學習進階理論下的情境教學課堂建構
——以“帶電粒子在電場中的運動”教學為例

黃 佳

(江蘇省蘇州第一中學校,江蘇 蘇州 215006)

學習進階是指學生在學習和探究某一主題時,依次進階、逐層漸進地進行思維和科學探究的過程。教師幫助學生設置認知過程中的許多中間水平的“階梯”,用這些“階梯”構成學習進階鏈,將學生的學習進階起點和學習進階終點連接起來,使課堂學習變成學生不斷探索、不斷發(fā)展的進階過程。[1]

情境教學是指在教學中有目的地創(chuàng)設或引入具有一定感情色彩的、以形象體驗為主的生動、具體場景,幫助學生理解知識,鍛煉學生思維能力,提升學生解決問題能力的教學方法。情境教學包括“情境化”“去情境化”與“再情境化”三個環(huán)節(jié),情境化感性地激活學生自主學習的內(nèi)驅(qū)力,去情境化提升學生思維能力和探究能力,再情境化檢驗學生的學習遷移能力。[2]

筆者以學習進階理論為指導，建構學習進階理論下的情境教學模式，并以“帶電粒子在電場中的運動”教學為例，探討該模式的具體操作策略。

1 基于學習進階理論的情境教學模式

學習進階要從學情出發(fā),利用學習“階梯”幫助學生完成知識構建、思維進階；情境教學是通過“情境”幫助學生登上“階梯”,在“情境化”環(huán)節(jié)中,根據(jù)學生的知識結(jié)構和思維能力確定進階的起點,創(chuàng)設問題情境,激發(fā)學生的學習興趣。在“去情境化”環(huán)節(jié)中,構建呈現(xiàn)核心知識或核心概念的循序漸進的進階問題鏈,鍛煉學生的科學思維和探究能力,實現(xiàn)從感性認識到理性認識的飛躍。在“再情境化”環(huán)節(jié)中,根據(jù)學生核心素養(yǎng)發(fā)展目標要求作為學習進階的終點,提升學生的學習遷移能力，據(jù)此筆者構建了如圖1所示的學習進階理論下的情境教學模式。

圖1

2 情境教學模式的操作策略

2.1 創(chuàng)設問題情境,激活學習內(nèi)驅(qū)力

教學的起點應基于學生的知識儲備,情境教學應貼近學生的認知特點和思維能力,以利于促進學生的感性體驗和認識,激發(fā)學生學習興趣和探究的內(nèi)驅(qū)力。

問題情境:CT掃描是計算機X射線斷層掃描技術的簡稱,CT掃描機可用于對多種疾病的探測。圖2是某種CT機主要部分的剖面圖，電子從電子槍A出發(fā),經(jīng)過儀器內(nèi)部(圖中虛線部分)的電場后,最終打到在靶B上,產(chǎn)生豎直向上的X射線穿過人體到達探測器。

圖2

提問:儀器內(nèi)部的電場可能是怎樣的？電子的運動軌跡可能是怎樣的？

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

設計意圖:讓學生在疑惑、好奇之中,喚醒大腦中關于帶電粒子在電場中運動的知識,建立加速電場和偏轉(zhuǎn)電場兩種典型模型,高效引入教學內(nèi)容。

2.2 進階問題鏈引推理,突破加速電場難點

引導學生從感性認知上升到理性認知,使學生獲得抽象概括的知識，習得思維方法,這一過程就是學習進階的起點和學習進階終點之間的去情境化過程。通過設計學習進階問題鏈,讓學生突破加速電場難點。

問題1：電子在加速電場中運動,運動軌跡是直線，電場方向如何？速度方向和電場方向的關系如何？電子到達B點的速度是多大？

學生根據(jù)所學知識，建構如圖3所示的模型，求解電子的速度大小。

圖3

圖4

設計意圖:引導學生意識到在解決帶電粒子運動問題時常用到的兩種視角，即動力學和能量轉(zhuǎn)化視角,學生自主解決加速電場的基本問題,并在解決周期性加速電場問題的過程中進一步提升其思維能力。

2.3 演繹深化思維過程,突破偏轉(zhuǎn)電場難點

在學習進階的情境教學中，呈現(xiàn)核心概念或者核心知識時必須連貫一致、由淺入深、循序漸進,以提高學生的科學思維能力,形成物理觀念。在學生掌握了加速電場的相關知識后,通過進階問題鏈,引導學生突破偏轉(zhuǎn)電場難點。

問題3：如圖5所示,若在空間中加上豎直向上的勻強電場,求電子在偏轉(zhuǎn)電場中到達B時的速度大小和方向(不計電子所受重力)。

圖5

圖6

設計意圖:由帶電粒子在加速電場的運動轉(zhuǎn)換到帶電粒子在偏轉(zhuǎn)電場中的運動,學生通過小組合作，自主完成帶電粒子在周期性偏轉(zhuǎn)電場中運動的分析,提升了他們思維的深度與廣度。

