基于学习进阶理论的高中物理静电场单元作业设计

喻正娥 高思棋 李红梅 冯 洁

（云南师范大学物理与电子信息学院，云南 昆明 650500）

新一轮教育深化改革注重中小学校作业的育人功能，2019 年6 月教育部相关部门发布了《关于新时代推进普通高中育人方式改革的指导意见》等文件指出，学校要设计优质作业，需精心设计基础性作业、适当增加作业的探究性、实践性和综合性，从而提高教学质量。［1］这就需要教师注重单元内容连贯性和渐进性，为学生设计不同层次水平的单元作业，从而为学生的学习搭建台阶。

一、学习进阶研究及其特征要素

目前，潘梦萍、戴维等不少学者研究了作业设计，而要使单元作业设计能够培养学生的核心素养，以学习进阶为基础进行单元作业设计是一条有效途径。学习进阶是对学生在一段很长时间跨度内学习和探究某一主题时，依次进阶、逐渐深入的思维方式的描述。［2］学者姚建欣、郭玉英团队把学习进阶本土化，她们把学习进阶的时间跨度缩短［3-5］，围绕核心概念的发展轨迹，在复杂程度和知识整合的理论基础上，提出了科学概念理解发展的层级模型，其中科学概念理解发展的层级模型包括经验、映射、关联、系统和整合五个层级。［4］学者张颖之从“学习进阶”本质特征和追溯分析其理论来源，则把学习进阶的特征要素分为：学习目标、进阶变量、成就水平、学习表现和评价五个要素。［6］

本研究借此基于学习进阶理论，依据普通高中物理课程标准，运用单元概念整合的思想，考虑学生的认知水平差异，设计静电场的单元进阶作业。

二、单元作业设计思路

（一）单元概念层级分析

本文依据《普通高中物理课程标准（2017 年版2020 年修订）》确立了静电场的单元子概念［7］、结合学者张玉峰对静电场单元概念学习进阶的分析［8］和学习进阶模型［9］设计出单元概念层级图。（如图1）该图是对学生预期的概念“升阶”的描述，图中将单元概念划分不同梯度层次，为单元整体的作业设计指引方向。

图1 单元概念层级图

（二）单元作业层级分析

教师设计作业以单元为基本单位，依据一定的学习目的，重组、改编完善或自主开发等多种形式形成作业的设计。［10］本文研究依托学习进阶框架，以“局部细化—整体设计”的思路对静电场单元作业进行进阶设计。首先，结合知识难度、广度、深度和学生的认知发展规律，以单元概念整体规划单元作业进阶框架；其次，以学生的预期学习水平为依据，为每一道题设计进阶起点和进阶终点，同时重视各个小概念之间的关系；最后单元概念渐进式的进阶，从多角度设计渐进式的问题串，最终趋向于深度理解静电场大概念的要求。依据郭玉英团队提出的科学概念层级模型，设计出单元作业水平层级图。（如图2）

（三）单元作业设计案例

进阶目标是在基于课程标准要求的前提下，结合教材知识内容逻辑结构，细化设计，对作业设计起到引领性。本文结合图1 和图2 把静电场单元作业的进阶起点设置为电荷一节的内容，进阶变量为电荷、库仑定律、电场强度、静电力做功、电势能、电势和电势差，升阶的关键点是电场强度和电势，把静电场的应用与防止、电容与电容器和带电粒子在电场中运动设置为静电场单元作业的终结点，并根据图2 的单元作业层级图设置五个层级的静电场单元作业，每一层级作业涉及概念、思维、能力和态度四个方面，以此多维度地培养学生高阶思维和关键能力。

图2 单元作业层级图

【层级作业1】

目标：观察摩擦起电、感应起电实验，能用原子微观结构模型和电荷守恒定律解释静电现象。

［改编］如图所示3，用金属箔做成一个不带电的圆环，放在干燥的绝缘桌面上。小明用绝缘材料做的笔套与毛皮摩擦后，将笔套自上而下慢慢靠近圆环，当距离约为0.5cm 圆环被吸引到笔套上。针对以上现象判断与分析问题，如下：

