) 在上述問題中,兩塊金屬板是平行的,兩板間的電場是勻強(qiáng)電場。如果兩極板是其他形狀,中間的電場不再均勻,上面的兩種方法是否仍然適用？為什么？

教師在學(xué)生討論的基礎(chǔ)上對問題(3)進(jìn)行總結(jié)：方法一必須在勻強(qiáng)電場中使用(F=qE,F為恒力,E恒定),而在非勻強(qiáng)電場中,公式W=qU(只跟初、末位置的電勢差有關(guān))同樣適用,故方法二可行性更好。

如果帶電粒子在電場中的受力方向與速度方向不在同一條直線上,帶電粒子的運(yùn)動(dòng)情況又如何呢？下面我們通過一種特殊情況來研究。

4.3 進(jìn)階第三層次：帶電粒子在電場中的偏轉(zhuǎn)

如圖3所示,帶正電粒子以初速度v0垂直于電場線射入勻強(qiáng)電場中。

圖3

問題討論：(1) 分析帶電粒子的受力情況。(2) 帶電粒子做什么運(yùn)動(dòng)?(3) 你認(rèn)為這種情況同哪種運(yùn)動(dòng)類似,這種運(yùn)動(dòng)的研究方法是什么?(4) 你能類比得到帶電粒子在電場中運(yùn)動(dòng)的研究方法嗎?

學(xué)生討論、交流，教師總結(jié)。

師：帶電粒子在電場中運(yùn)動(dòng)與平拋運(yùn)動(dòng)的研究方法相似，我們可應(yīng)用類比方法進(jìn)行處理，先對帶電粒子在電場中偏轉(zhuǎn)且能飛出電場的運(yùn)動(dòng)情況進(jìn)行討論(如圖4、表1)。

圖4

表1 帶電粒子在電場中偏轉(zhuǎn)與平拋運(yùn)動(dòng)的類比

問題討論：(1) 上面討論的是帶電粒子能飛出電場的情況,如果帶電粒子打到極板上的話,帶電粒子的運(yùn)動(dòng)還一樣嗎？(2) 此時(shí)在電場中的運(yùn)動(dòng)時(shí)間還由極板長度L決定嗎？如果不是,在電場中的運(yùn)動(dòng)時(shí)間由什么來決定？(3) 嘗試寫出帶電粒子打到極板上時(shí),各物理量的表達(dá)式。

4.4 進(jìn)階第四層次：應(yīng)用帶電粒子在電場中運(yùn)動(dòng)的知識(shí)解決實(shí)際問題

圖5

教師引導(dǎo)學(xué)生認(rèn)真研究課本中示波管的原理圖(如圖5),認(rèn)識(shí)示波管由電子槍、偏轉(zhuǎn)電極和熒光屏三部分組成，讓學(xué)生知道帶電粒子在電場中加速以及偏轉(zhuǎn)的兩種運(yùn)動(dòng)情況，示波管有兩組偏轉(zhuǎn)電極,使電子運(yùn)動(dòng)的軌跡變得復(fù)雜。在教學(xué)過程中教師應(yīng)該順著教材“思考與討論”中設(shè)置的臺(tái)階進(jìn)行進(jìn)階教學(xué)。