學(xué)習(xí)進(jìn)階理論下的情境教學(xué)課堂建構(gòu)
——以“帶電粒子在電場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)”教學(xué)為例

黃 佳

(江蘇省蘇州第一中學(xué)校,江蘇 蘇州 215006)

學(xué)習(xí)進(jìn)階是指學(xué)生在學(xué)習(xí)和探究某一主題時(shí),依次進(jìn)階、逐層漸進(jìn)地進(jìn)行思維和科學(xué)探究的過(guò)程。教師幫助學(xué)生設(shè)置認(rèn)知過(guò)程中的許多中間水平的“階梯”,用這些“階梯”構(gòu)成學(xué)習(xí)進(jìn)階鏈,將學(xué)生的學(xué)習(xí)進(jìn)階起點(diǎn)和學(xué)習(xí)進(jìn)階終點(diǎn)連接起來(lái),使課堂學(xué)習(xí)變成學(xué)生不斷探索、不斷發(fā)展的進(jìn)階過(guò)程。[1]

情境教學(xué)是指在教學(xué)中有目的地創(chuàng)設(shè)或引入具有一定感情色彩的、以形象體驗(yàn)為主的生動(dòng)、具體場(chǎng)景,幫助學(xué)生理解知識(shí),鍛煉學(xué)生思維能力,提升學(xué)生解決問(wèn)題能力的教學(xué)方法。情境教學(xué)包括“情境化”“去情境化”與“再情境化”三個(gè)環(huán)節(jié),情境化感性地激活學(xué)生自主學(xué)習(xí)的內(nèi)驅(qū)力,去情境化提升學(xué)生思維能力和探究能力,再情境化檢驗(yàn)學(xué)生的學(xué)習(xí)遷移能力。[2]

筆者以學(xué)習(xí)進(jìn)階理論為指導(dǎo)，建構(gòu)學(xué)習(xí)進(jìn)階理論下的情境教學(xué)模式，并以“帶電粒子在電場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)”教學(xué)為例，探討該模式的具體操作策略。

1 基于學(xué)習(xí)進(jìn)階理論的情境教學(xué)模式

學(xué)習(xí)進(jìn)階要從學(xué)情出發(fā),利用學(xué)習(xí)“階梯”幫助學(xué)生完成知識(shí)構(gòu)建、思維進(jìn)階；情境教學(xué)是通過(guò)“情境”幫助學(xué)生登上“階梯”,在“情境化”環(huán)節(jié)中,根據(jù)學(xué)生的知識(shí)結(jié)構(gòu)和思維能力確定進(jìn)階的起點(diǎn),創(chuàng)設(shè)問(wèn)題情境,激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。在“去情境化”環(huán)節(jié)中,構(gòu)建呈現(xiàn)核心知識(shí)或核心概念的循序漸進(jìn)的進(jìn)階問(wèn)題鏈,鍛煉學(xué)生的科學(xué)思維和探究能力,實(shí)現(xiàn)從感性認(rèn)識(shí)到理性認(rèn)識(shí)的飛躍。在“再情境化”環(huán)節(jié)中,根據(jù)學(xué)生核心素養(yǎng)發(fā)展目標(biāo)要求作為學(xué)習(xí)進(jìn)階的終點(diǎn),提升學(xué)生的學(xué)習(xí)遷移能力，據(jù)此筆者構(gòu)建了如圖1所示的學(xué)習(xí)進(jìn)階理論下的情境教學(xué)模式。

圖1

2 情境教學(xué)模式的操作策略

2.1 創(chuàng)設(shè)問(wèn)題情境,激活學(xué)習(xí)內(nèi)驅(qū)力

教學(xué)的起點(diǎn)應(yīng)基于學(xué)生的知識(shí)儲(chǔ)備,情境教學(xué)應(yīng)貼近學(xué)生的認(rèn)知特點(diǎn)和思維能力,以利于促進(jìn)學(xué)生的感性體驗(yàn)和認(rèn)識(shí),激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣和探究的內(nèi)驅(qū)力。

問(wèn)題情境:CT掃描是計(jì)算機(jī)X射線斷層掃描技術(shù)的簡(jiǎn)稱,CT掃描機(jī)可用于對(duì)多種疾病的探測(cè)。圖2是某種CT機(jī)主要部分的剖面圖，電子從電子槍A出發(fā),經(jīng)過(guò)儀器內(nèi)部(圖中虛線部分)的電場(chǎng)后,最終打到在靶B上,產(chǎn)生豎直向上的X射線穿過(guò)人體到達(dá)探測(cè)器。

圖2

提問(wèn):儀器內(nèi)部的電場(chǎng)可能是怎樣的？電子的運(yùn)動(dòng)軌跡可能是怎樣的？

學(xué)生在討論和交流之后,得出結(jié)論:(1) 如儀器內(nèi)部的電場(chǎng)是加速電場(chǎng),電子的運(yùn)動(dòng)軌跡是直線；(2) 如儀器內(nèi)部的電場(chǎng)是偏轉(zhuǎn)電場(chǎng),電子的運(yùn)動(dòng)軌跡是拋物線。