（1）解释笔套与毛皮摩擦后笔套带电的原因；

（2）将笔套自上而下慢慢靠近圆环，为什么在距离约为0.5cm 圆环才被吸引到笔套上；

（3）笔套接触金属圆环一段时间后，笔套和金属圆环带电情况怎么样；

（4）小组合作，制作一个简易验电器，描述使用验电器检测物体是否带电及带电量的大小。

图3

设计意图:电荷处于单元概念的经验层级，是学习静电场内容的基础。电荷守恒定律是电荷的核心概念，因此围绕电荷守恒定律设计电荷的作业。本作业依据教材内容从原子微观结构解释摩擦起电、感应起电和接触起电三种起电方式设计，最终能够理解电荷起电只是电荷转移并没有与外界系统交换，其代数和保持不变。用书面解释静电现象，是为了培养学生学会用科学地语言解释物理现象的意识。第四个问题设计的意图是让学生意识到合作的重要性，且锻炼其动手操作的能力。

【层级作业2】

目标:会解决库仑力参与力学的问题。

［改编］如图4 所示，在光滑绝缘水平面上放置3个电荷量均为q（q＞0）的相同小球，小球之间用劲度系数均为k0的轻质弹簧绝缘连接。当3 个小球处在静止状态时，每根弹簧长度为l。已知静电力常量为k，若不考虑弹簧的静电感应，求：

图4

（1）选择研究对象，分析其所受的力；

（2）计算每根弹簧原长的大小。

设计意图：库仑定律处于单元的映射层级，是对电荷的相互作用理解的升阶。库仑定律是静电力的核心概念，因此围绕库仑定律设计静电力的作业。依据库仑定律与平衡力有着密切的联系，因此本题涉及库仑定律、胡克定律与平衡力条件的知识，通过设计研究力学问题的程序，以帮助学生回顾之前的知识和正确理解运用库仑定律解决问题为前提，考查学生的理解和综合分析的能力。

【层级作业3】

目标：理解电场线的特点，掌握计算电场强度的叠加方法。

［改编］带正电荷的小球A 和B（可近似看成点电荷）固定于距离为L 的两个点，电荷量均为+Q，若M、N为电场中的两点，有一点电荷从M 运动到N（不计重力），运动轨迹如图5 所示。求:

图5

（1）判断点电荷的电性及画出Q 点受力的方向；

（2）把一电子从A 与B 小球的中垂线上的P 点静止释放，分析电子在P 点到C 点运动过程中加速度如何变化；

（3）如图所示6，若有一均匀圆环所带电荷也为+Q，半径为R，圆心为O，D 点为垂直于圆环平面的对称轴上的一点，OD=L，试求D 点的电场强度。

设计意图：电场强度处于单元的关联层级，是静电场力的性质的描述，也是单元概念升阶的关键点之一。电场强度是静电场力的性质的核心概念，因此围绕电场强度设计电场、电场强度的作业。本作业设计从分析电场线与带电粒子在电场中运动的特点、计算电场强度和电场力出发，训练学生分析问题的能力和叠加和对称的思维。

图6

【层级作业4】

目标：理解电场线与等势面的关系，掌握电场力、电场强度、静电力做功、电势能、电势和电势六个电场的物理量之间的关系。

［原创］（1）不同角度设计静电场六个物理量之间的关系的思维导图。

［改编］（2）生活中处处运用静电喷涂，其工作原理是把静电喷涂的喷枪接到高电压的负极，工件接高电压的正极并接地，喷枪的端部与工件在高电压作用下形成了一个静电场，其静电场的电场线和等势线分布如图7 所示。虚线MPN 是一个点电荷在该电场中的运动轨迹，轨迹与某等势面相切于P 点。下列说法正确的是（ ）

图7

A.正负电荷连线的中垂线是一个等势面

B.A 点的电场强度比B 点大

C.A 点的电势高于B 点的电势

D.点电荷运动到P 点时动能最小

设计意图：电场力、电场强度、静电力做功、电势能、电势和电势差六个物理量建构单元的系统层级。由于静电场单元下的物理量繁多复杂，学生难以理解之间的逻辑关系，因此本作业设计首先让学生构思六个物理量之间关系的思维导图，厘清之间存在的关系；再以电场线和等势面的关系为背景设计六个物理量组成系统习题，培养学生抽象思维和分析解决问题的能力。

【层级作业5】

作业目标：了解静电场在生产和生活中的利用与防止。

［选编］下列有关生产、生活中应用的分析，解释以下几种现象：

（1）如图8 所示，在燃气灶和燃气热水器中，常常安装电子点火器，把其接通电子线路时产生高电压，通过高压放电的电火花来点燃气体，点火器的放电电极是钉尖形，与其相反的是静电器的金属杆上端却固定一个金属球而不做成针尖状，解释其原因。

