基于學生思維發展的物理練習課教學探討①
——以“帶電粒子在電場中的運動”為例

(江蘇省武進高級中學，江蘇 常州 213161)

物理練習課是高中物理教學的重要課型之一，練習作為鞏固和活化知識、發展科學思維能力、進行教學評價的重要教學形式，是物理教學不可或缺的環節。

1 物理練習課的特點

第一，物理練習教學的形式豐富多樣，常見的有以鞏固新課為目的的問題解決型練習教學，即當堂留有一定時間辨析概念、運用概念和規律解決一些實際問題，可以是口頭解答、書面解答、設計操作、評價交流等形式，以加深學生對新知識的理解和鞏固，檢驗學生對新知識的掌握程度。

第二，在重要物理規律學習完成后，設置一整節或更多課時，以指導學生進行物理練習為主的習題課。它不是簡單地再現、鞏固所學物理知識，而是要揭示學生先前未注意到的概念、規律之間的新聯系，發展學生自主建構知識體系、運用所學思想方法、聯系實際解決問題等多方面綜合能力。

第三，寓規律于練習的新課教學，即物理規律的習得不是讓學生去死記硬背結論，而是在學生對有關問題進行分析、探究，并對它的本質有相當認識的基礎上進行。練習新課教學立足于學生的主體行為，以學生的思考和操作為根本，依靠學生的親身體驗獲得對知識的新理解、對方法和技能的新感悟，不是教師直接告知，當然也不是學生疲于機械的解題操作而荒于反思。有效地促使學生進行有價值的思考，才是練習教學的關鍵所在。

2 基于學生思維發展解讀教材

“科學思維”作為物理核心素養的4要素之一，在《普通高中物理課程標準(2017年版)》中58次出現“思維”這個關鍵詞，可見，在物理教學中遵循學生思維發展規律，培養學生思維能力，提升學生思維品質具有重要意義。

人教版選修3-1第一章第9節“帶電粒子在電場中的運動”，由“帶電粒子加速”“帶電粒子偏轉”“示波管的原理”三部分組成，教學內容的梯度十分明顯，符合學生科學思維不斷發展的認知規律。高中學生思維的培養要由直觀形象向邏輯抽象轉變，還常常需要與具體的感性經驗相聯系，筆者通過演示實驗情景，提煉物理模型，巧設問題情境等方式，引導學生自主學習、合作與交流，將未知的微觀帶電粒子受力運動與已知的宏觀物體受力運動知識建立關聯，逐步完成基于學生思維發展的教學設計。其中，示波管原理部分不僅對力學、電學知識的綜合能力要求較高，而且要有一定的空間想象能力，教學中要注意思維方式的循序漸進，幫助學生鋪設合理臺階，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”欄目中為學生設置的4個問題，讓學生在科學探究、交流協作中理解示波器原理。結合學生思維發展的特點，學生可能存在以下思維障礙。

(1) 處理帶電粒子在電場中運動的問題時，重力是否可以忽略？

(2) 關于帶電粒子做勻加速運動，用勻加速運動的公式來處理，還是用動能定理來處理？哪一種處理方式更優越？

(3) 帶電粒子垂直電場線方向射入勻強電場，用什么樣的方法分析處理此類曲線運動？

(4) 示波管中為什么要有兩組偏轉電極？怎樣定出不同時刻光斑的位置？

筆者根據學生的思維特點，設計了3個創新實驗，逐步突破學生存在的思維障礙。

3 物理練習課教學案例分析

本節課通過例題形式研究帶電粒子的加速和偏轉問題，主要培養學生綜合應用力學知識和電學知識的能力。筆者通過演示創新實驗、構建物理模型、鋪設問題情境、放飛思維想象等方法，逐步提升學生的綜合素養。

3.1 演示創新實驗，構建物理模型

圖1

實驗引入：如圖1所示，正對放置的平行板電容器兩極板相距約10cm，分別與手搖式感應起電機的兩個電極連接，用一根絕緣細線將包著鋁箔的乒乓球懸掛在兩極板間。邀請一位學生配合演示實驗，慢慢手搖感應起電機，學生觀察到乒乓球在兩極板間往復運動；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；緊接著教師剪斷細線，乒乓球掉落于桌面。

教師設計問題情境，學生探尋原因并作匯報交流。

設計意圖：一是明確帶電粒子的運動情況仍然要從受力分析出發，為培養學生綜合應用力學知識和電學知識的能力作好鋪墊；二是由此構建理想化物理模型。剪斷細線后，乒乓球在電場力和重力的共同作用下做復雜的曲線運動，但學生處理帶電粒子在電場中運動的問題時，常常因“重力是否可以忽略”感到迷茫。

3.2 簡化物理模型，突出理論推導的作用

實驗演示：陰極射線管接在高壓靜電發生器上，逐漸增大電壓，高速運動的電子流打在熒光屏上，很容易觀察到電子沿直線運動的軌跡。先從最簡單的運動情況入手，分析在勻強電場中只受電場力作用、忽略重力的電子的加速運動情況。

圖2

如圖2所示，在真空中有一對平行金屬板，兩板間電勢差為U0，間距為x，質量為m電荷量大小為e的電子(重力不計)，在靜電力作用下由靜止開始從負極板向正極板運動。求電子到達正極板時的速度。