設(shè)計(jì)意圖:讓學(xué)生在疑惑、好奇之中,喚醒大腦中關(guān)于帶電粒子在電場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)的知識(shí),建立加速電場(chǎng)和偏轉(zhuǎn)電場(chǎng)兩種典型模型,高效引入教學(xué)內(nèi)容。

2.2 進(jìn)階問(wèn)題鏈引推理,突破加速電場(chǎng)難點(diǎn)

引導(dǎo)學(xué)生從感性認(rèn)知上升到理性認(rèn)知,使學(xué)生獲得抽象概括的知識(shí)，習(xí)得思維方法,這一過(guò)程就是學(xué)習(xí)進(jìn)階的起點(diǎn)和學(xué)習(xí)進(jìn)階終點(diǎn)之間的去情境化過(guò)程。通過(guò)設(shè)計(jì)學(xué)習(xí)進(jìn)階問(wèn)題鏈,讓學(xué)生突破加速電場(chǎng)難點(diǎn)。

問(wèn)題1：電子在加速電場(chǎng)中運(yùn)動(dòng),運(yùn)動(dòng)軌跡是直線，電場(chǎng)方向如何？速度方向和電場(chǎng)方向的關(guān)系如何？電子到達(dá)B點(diǎn)的速度是多大？

學(xué)生根據(jù)所學(xué)知識(shí)，建構(gòu)如圖3所示的模型，求解電子的速度大小。

圖3

圖4

設(shè)計(jì)意圖:引導(dǎo)學(xué)生意識(shí)到在解決帶電粒子運(yùn)動(dòng)問(wèn)題時(shí)常用到的兩種視角，即動(dòng)力學(xué)和能量轉(zhuǎn)化視角,學(xué)生自主解決加速電場(chǎng)的基本問(wèn)題,并在解決周期性加速電場(chǎng)問(wèn)題的過(guò)程中進(jìn)一步提升其思維能力。

2.3 演繹深化思維過(guò)程,突破偏轉(zhuǎn)電場(chǎng)難點(diǎn)

在學(xué)習(xí)進(jìn)階的情境教學(xué)中，呈現(xiàn)核心概念或者核心知識(shí)時(shí)必須連貫一致、由淺入深、循序漸進(jìn),以提高學(xué)生的科學(xué)思維能力,形成物理觀念。在學(xué)生掌握了加速電場(chǎng)的相關(guān)知識(shí)后,通過(guò)進(jìn)階問(wèn)題鏈,引導(dǎo)學(xué)生突破偏轉(zhuǎn)電場(chǎng)難點(diǎn)。

問(wèn)題3：如圖5所示,若在空間中加上豎直向上的勻強(qiáng)電場(chǎng),求電子在偏轉(zhuǎn)電場(chǎng)中到達(dá)B時(shí)的速度大小和方向(不計(jì)電子所受重力)。

圖5

圖6

設(shè)計(jì)意圖:由帶電粒子在加速電場(chǎng)的運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換到帶電粒子在偏轉(zhuǎn)電場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng),學(xué)生通過(guò)小組合作，自主完成帶電粒子在周期性偏轉(zhuǎn)電場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)的分析,提升了他們思維的深度與廣度。

2.4 通過(guò)歸納提升認(rèn)知水平,突破掃描電場(chǎng)與偏轉(zhuǎn)電場(chǎng)難點(diǎn)

學(xué)生在完成單個(gè)電子在加速電場(chǎng)和偏轉(zhuǎn)電場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)問(wèn)題的學(xué)習(xí)后,其思維能力和探究能力都得到了發(fā)展,對(duì)于多個(gè)電子在周期性變化電場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)問(wèn)題的分析與研究,則有助于學(xué)生掌握思維策略,進(jìn)一步升華物理觀念,提升學(xué)生的思維品質(zhì)與探究能力。

