学习进阶理论下的情境教学课堂建构——以“带电粒子在电场中的运动”教学为例

黄 佳

(江苏省苏州第一中学校,江苏 苏州 215006)

学习进阶是指学生在学习和探究某一主题时,依次进阶、逐层渐进地进行思维和科学探究的过程。教师帮助学生设置认知过程中的许多中间水平的“阶梯”,用这些“阶梯”构成学习进阶链,将学生的学习进阶起点和学习进阶终点连接起来,使课堂学习变成学生不断探索、不断发展的进阶过程。[1]

情境教学是指在教学中有目的地创设或引入具有一定感情色彩的、以形象体验为主的生动、具体场景,帮助学生理解知识,锻炼学生思维能力,提升学生解决问题能力的教学方法。情境教学包括“情境化”“去情境化”与“再情境化”三个环节,情境化感性地激活学生自主学习的内驱力,去情境化提升学生思维能力和探究能力,再情境化检验学生的学习迁移能力。[2]

笔者以学习进阶理论为指导，建构学习进阶理论下的情境教学模式，并以“带电粒子在电场中的运动”教学为例，探讨该模式的具体操作策略。

1 基于学习进阶理论的情境教学模式

学习进阶要从学情出发,利用学习“阶梯”帮助学生完成知识构建、思维进阶；情境教学是通过“情境”帮助学生登上“阶梯”,在“情境化”环节中,根据学生的知识结构和思维能力确定进阶的起点,创设问题情境,激发学生的学习兴趣。在“去情境化”环节中,构建呈现核心知识或核心概念的循序渐进的进阶问题链,锻炼学生的科学思维和探究能力,实现从感性认识到理性认识的飞跃。在“再情境化”环节中,根据学生核心素养发展目标要求作为学习进阶的终点,提升学生的学习迁移能力，据此笔者构建了如图1所示的学习进阶理论下的情境教学模式。

图1

2 情境教学模式的操作策略

2.1 创设问题情境,激活学习内驱力

教学的起点应基于学生的知识储备,情境教学应贴近学生的认知特点和思维能力,以利于促进学生的感性体验和认识,激发学生学习兴趣和探究的内驱力。

问题情境:CT扫描是计算机X射线断层扫描技术的简称,CT扫描机可用于对多种疾病的探测。图2是某种CT机主要部分的剖面图，电子从电子枪A出发,经过仪器内部(图中虚线部分)的电场后,最终打到在靶B上,产生竖直向上的X射线穿过人体到达探测器。

图2

提问:仪器内部的电场可能是怎样的？电子的运动轨迹可能是怎样的？

学生在讨论和交流之后,得出结论:(1) 如仪器内部的电场是加速电场,电子的运动轨迹是直线；(2) 如仪器内部的电场是偏转电场,电子的运动轨迹是抛物线。

设计意图:让学生在疑惑、好奇之中,唤醒大脑中关于带电粒子在电场中运动的知识,建立加速电场和偏转电场两种典型模型,高效引入教学内容。

2.2 进阶问题链引推理,突破加速电场难点

引导学生从感性认知上升到理性认知,使学生获得抽象概括的知识，习得思维方法,这一过程就是学习进阶的起点和学习进阶终点之间的去情境化过程。通过设计学习进阶问题链,让学生突破加速电场难点。

问题1：电子在加速电场中运动,运动轨迹是直线，电场方向如何？速度方向和电场方向的关系如何？电子到达B点的速度是多大？

学生根据所学知识，建构如图3所示的模型，求解电子的速度大小。

图3

图4

设计意图:引导学生意识到在解决带电粒子运动问题时常用到的两种视角，即动力学和能量转化视角,学生自主解决加速电场的基本问题,并在解决周期性加速电场问题的过程中进一步提升其思维能力。

2.3 演绎深化思维过程,突破偏转电场难点

在学习进阶的情境教学中，呈现核心概念或者核心知识时必须连贯一致、由浅入深、循序渐进,以提高学生的科学思维能力,形成物理观念。在学生掌握了加速电场的相关知识后,通过进阶问题链,引导学生突破偏转电场难点。

