基于學習進階的高中物理教學設計
——以“帶電粒子在電場中的運動”的教學為例

(江蘇省常州市正衡中學,江蘇 常州 213003)

學習進階(learning progression)在2004年被正式提出,最初被用于測評設計，[1]學習進階對學生認知和指導教學的重要意義很快被發現并得到了重視。學習進階描述的是學生在一定的教學條件下,對科學概念的理解以及實踐和應用能力方面隨時間的不斷推移而逐漸生長、深化和精致化的過程。[2]學習進階一方面能夠實現教學內容的連貫一致、緊密銜接,另一方面能循序漸進,前習使得后習變得容易,后習成為前習的延伸,學習者就可以通過往復遞進式的學習而日漸進階,最終達到高水平。

“階”就好比學生認知路徑上的一個一個“腳印”,將學習路徑上的各點連接起來而呈現出一條路徑,進而引導學生從起點順利到達終點。物理學困生能夠記住物理公式、定理、規律等陳述性的知識，但是由于他們的知識是零散的、片段的、缺乏聯系,沒有形成良好的認知結構,他們在解決具體物理問題時不知道用合適的原理來解決。為了幫助學生發展良好的認知結構,更新原有的圖式,這就需要教師圍繞核心概念、立足課程標準、緊扣教材和學情,構建基于學生認知發展的學習進階。

在學習“帶電粒子在電場中的運動”之前，學生已學習了牛頓運動定律、平拋運動、動能定理等,通過對本節的學習,可以促進學生對知識的建構、整合、形成統一的體系,同時在建構過程中可以提升他們的綜合素質。作為本章的總結,其在歷年高考中都占有很重要的地位,但學生在實際學習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等問題。

1 教材分析

“帶電粒子在電場中的運動”是高中物理選修3-1第一章“靜電場”中的內容,其基本要求為：處理帶電粒子在電場中運動的問題,培養學生綜合應用力學知識和電學知識的能力。教材內容由“帶電粒子的加速”“帶電粒子的偏轉”“示波管原理”三部分組成,教學內容的梯度十分明顯,安排符合學生的認知規律。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動,研究了帶電粒子在勻強電場中的偏轉問題。

2 學情分析

學生已經掌握了運動學和功能關系的知識以及簡單的靜電學知識,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,對于學生來說還是有一定的困難。教師應該幫助學生鋪設合理的臺階,逐步提高他們的綜合分析能力。

3 進階目標

會分析帶電粒子在電場中運動的受力情況和運動情況，會用類平拋運動處理帶電粒子的偏轉問題。通過對帶電粒子在電場中加速、偏轉過程的受力和運動進行分析,強化學生的分析意識、過程意識,并應用例題進行整合,引導學生自己歸納總結出解決此類問題的一般方法,由此逐步提升學生的核心素養。最后以示波管進行鞏固練習,讓學生用所學知識去解決實際問題,培養學生學以致用、融會貫通的能力。

4 進階層次劃分與教學設計

4.1 進階第一層次：電子電荷量的測定

前面對于電子電荷量的大小已經有過介紹,新課引入環節首先介紹密立根實驗(如圖1),并引導學生對油滴進行受力分析,并回顧牛頓運動定律及靜電場的相關概念，思考電子電荷量的測量方法,這樣能夠激發起學生的好奇心和探究欲。

圖1

學生進行小組討論，回答問題：在密立根實驗中,需要測量哪些物理量？請導出用這些物理量計算油滴電荷量的表達式，教師對于帶電粒子在具體問題中是否考慮重力要進行補充說明。

4.2 進階第二層次：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，若一個質量為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極板運動,計算它到達負極板時的速度。

圖2

解析：在這里教師強調不計帶電粒子的重力,并引導學生分析：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動。在具體解答中，可以采用多種方法解答，拓展學生思路,下面以兩種方法為例。

方法一：利用牛頓定律和運動學公式

方法二：利用動能定理

問題討論：

(1) 若帶點粒子的初速度為v0,則粒子到達負極板時的速度又會怎樣？

(2) 如果兩極板電性換一下，能否達到加速粒子的目的?

(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？

教師在學生討論的基礎上對問題(3)進行總結：方法一必須在勻強電場中使用(F=qE,F為恒力,E恒定),而在非勻強電場中,公式W=qU(只跟初、末位置的電勢差有關)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,帶電粒子的運動情況又如何呢？下面我們通過一種特殊情況來研究。

4.3 進階第三層次：帶電粒子在電場中的偏轉

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) 帶電粒子做什么運動?(3) 你認為這種情況同哪種運動類似,這種運動的研究方法是什么?(4) 你能類比得到帶電粒子在電場中運動的研究方法嗎?

學生討論、交流，教師總結。

師：帶電粒子在電場中運動與平拋運動的研究方法相似，我們可應用類比方法進行處理，先對帶電粒子在電場中偏轉且能飛出電場的運動情況進行討論(如圖4、表1)。

圖4

表1 帶電粒子在電場中偏轉與平拋運動的類比

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,帶電粒子的運動還一樣嗎？(2) 此時在電場中的運動時間還由極板長度L決定嗎？如果不是,在電場中的運動時間由什么來決定？(3) 嘗試寫出帶電粒子打到極板上時,各物理量的表達式。

4.4 進階第四層次：應用帶電粒子在電場中運動的知識解決實際問題

圖5

教師引導學生認真研究課本中示波管的原理圖(如圖5),認識示波管由電子槍、偏轉電極和熒光屏三部分組成，讓學生知道帶電粒子在電場中加速以及偏轉的兩種運動情況，示波管有兩組偏轉電極,使電子運動的軌跡變得復雜。在教學過程中教師應該順著教材“思考與討論”中設置的臺階進行進階教學。