基于学习进阶的高中物理教学设计——以“带电粒子在电场中的运动”的教学为例

(江苏省常州市正衡中学,江苏 常州 213003)

学习进阶(learning progression)在2004年被正式提出,最初被用于测评设计，[1]学习进阶对学生认知和指导教学的重要意义很快被发现并得到了重视。学习进阶描述的是学生在一定的教学条件下,对科学概念的理解以及实践和应用能力方面随时间的不断推移而逐渐生长、深化和精致化的过程。[2]学习进阶一方面能够实现教学内容的连贯一致、紧密衔接,另一方面能循序渐进,前习使得后习变得容易,后习成为前习的延伸,学习者就可以通过往复递进式的学习而日渐进阶,最终达到高水平。

“阶”就好比学生认知路径上的一个一个“脚印”,将学习路径上的各点连接起来而呈现出一条路径,进而引导学生从起点顺利到达终点。物理学困生能够记住物理公式、定理、规律等陈述性的知识，但是由于他们的知识是零散的、片段的、缺乏联系,没有形成良好的认知结构,他们在解决具体物理问题时不知道用合适的原理来解决。为了帮助学生发展良好的认知结构,更新原有的图式,这就需要教师围绕核心概念、立足课程标准、紧扣教材和学情,构建基于学生认知发展的学习进阶。

在学习“带电粒子在电场中的运动”之前，学生已学习了牛顿运动定律、平抛运动、动能定理等,通过对本节的学习,可以促进学生对知识的建构、整合、形成统一的体系,同时在建构过程中可以提升他们的综合素质。作为本章的总结,其在历年高考中都占有很重要的地位,但学生在实际学习的过程中并不能熟练地解决电场中带电粒子的加速和偏转等问题。

1 教材分析

“带电粒子在电场中的运动”是高中物理选修3-1第一章“静电场”中的内容,其基本要求为：处理带电粒子在电场中运动的问题,培养学生综合应用力学知识和电学知识的能力。教材内容由“带电粒子的加速”“带电粒子的偏转”“示波管原理”三部分组成,教学内容的梯度十分明显,安排符合学生的认知规律。教材是通过问题探究和例题的形式来研究带电粒子的加速和偏转问题,教材先从能量角度入手，研究了带电粒子在电场中的加速；然后又从分析粒子受力情况入手,类比重力场中的平抛运动,研究了带电粒子在匀强电场中的偏转问题。

2 学情分析

学生已经掌握了运动学和功能关系的知识以及简单的静电学知识,具有一定的分析推理能力,但是由于该类问题综合程度较高,对于学生来说还是有一定的困难。教师应该帮助学生铺设合理的台阶,逐步提高他们的综合分析能力。

3 进阶目标

会分析带电粒子在电场中运动的受力情况和运动情况，会用类平抛运动处理带电粒子的偏转问题。通过对带电粒子在电场中加速、偏转过程的受力和运动进行分析,强化学生的分析意识、过程意识,并应用例题进行整合,引导学生自己归纳总结出解决此类问题的一般方法,由此逐步提升学生的核心素养。最后以示波管进行巩固练习,让学生用所学知识去解决实际问题,培养学生学以致用、融会贯通的能力。

4 进阶层次划分与教学设计

4.1 进阶第一层次：电子电荷量的测定

前面对于电子电荷量的大小已经有过介绍,新课引入环节首先介绍密立根实验(如图1),并引导学生对油滴进行受力分析,并回顾牛顿运动定律及静电场的相关概念，思考电子电荷量的测量方法,这样能够激发起学生的好奇心和探究欲。

图1

学生进行小组讨论，回答问题：在密立根实验中,需要测量哪些物理量？请导出用这些物理量计算油滴电荷量的表达式，教师对于带电粒子在具体问题中是否考虑重力要进行补充说明。

4.2 进阶第二层次：带电粒子的加速

如图2所示,在真空中有一对平行金属板,两板间的电势差为U，若一个质量为m、带正电荷q的粒子,在静电力作用下由静止开始从正极板向负极板运动,计算它到达负极板时的速度。

图2

解析：在这里教师强调不计带电粒子的重力,并引导学生分析：带电粒子只受电场力作用,由于初速度为零,所以粒子沿电场力方向做匀加速直线运动。在具体解答中，可以采用多种方法解答，拓展学生思路,下面以两种方法为例。

方法一：利用牛顿定律和运动学公式

方法二：利用动能定理

问题讨论：

(1) 若带点粒子的初速度为v0,则粒子到达负极板时的速度又会怎样？

(2) 如果两极板电性换一下，能否达到加速粒子的目的?

(3) 在上述问题中,两块金属板是平行的,两板间的电场是匀强电场。如果两极板是其他形状,中间的电场不再均匀,上面的两种方法是否仍然适用？为什么？

教师在学生讨论的基础上对问题(3)进行总结：方法一必须在匀强电场中使用(F=qE,F为恒力,E恒定),而在非匀强电场中,公式W=qU(只跟初、末位置的电势差有关)同样适用,故方法二可行性更好。

如果带电粒子在电场中的受力方向与速度方向不在同一条直线上,带电粒子的运动情况又如何呢？下面我们通过一种特殊情况来研究。

4.3 进阶第三层次：带电粒子在电场中的偏转

如图3所示,带正电粒子以初速度v0垂直于电场线射入匀强电场中。

图3

问题讨论：(1) 分析带电粒子的受力情况。(2) 带电粒子做什么运动?(3) 你认为这种情况同哪种运动类似,这种运动的研究方法是什么?(4) 你能类比得到带电粒子在电场中运动的研究方法吗?

学生讨论、交流，教师总结。

师：带电粒子在电场中运动与平抛运动的研究方法相似，我们可应用类比方法进行处理，先对带电粒子在电场中偏转且能飞出电场的运动情况进行讨论(如图4、表1)。

图4

表1 带电粒子在电场中偏转与平抛运动的类比

问题讨论：(1) 上面讨论的是带电粒子能飞出电场的情况,如果带电粒子打到极板上的话,带电粒子的运动还一样吗？(2) 此时在电场中的运动时间还由极板长度L决定吗？如果不是,在电场中的运动时间由什么来决定？(3) 尝试写出带电粒子打到极板上时,各物理量的表达式。

4.4 进阶第四层次：应用带电粒子在电场中运动的知识解决实际问题

图5

教师引导学生认真研究课本中示波管的原理图(如图5),认识示波管由电子枪、偏转电极和荧光屏三部分组成，让学生知道带电粒子在电场中加速以及偏转的两种运动情况，示波管有两组偏转电极,使电子运动的轨迹变得复杂。在教学过程中教师应该顺着教材“思考与讨论”中设置的台阶进行进阶教学。