问题3：如图5所示,若在空间中加上竖直向上的匀强电场,求电子在偏转电场中到达B时的速度大小和方向(不计电子所受重力)。

图5

图6

设计意图:由带电粒子在加速电场的运动转换到带电粒子在偏转电场中的运动,学生通过小组合作，自主完成带电粒子在周期性偏转电场中运动的分析,提升了他们思维的深度与广度。

2.4 通过归纳提升认知水平,突破扫描电场与偏转电场难点

学生在完成单个电子在加速电场和偏转电场中运动问题的学习后,其思维能力和探究能力都得到了发展,对于多个电子在周期性变化电场中运动问题的分析与研究,则有助于学生掌握思维策略,进一步升华物理观念,提升学生的思维品质与探究能力。

图7

图8

(1) 求电子达到荧光屏上距离O点的长度x与偏转电压Ux的关系？

(2) 求电子达到荧光屏上距离O点的长度x与时间t的关系？

(3) 电子打在荧光屏上形成的图形是什么样的？

设计意图:将偏转电场设置成锯齿状周期性变化的电场,看似带电粒子所受的电场力大小在时刻变化,实则题中有以下条件：“每个电子穿过平行板电容器的时间都极短,可以认为电压是不变的”，让本题回归偏转电场的范畴。在课堂教学中发现学生对于这个问题的理解存在困难,在引导学生进行科学探究和问题解决时，重点体现在:(1) 理解单个电子打在荧光屏上的过程,关注电子在离开电场后的运动情况的分析与计算；(2) 求解电子达到荧光屏上距离O点的长度x与时间t的关系时,注重应用数形结合的方法；(3) 对于电子打在荧光屏上的图形分析时,提醒学生理解研究对象是某一个电子点迹,还是大量电子的点迹。学生在一步一步解决问题的过程中,显化了思维的进阶过程,进一步提升了他们的问题解决能力。

问题6：在问题5中,上、下极板间的偏转电压如图9所示,求：(1) 电子达到荧光屏上距离O点的长度y与偏转电压Uy的关系；(2) 电子达到荧光屏上距离O点的长度y与t的关系。

图9

设计意图:在问题5的基础上进一步拓展,检验学生思维能力的进步和科学论证能力的提升情况,考查了学生的学习迁移能力,实现了学生的思维进阶。

2.5 问题再情境化,发展高阶思维

再情境化通过创设新的问题情境,帮助学生将所学的知识迁移到新的情境中去,解决新的问题,加深学生对知识的理解和应用能力,培养学生解决问题的能力,发展学生的高阶思维,这就是学习进阶的终点。

问题再情境化:示波器是一种常见的电学仪器,可以在荧光屏上显示出被检测的电压信号随时间的变化情况。图10为示波器的原理结构图，当不加电压时,电子恰好打在荧光屏的正中心,在那里产生一个亮斑；在极板YY′间加正弦电压Uy、在极板XX′间加扫描电压Ux,两电压随时间的变化如图11所示,请在图12上画出荧光屏上呈现的波形。

图10

图11

图12

设计意图:以示波器创设真实情境,考查学生的知识和技能迁移能力,让学生在此过程中提升解决新问题的能力和科学思维能力。

2.6 利用实验达成能力提升,以证据课堂打造知行合一

物理学需要实验提供实证依据,学生完成了新情境“示波器”的原理探究的同时,利用实验将思维过程显性化,将思维结果具体化,能够进一步达成学生思维的进阶,促进核心素养的提升。

在实验过程中让学生感受扫描电场和偏转电场的区别,更好地理解电场和光屏成像之间的联系,帮助学生构建带电粒子在电场中运动的知识结构,深刻认识物理概念和规律的本质,在实验中体验推理论证的成就感。同时,在实验过程中也会发现新问题,比如在X、Y方向所加电压信号间的周期关系等,进一步激发学生的学习兴趣。

3 结语

基于学习进阶理论的情境教学,强调以学生为中心,通过“情境化”“去情境化”“再情境化”三个环节,创设情境激发学生学习内驱力,激活、重构、优化了课堂组织形式,引导学生自主建构认知结构,实现了知识、方法、能力、思维的全方位进阶,有效提升了学生的核心素养。