基于学生思维发展的物理练习课教学探讨①——以“带电粒子在电场中的运动”为例

(江苏省武进高级中学，江苏 常州 213161)

物理练习课是高中物理教学的重要课型之一，练习作为巩固和活化知识、发展科学思维能力、进行教学评价的重要教学形式，是物理教学不可或缺的环节。

1 物理练习课的特点

第一，物理练习教学的形式丰富多样，常见的有以巩固新课为目的的问题解决型练习教学，即当堂留有一定时间辨析概念、运用概念和规律解决一些实际问题，可以是口头解答、书面解答、设计操作、评价交流等形式，以加深学生对新知识的理解和巩固，检验学生对新知识的掌握程度。

第二，在重要物理规律学习完成后，设置一整节或更多课时，以指导学生进行物理练习为主的习题课。它不是简单地再现、巩固所学物理知识，而是要揭示学生先前未注意到的概念、规律之间的新联系，发展学生自主建构知识体系、运用所学思想方法、联系实际解决问题等多方面综合能力。

第三，寓规律于练习的新课教学，即物理规律的习得不是让学生去死记硬背结论，而是在学生对有关问题进行分析、探究，并对它的本质有相当认识的基础上进行。练习新课教学立足于学生的主体行为，以学生的思考和操作为根本，依靠学生的亲身体验获得对知识的新理解、对方法和技能的新感悟，不是教师直接告知，当然也不是学生疲于机械的解题操作而荒于反思。有效地促使学生进行有价值的思考，才是练习教学的关键所在。

2 基于学生思维发展解读教材

“科学思维”作为物理核心素养的4要素之一，在《普通高中物理课程标准(2017年版)》中58次出现“思维”这个关键词，可见，在物理教学中遵循学生思维发展规律，培养学生思维能力，提升学生思维品质具有重要意义。

人教版选修3-1第一章第9节“带电粒子在电场中的运动”，由“带电粒子加速”“带电粒子偏转”“示波管的原理”三部分组成，教学内容的梯度十分明显，符合学生科学思维不断发展的认知规律。高中学生思维的培养要由直观形象向逻辑抽象转变，还常常需要与具体的感性经验相联系，笔者通过演示实验情景，提炼物理模型，巧设问题情境等方式，引导学生自主学习、合作与交流，将未知的微观带电粒子受力运动与已知的宏观物体受力运动知识建立关联，逐步完成基于学生思维发展的教学设计。其中，示波管原理部分不仅对力学、电学知识的综合能力要求较高，而且要有一定的空间想象能力，教学中要注意思维方式的循序渐进，帮助学生铺设合理台阶，逐步提高他们的综合分析能力。为此，教师要充分利用好教材“思考与讨论”栏目中为学生设置的4个问题，让学生在科学探究、交流协作中理解示波器原理。结合学生思维发展的特点，学生可能存在以下思维障碍。

(1) 处理带电粒子在电场中运动的问题时，重力是否可以忽略？

(2) 关于带电粒子做匀加速运动，用匀加速运动的公式来处理，还是用动能定理来处理？哪一种处理方式更优越？

(3) 带电粒子垂直电场线方向射入匀强电场，用什么样的方法分析处理此类曲线运动？

(4) 示波管中为什么要有两组偏转电极？怎样定出不同时刻光斑的位置？

笔者根据学生的思维特点，设计了3个创新实验，逐步突破学生存在的思维障碍。

3 物理练习课教学案例分析

本节课通过例题形式研究带电粒子的加速和偏转问题，主要培养学生综合应用力学知识和电学知识的能力。笔者通过演示创新实验、构建物理模型、铺设问题情境、放飞思维想象等方法，逐步提升学生的综合素养。

3.1 演示创新实验，构建物理模型

图1

实验引入：如图1所示，正对放置的平行板电容器两极板相距约10cm，分别与手摇式感应起电机的两个电极连接，用一根绝缘细线将包着铝箔的乒乓球悬挂在两极板间。邀请一位学生配合演示实验，慢慢手摇感应起电机，学生观察到乒乓球在两极板间往复运动；随着手摇速度加快，乒乓球与极板间的撞击声和撞击频率均变大；紧接着教师剪断细线，乒乓球掉落于桌面。

教师设计问题情境，学生探寻原因并作汇报交流。

设计意图：一是明确带电粒子的运动情况仍然要从受力分析出发，为培养学生综合应用力学知识和电学知识的能力作好铺垫；二是由此构建理想化物理模型。剪断细线后，乒乓球在电场力和重力的共同作用下做复杂的曲线运动，但学生处理带电粒子在电场中运动的问题时，常常因“重力是否可以忽略”感到迷茫。

3.2 简化物理模型，突出理论推导的作用

实验演示：阴极射线管接在高压静电发生器上，逐渐增大电压，高速运动的电子流打在荧光屏上，很容易观察到电子沿直线运动的轨迹。先从最简单的运动情况入手，分析在匀强电场中只受电场力作用、忽略重力的电子的加速运动情况。

图2

如图2所示，在真空中有一对平行金属板，两板间电势差为U0，间距为x，质量为m电荷量大小为e的电子(重力不计)，在静电力作用下由静止开始从负极板向正极板运动。求电子到达正极板时的速度。

教师引导学生分组，分别用匀加速运动的公式和动能定理两种方法来处理。请学生分析对比两种方法的优劣：利用动能定理解决问题时，不需要考虑运动中间过程，解题简洁、计算量小，而且能够解决带电粒子在非匀强电场中的运动问题，而利用运动学公式只能分析电子在匀强电场中的运动情况。