教師引導學生分組，分別用勻加速運動的公式和動能定理兩種方法來處理。請學生分析對比兩種方法的優劣：利用動能定理解決問題時，不需要考慮運動中間過程，解題簡潔、計算量小，而且能夠解決帶電粒子在非勻強電場中的運動問題，而利用運動學公式只能分析電子在勻強電場中的運動情況。

直接取教材P34提供的數據進行計算，若m=0.9×10-30kg，e=1.6×10-19C，U0=2500V，求v0的大小。

設計意圖：一是培養學生根據真實情境,構建物理模型的意識和能力。二是引導學生比較兩種解題方法的優劣，強調動能定理的優越性，但并不忽視運動學知識的作用。動能定理只能求速度的大小，不能求速度的方向，這也為下一環節解決曲線運動的速度方向問題埋下伏筆。三是具體的數據運算源于教材，緊扣教材，能讓學生直觀感受高速電子流獲得的可能性。

3.3 類比原有知識，提升模型建構和科學思維能力

實驗演示：若將接在高壓靜電發生器上的平行板電容器的兩個極板，分別水平正對放置在陰極射線管的上下兩側(如圖3)，高速電子流的運動軌跡會怎樣變化呢？

圖3

圖4

學生回答：發生偏轉。

構建模型：基于以上分析，我們將實驗現象簡化為物理模型，如圖4所示，質量為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，分析電子的偏轉情況。

設計意圖：本環節基于學生思維發展的特點，通過類比構建物理模型，設計高度關聯但又層層遞進的問題，很自然地激發了學生探究的欲望。

3.4 拓展應用，培養科學態度與責任

師生共同探討：當U=0時，電子打在熒光屏的中心；當U增大，則y變大，是不是U可以無限增大呢？結論：不是，U過大則會打在極板上。當U反向，則y也反向……可以通過y的大小判斷U的大小，我們把這個電壓叫信號電壓。

師：如果信號電壓的大小周期性變化，在熒光屏上呈現什么現象？

生：出現一條豎直的亮線。

教師演示，用記號筆在白紙上周期性上下往復移動，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：我們無法判斷各個時刻亮斑的位置，即無法表現信號電壓在每個時刻的大小，有什么辦法？你是否也能模擬光斑的徑跡？

學生分組討論、交流：記號筆上下往復移動表示偏轉位移y隨信號電壓U的變化而變化，如果同時水平勻速抽動白紙，則光斑的徑跡便不再重疊在一起。師生共同協作，完成模擬實驗，得到如圖5中的曲線。

至此，師生共同進行理論探究，交流并完成模擬實驗，定性了解了示波器的原理。本環節是整節課所學知識的整合與應用，不僅培養了學生科學探究的能力，還使學生逐漸形成對科學和技術應有的科學態度與責任。

4 物理練習課的實踐與思考

傳統的高中物理練習教學往往存在脫離實際、過于模型化等傾向，缺少物理情境的真實性以及物理學與社會、文化、技術、相關學科之間的聯系。物理練習課是高中物理教學重要的課型之一，它不僅能促進學生對知識的理解和應用，還能促進學生掌握方法、發展能力，也能為教師了解學生的學習效果及思維方式，為改進教學提供重要信息。

4.1 物理練習教學的作用

物理練習教學的首要作用是幫助學生鞏固和活化基礎知識，加深和拓展學科知識。首先，在概念、規律的教學中，學生要能理解概念建立、規律探究的事實依據和理論基礎，因教學內容受到系統性、篇幅、課時以及學生的知識遷移能力不同的限制，如果不讓學生將新的知識反復應用于不同情境，他們就不能牢固掌握和靈活應用基礎知識。其次，物理練習教學能促進學生技能提高和能力發展。物理練習教學的核心是解決問題，同時，它又是實踐性很強的學習活動。面對新的問題情境時，學生必須進行分析與綜合、判斷與推理、設計與操作，從而促進心智技能、動作技能等的發展。最后，物理練習教學是進行教學評價的重要手段。對于學生的學習情況和心理狀況等，教師可以通過課堂觀察、提問、完成物理練習的過程和結果進行深入考查。

4.2 重視物理情境的創設

知識的學習是依賴于情境的，物理練習教學就是將概念、規律的學習與豐富的情境聯系起來的過程。首先，學生在練習過程中，不斷面對新問題，并應用已有的知識和思維方法處理新問題，從而發現并糾正自己在知識理解上的謬誤和不足。其次，許多練習題源于現實的生產、生活實際和現代科學技術，學生在強化知識、方法學習的同時，還能理解物理科學與社會、技術的聯系。在“帶電粒子在電場中的運動”教學中，通過相互關聯并逐步深入的3個實驗創設物理情境，把知識的學習融于根據物理情境構建物理模型的研究過程之中。最后通過創設模擬情境，師生協作描繪光斑徑跡，以了解示波管的工作原理，達成教學目標。

4.3 以培養核心素養為目標

物理核心素養是學生在接受物理教育過程中逐步形成的適應個人終身發展和社會需要的必備品格和關鍵能力，是學生通過物理學習內化的帶有物理學科特性的品質，高中物理教學以培養學生核心素養為目標。在課堂教學引入環節，基于實驗概括“是否要考慮重力”的條件，教師的講授與實驗緊密結合，學生從中真正理解“理想化模型”的意義，形成物理觀念。在教學中，看似解了兩道例題，實際上教師引導學生圍繞真實而復雜的物理情景，經歷物理問題的提出、物理模型的建構、問題解決、實踐操作等過程，發展學生科學思維，培養其科學態度與責任。