图8

（2）电力工人创造了具有世界先进水平的超高压带电作业法。如图9 所示，在超高压输电线周围存在强电场，电力工人靠近输电线有危险，电力工人需采取哪些保护措施；

图9

（3）运用静电现象的相关知识，充分利用身边资源，小组合作设计简单的静电除尘器，并写设计方案。

设计意图：本作业处于单元作业的融合层级，学生基于电场的核心概念整合电荷守恒、电荷的相互作用、静电平衡等科学概念，综合分析生产、生活和科技方面的静电现象，启发学生发现、观察生活和关注科学技术，了解到静电在生产中运用的价值，使学生树立科学价值观。

【层级作业6】

目标：通过电容器的充、放过程，观察电流表和电压表变化情况学会用图表描述；理解平行板电容器的动态情况。

［选编］（1）在“观察电容器的充、放电现象”实验中，如图10 所示是实物图抽象化的电路图。单刀双掷开关S 原来跟2 相接，从t=0 开始，开关改接1，得到流过电路中P 点的电流随时间变化的I-t 图像（下图甲）和电容器两极板的电势差UAB随时间变化的图像（下图乙）。当t=2s 时，把开关改接2，请在I-t 图像和UAB-t图像中大致画出之后2 至4s 内的图像（4s 时充电完毕）。

图10

甲图

乙图

［原题］（2）如图11 所示，一平行板电容器充电后与电源断开，负极板接地，两板间有一个正检验电荷固定在P 点，如图所示，以C 表示电容器的电容、E 表示两板间的场强、φ 表示P 点的电势，Ep 表示正电荷在P 点的电势能，若正极板保持不动，将负极板缓慢向右平移一小段距离lo的过程中，下列关于各物理量与负极板移动距离x 的关系图象中正确的是（ ）

图11

［原创］（3）根据所学电容和电容器知识，查阅资料，小组合作制作简易的台灯。

设计意图：电容器与电容知识处于单元的融合层级，本作业基于静电场的知识逻辑融合电场强度、电势能、电势差、电容器和电容等科学概念，要求学生定量定性描述电容器充电放过程中电流和电压变化情况，体会能量的转移和转化；通过图像分析电容器的电容、电场强度、电势、电势能的动态变化问题，促进学会用图像将复杂的物体问题具体化、形象化，体会化难为易的思想；鼓励学生结合所学的知识，动手制作简易台灯，刺激学生学会用物理知识于生产、生活中的意识。

【层级作业7】

目标：会计算带电粒子在电场中运动的复杂问题。

［改编］CRT 显示器主要由阴极射线管组成，可用在医学、军用、航天和模拟电视机的系统等领域。CRT 显示器的基本构造如图12 所示，高速电子是通过电压调节电子枪发射的，经过垂直和水平的偏转电场控制高速电子的偏转角度，最后高速电子轰击屏幕上的磷光物质使其发光，形成明暗不同的光点，光点组合形成各种图案和文字。如图13 所示是CRT 显示器原理简化图，阴极发射电子e 经过电压为U1的加速电场后，以一定的初速V0从金属板A、B 间的中心线进入偏转电场，电子刚好从A 板边缘射出打在荧光屏中。金属板A、B 间电压为U2，金属板为长为l，相距为d，A板边缘到荧光屏的距离为L。求：

图12

图13

（1）电子刚好射出A 板时沿垂直板面方向偏移的距离y；

（2）电子离开偏转电场的速度偏转角θ；

（3）电子打在荧光屏时总偏移量Y。

设计意图：带电粒子在静电场中运用处于单元的融合层级，本作业基于相互作用观和能量观整合速度、位移、偏转角、电场力做功、电场力等科学概念，培养学生思考复杂问题的能力，启发学生将物理知识应用到生产、生活中。

三、结语

学习进阶理论下的单元作业不仅需要与单元概念逻辑结构相一致，而且要充分考虑学生认知水平的差异，按照单元概念梯度进行设计，使学生在作业中实现四个方面的“升阶”，从而提升自身的素养水平。本文的单元作业设计从学习进阶的角度梳理静电场的单元概念层级，设计并呈现出静电场的单元层次作业，为一线教师提供更加高效可靠的作业设计路径。