直接取教材P34提供的数据进行计算，若m=0.9×10-30kg，e=1.6×10-19C，U0=2500V，求v0的大小。

设计意图：一是培养学生根据真实情境,构建物理模型的意识和能力。二是引导学生比较两种解题方法的优劣，强调动能定理的优越性，但并不忽视运动学知识的作用。动能定理只能求速度的大小，不能求速度的方向，这也为下一环节解决曲线运动的速度方向问题埋下伏笔。三是具体的数据运算源于教材，紧扣教材，能让学生直观感受高速电子流获得的可能性。

3.3 类比原有知识，提升模型建构和科学思维能力

实验演示：若将接在高压静电发生器上的平行板电容器的两个极板，分别水平正对放置在阴极射线管的上下两侧(如图3)，高速电子流的运动轨迹会怎样变化呢？

图3

图4

学生回答：发生偏转。

构建模型：基于以上分析，我们将实验现象简化为物理模型，如图4所示，质量为m、电荷量大小为e的电子以平行于极板的初速度v0，射入长L、板间距离为d的平行板电容器间，两板间电压为U，分析电子的偏转情况。

设计意图：本环节基于学生思维发展的特点，通过类比构建物理模型，设计高度关联但又层层递进的问题，很自然地激发了学生探究的欲望。

3.4 拓展应用，培养科学态度与责任

师生共同探讨：当U=0时，电子打在荧光屏的中心；当U增大，则y变大，是不是U可以无限增大呢？结论：不是，U过大则会打在极板上。当U反向，则y也反向……可以通过y的大小判断U的大小，我们把这个电压叫信号电压。

师：如果信号电压的大小周期性变化，在荧光屏上呈现什么现象？

生：出现一条竖直的亮线。

教师演示，用记号笔在白纸上周期性上下往复移动，留下的轨迹表示光斑的径迹，得到一条不断重合的直线，如图5中的直线。

图5

师：我们无法判断各个时刻亮斑的位置，即无法表现信号电压在每个时刻的大小，有什么办法？你是否也能模拟光斑的径迹？

学生分组讨论、交流：记号笔上下往复移动表示偏转位移y随信号电压U的变化而变化，如果同时水平匀速抽动白纸，则光斑的径迹便不再重叠在一起。师生共同协作，完成模拟实验，得到如图5中的曲线。

至此，师生共同进行理论探究，交流并完成模拟实验，定性了解了示波器的原理。本环节是整节课所学知识的整合与应用，不仅培养了学生科学探究的能力，还使学生逐渐形成对科学和技术应有的科学态度与责任。

4 物理练习课的实践与思考

传统的高中物理练习教学往往存在脱离实际、过于模型化等倾向，缺少物理情境的真实性以及物理学与社会、文化、技术、相关学科之间的联系。物理练习课是高中物理教学重要的课型之一，它不仅能促进学生对知识的理解和应用，还能促进学生掌握方法、发展能力，也能为教师了解学生的学习效果及思维方式，为改进教学提供重要信息。

4.1 物理练习教学的作用

物理练习教学的首要作用是帮助学生巩固和活化基础知识，加深和拓展学科知识。首先，在概念、规律的教学中，学生要能理解概念建立、规律探究的事实依据和理论基础，因教学内容受到系统性、篇幅、课时以及学生的知识迁移能力不同的限制，如果不让学生将新的知识反复应用于不同情境，他们就不能牢固掌握和灵活应用基础知识。其次，物理练习教学能促进学生技能提高和能力发展。物理练习教学的核心是解决问题，同时，它又是实践性很强的学习活动。面对新的问题情境时，学生必须进行分析与综合、判断与推理、设计与操作，从而促进心智技能、动作技能等的发展。最后，物理练习教学是进行教学评价的重要手段。对于学生的学习情况和心理状况等，教师可以通过课堂观察、提问、完成物理练习的过程和结果进行深入考查。

4.2 重视物理情境的创设

知识的学习是依赖于情境的，物理练习教学就是将概念、规律的学习与丰富的情境联系起来的过程。首先，学生在练习过程中，不断面对新问题，并应用已有的知识和思维方法处理新问题，从而发现并纠正自己在知识理解上的谬误和不足。其次，许多练习题源于现实的生产、生活实际和现代科学技术，学生在强化知识、方法学习的同时，还能理解物理科学与社会、技术的联系。在“带电粒子在电场中的运动”教学中，通过相互关联并逐步深入的3个实验创设物理情境，把知识的学习融于根据物理情境构建物理模型的研究过程之中。最后通过创设模拟情境，师生协作描绘光斑径迹，以了解示波管的工作原理，达成教学目标。

4.3 以培养核心素养为目标

物理核心素养是学生在接受物理教育过程中逐步形成的适应个人终身发展和社会需要的必备品格和关键能力，是学生通过物理学习内化的带有物理学科特性的品质，高中物理教学以培养学生核心素养为目标。在课堂教学引入环节，基于实验概括“是否要考虑重力”的条件，教师的讲授与实验紧密结合，学生从中真正理解“理想化模型”的意义，形成物理观念。在教学中，看似解了两道例题，实际上教师引导学生围绕真实而复杂的物理情景，经历物理问题的提出、物理模型的建构、问题解决、实践操作等过程，发展学生科学思维，培养其科学态度与责任。