2.4 通過歸納提升認知水平,突破掃描電場與偏轉(zhuǎn)電場難點

學生在完成單個電子在加速電場和偏轉(zhuǎn)電場中運動問題的學習后,其思維能力和探究能力都得到了發(fā)展,對于多個電子在周期性變化電場中運動問題的分析與研究,則有助于學生掌握思維策略,進一步升華物理觀念,提升學生的思維品質(zhì)與探究能力。

圖7

圖8

(1) 求電子達到熒光屏上距離O點的長度x與偏轉(zhuǎn)電壓Ux的關系？

(2) 求電子達到熒光屏上距離O點的長度x與時間t的關系？

(3) 電子打在熒光屏上形成的圖形是什么樣的？

設計意圖:將偏轉(zhuǎn)電場設置成鋸齒狀周期性變化的電場,看似帶電粒子所受的電場力大小在時刻變化,實則題中有以下條件：“每個電子穿過平行板電容器的時間都極短,可以認為電壓是不變的”，讓本題回歸偏轉(zhuǎn)電場的范疇。在課堂教學中發(fā)現(xiàn)學生對于這個問題的理解存在困難,在引導學生進行科學探究和問題解決時，重點體現(xiàn)在:(1) 理解單個電子打在熒光屏上的過程,關注電子在離開電場后的運動情況的分析與計算；(2) 求解電子達到熒光屏上距離O點的長度x與時間t的關系時,注重應用數(shù)形結(jié)合的方法；(3) 對于電子打在熒光屏上的圖形分析時,提醒學生理解研究對象是某一個電子點跡,還是大量電子的點跡。學生在一步一步解決問題的過程中,顯化了思維的進階過程,進一步提升了他們的問題解決能力。

問題6：在問題5中,上、下極板間的偏轉(zhuǎn)電壓如圖9所示,求：(1) 電子達到熒光屏上距離O點的長度y與偏轉(zhuǎn)電壓Uy的關系；(2) 電子達到熒光屏上距離O點的長度y與t的關系。

圖9

設計意圖:在問題5的基礎上進一步拓展,檢驗學生思維能力的進步和科學論證能力的提升情況,考查了學生的學習遷移能力,實現(xiàn)了學生的思維進階。

2.5 問題再情境化,發(fā)展高階思維

再情境化通過創(chuàng)設新的問題情境,幫助學生將所學的知識遷移到新的情境中去,解決新的問題,加深學生對知識的理解和應用能力,培養(yǎng)學生解決問題的能力,發(fā)展學生的高階思維,這就是學習進階的終點。

問題再情境化:示波器是一種常見的電學儀器,可以在熒光屏上顯示出被檢測的電壓信號隨時間的變化情況。圖10為示波器的原理結(jié)構圖，當不加電壓時,電子恰好打在熒光屏的正中心,在那里產(chǎn)生一個亮斑；在極板YY′間加正弦電壓Uy、在極板XX′間加掃描電壓Ux,兩電壓隨時間的變化如圖11所示,請在圖12上畫出熒光屏上呈現(xiàn)的波形。

圖10

圖11

圖12

設計意圖:以示波器創(chuàng)設真實情境,考查學生的知識和技能遷移能力,讓學生在此過程中提升解決新問題的能力和科學思維能力。

2.6 利用實驗達成能力提升,以證據(jù)課堂打造知行合一

物理學需要實驗提供實證依據(jù),學生完成了新情境“示波器”的原理探究的同時,利用實驗將思維過程顯性化,將思維結(jié)果具體化,能夠進一步達成學生思維的進階,促進核心素養(yǎng)的提升。

在實驗過程中讓學生感受掃描電場和偏轉(zhuǎn)電場的區(qū)別,更好地理解電場和光屏成像之間的聯(lián)系,幫助學生構建帶電粒子在電場中運動的知識結(jié)構,深刻認識物理概念和規(guī)律的本質(zhì),在實驗中體驗推理論證的成就感。同時,在實驗過程中也會發(fā)現(xiàn)新問題,比如在X、Y方向所加電壓信號間的周期關系等,進一步激發(fā)學生的學習興趣。

3 結(jié)語

基于學習進階理論的情境教學,強調(diào)以學生為中心,通過“情境化”“去情境化”“再情境化”三個環(huán)節(jié),創(chuàng)設情境激發(fā)學生學習內(nèi)驅(qū)力,激活、重構、優(yōu)化了課堂組織形式,引導學生自主建構認知結(jié)構,實現(xiàn)了知識、方法、能力、思維的全方位進階,有效提升了學生的核心素養(yǎng)。