圖7

圖8

(1) 求電子達(dá)到熒光屏上距離O點(diǎn)的長(zhǎng)度x與偏轉(zhuǎn)電壓Ux的關(guān)系？

(2) 求電子達(dá)到熒光屏上距離O點(diǎn)的長(zhǎng)度x與時(shí)間t的關(guān)系？

(3) 電子打在熒光屏上形成的圖形是什么樣的？

設(shè)計(jì)意圖:將偏轉(zhuǎn)電場(chǎng)設(shè)置成鋸齒狀周期性變化的電場(chǎng),看似帶電粒子所受的電場(chǎng)力大小在時(shí)刻變化,實(shí)則題中有以下條件：“每個(gè)電子穿過(guò)平行板電容器的時(shí)間都極短,可以認(rèn)為電壓是不變的”，讓本題回歸偏轉(zhuǎn)電場(chǎng)的范疇。在課堂教學(xué)中發(fā)現(xiàn)學(xué)生對(duì)于這個(gè)問(wèn)題的理解存在困難,在引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行科學(xué)探究和問(wèn)題解決時(shí)，重點(diǎn)體現(xiàn)在:(1) 理解單個(gè)電子打在熒光屏上的過(guò)程,關(guān)注電子在離開電場(chǎng)后的運(yùn)動(dòng)情況的分析與計(jì)算；(2) 求解電子達(dá)到熒光屏上距離O點(diǎn)的長(zhǎng)度x與時(shí)間t的關(guān)系時(shí),注重應(yīng)用數(shù)形結(jié)合的方法；(3) 對(duì)于電子打在熒光屏上的圖形分析時(shí),提醒學(xué)生理解研究對(duì)象是某一個(gè)電子點(diǎn)跡,還是大量電子的點(diǎn)跡。學(xué)生在一步一步解決問(wèn)題的過(guò)程中,顯化了思維的進(jìn)階過(guò)程,進(jìn)一步提升了他們的問(wèn)題解決能力。

問(wèn)題6：在問(wèn)題5中,上、下極板間的偏轉(zhuǎn)電壓如圖9所示,求：(1) 電子達(dá)到熒光屏上距離O點(diǎn)的長(zhǎng)度y與偏轉(zhuǎn)電壓Uy的關(guān)系；(2) 電子達(dá)到熒光屏上距離O點(diǎn)的長(zhǎng)度y與t的關(guān)系。

圖9

設(shè)計(jì)意圖:在問(wèn)題5的基礎(chǔ)上進(jìn)一步拓展,檢驗(yàn)學(xué)生思維能力的進(jìn)步和科學(xué)論證能力的提升情況,考查了學(xué)生的學(xué)習(xí)遷移能力,實(shí)現(xiàn)了學(xué)生的思維進(jìn)階。

2.5 問(wèn)題再情境化,發(fā)展高階思維

再情境化通過(guò)創(chuàng)設(shè)新的問(wèn)題情境,幫助學(xué)生將所學(xué)的知識(shí)遷移到新的情境中去,解決新的問(wèn)題,加深學(xué)生對(duì)知識(shí)的理解和應(yīng)用能力,培養(yǎng)學(xué)生解決問(wèn)題的能力,發(fā)展學(xué)生的高階思維,這就是學(xué)習(xí)進(jìn)階的終點(diǎn)。

問(wèn)題再情境化:示波器是一種常見的電學(xué)儀器,可以在熒光屏上顯示出被檢測(cè)的電壓信號(hào)隨時(shí)間的變化情況。圖10為示波器的原理結(jié)構(gòu)圖，當(dāng)不加電壓時(shí),電子恰好打在熒光屏的正中心,在那里產(chǎn)生一個(gè)亮斑；在極板YY′間加正弦電壓Uy、在極板XX′間加掃描電壓Ux,兩電壓隨時(shí)間的變化如圖11所示,請(qǐng)?jiān)趫D12上畫出熒光屏上呈現(xiàn)的波形。

圖10

圖11

圖12

設(shè)計(jì)意圖:以示波器創(chuàng)設(shè)真實(shí)情境,考查學(xué)生的知識(shí)和技能遷移能力,讓學(xué)生在此過(guò)程中提升解決新問(wèn)題的能力和科學(xué)思維能力。

2.6 利用實(shí)驗(yàn)達(dá)成能力提升,以證據(jù)課堂打造知行合一

物理學(xué)需要實(shí)驗(yàn)提供實(shí)證依據(jù),學(xué)生完成了新情境“示波器”的原理探究的同時(shí),利用實(shí)驗(yàn)將思維過(guò)程顯性化,將思維結(jié)果具體化,能夠進(jìn)一步達(dá)成學(xué)生思維的進(jìn)階,促進(jìn)核心素養(yǎng)的提升。

在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中讓學(xué)生感受掃描電場(chǎng)和偏轉(zhuǎn)電場(chǎng)的區(qū)別,更好地理解電場(chǎng)和光屏成像之間的聯(lián)系,幫助學(xué)生構(gòu)建帶電粒子在電場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)的知識(shí)結(jié)構(gòu),深刻認(rèn)識(shí)物理概念和規(guī)律的本質(zhì),在實(shí)驗(yàn)中體驗(yàn)推理論證的成就感。同時(shí),在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中也會(huì)發(fā)現(xiàn)新問(wèn)題,比如在X、Y方向所加電壓信號(hào)間的周期關(guān)系等,進(jìn)一步激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。

3 結(jié)語(yǔ)

基于學(xué)習(xí)進(jìn)階理論的情境教學(xué),強(qiáng)調(diào)以學(xué)生為中心,通過(guò)“情境化”“去情境化”“再情境化”三個(gè)環(huán)節(jié),創(chuàng)設(shè)情境激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)內(nèi)驅(qū)力,激活、重構(gòu)、優(yōu)化了課堂組織形式,引導(dǎo)學(xué)生自主建構(gòu)認(rèn)知結(jié)構(gòu),實(shí)現(xiàn)了知識(shí)、方法、能力、思維的全方位進(jìn)階,有效提升了學(xué)生的核心素養(yǎng)。