知識在意義應用中進化能力在探究中提升
———以總復習中《示波管的原理》為例*

◎福建省福州市第一中學　林同春

知識在意義應用中進化能力在探究中提升
———以總復習中《示波管的原理》為例*

◎福建省福州市第一中學林同春

把探究性問題（情景）引入復習課是高三物理復習的一種新的嘗試，它把復習內容轉化為研究性學習的課題，可以提高學生學習的興趣和主動性，它既能落實對高中物理知識與方法的意義建構，又能提高綜合思維能力和創新實踐能力。

探究性的問題（情景）；復習資源

產生的背景：

把探究性問題（情景）引入復習課是高三物理復習的一種新的嘗試，它把復習內容轉化為研究性學習的課題，可以提高學生學習的興趣和主動性，它既能落實對高中物理知識與方法的意義建構，又能提高綜合思維能力和創新實踐能力。

縱覽當下的高三物理復習，絕大多數教師都能引導學生對知識進行回顧、優化重組、在解題中應用。但很可惜，師生主要精力還是集中在應試訓練上，盡管在高考中可取得一點效益，關注了現在時，卻丟掉了未來時。就對學生的可持續發展來說，可否在總復習的任務中，多溶入點更寶貴的教學價值——學科素養的提高？總復習過程中，讓知識在探究性背景中的意義應用是學生提升能力的一條重要途徑，具體的策略是：讓知識在探究中應用，意義在應用中理解、在概念間建立聯系、重組、進化；在應用中提升高水平的操作行為、建立起整體觀和辯證觀。

基于上述教育理念，在選修《靜電場》這章節總復習中，回顧了電場基本概念之后，為提高學生的綜合能力，在《電場的應用》一節復習課中，我引導學生對示波管的原理進行逆向設計的剖析、探究，對電場知識、方法進行整合，感受電場的知識的意義應用，提高高水平的操作行為。

一、《電場的應用》復習課的幾個教學片段與教育體會

1.為學生呈現本節課要探究的總體背景

給學生展示如圖1、圖2，8SJ31J型號的示波管實物和示意圖，并提出要探究的主題：示波管的主要工作原理是什么？它怎樣在陰極到屏幕之間設置一系列電場，控制電子的運動？由于復習課時的限制，本次復習課主要關注Y向控制極間的偏轉電場和第一、二陽極間的（靜電透鏡）電場。探究的課題是：

①單個電子從陰極出發，如何加速、偏轉而到達熒光屏上？

圖1

②電子群體如何通過靜電透鏡？如何把偏轉板的信息以直觀圖形呈現在屏幕上？

學生的現場反應是對示波管實物充滿好奇，對教師所提的問題有所迷惑。

體會1：問題的真實性、恰適性易引起學生探索的意愿。

2.結構性的任務與持續性的問題

探究的課題之一：示波器中創設怎樣電場，控制帶電粒子的運動為感受示波器的核心機理——把偏轉板的信息以直觀圖形呈現在屏幕上，從學生熟悉的Y向偏轉電場開始設置問題串。

若YY‘金屬板加恒定電壓，電子以初速沿平行于金屬板方向射入電場，因為做類平拋運動，離開電場時會有一側移量y，同時速度有偏向角。

若能實現電子以初速沿平行于金屬板方向射入電場，離開電場時有一側移量y，但末速度與初速相同，Y Y‘金屬板間應加載怎樣的信號電壓？針對上述要求，在學生醞釀的基礎上，請學生評判幾個方案。

方案1.電子以初速v0沿平行于板長為L的金屬板方向射入，若從飛入時刻起（t= 0），AB兩板所加電壓變化規律如圖3所示，交變電壓周期T應滿足什么條件？

師生合作、回顧總結：質點位置的移動看速度對時間的積分（速度-時間圖象的面積）；速度的變化看加速度對時間的積分（加速度-時間圖象的面積），得出方案1中，交變電壓周期T應滿足條件是：t=nT（n=1 2 3…），其中t=L/v0。

引導學生進一步討論：若t=T，電子在下述情形中

i：T/4時刻飛入電場呢？

ⅱ：若板間出現反向電壓，電子在某時刻飛入電場呢？

如：7T/8時刻

方案2.電子從飛入時刻起（t=0），AB兩板所加電壓變化規律如圖4所示，交變電壓周期T.若電子在板間運動時間t=T，能滿足上題要求嗎？

圖2

圖3

圖4

體會2：讓學生成為智慧的探索者，給學生呈現的問題（或任務）要具備非確定性，利于發揮學生的主觀能動性。

體會3：從方案1到方案2、從方波電壓到正弦電壓、從特殊到一般，遵從布魯納的觀點：“應從具體的熟悉事例中形成更加概括化的認識和更為深刻的體驗”。

②閱讀示波管說明書提出生成性的物理問題

給學生呈現出8SJ31J型示波管說明書的部分參數如圖5，教師對圖5參數進行注解并提出結構性的任務。

探究：該型示波管中，電子的加速電壓為1100V、豎直偏轉極板允許加的交變電壓的頻率范圍（10Hz耀10MHz），設某電子其初速為零，經加速后，平行進入豎直偏轉極板，豎直偏轉極板板長約2cm，若極板所加的正弦交變電壓頻率是10MHz，該電子能否平行極板出來，并有側移量y？（已知電子的比荷e/m=1.67×1011C/kg；）

教師引導學生分析。

問題1.電子通過豎直偏轉極板間，做什么運動？怎樣分析？

學生計算：設電子的初速度為零，經加速后獲得速度為ν，再求通過豎直偏轉極板間的時間t.

圖5

小插曲：分析學生的計算過程，師追加問題，電子獲取了極大的速度，主要因素是什么？是加速電壓嗎？引導學生評價，得出結論，顯然是小電子有大比荷導致的，這也是電子槍的優勢。

電子通過豎直偏轉極板間的時間t，由水平分運動得：

問題2.比較電子通過豎直偏轉極板間的時間t和交變電壓的周期關系。

師：電子通過豎直偏轉極板間的時間t和交變電壓的最短周期做比較如何？請學生計算

引伸：示波管的核心機理與機遇電壓。

問題4.當電子進入豎直偏轉極板間時，該時刻板間若存在電壓，則電子必然在板間做類平拋運動而偏轉。那么，在示波管中電子充當了什么角色？

師引導學生感悟：不同時刻進入豎直偏轉極板間的電子，遇上不同的板間信號電壓（機遇電壓），電子將有對應的不同偏轉。電子相當于探測者，帶著板間信號電壓的信息而打在熒光屏上，這就是示波管的核心機理。偏轉極板間信號電壓、電子群體、熒光屏三者關系，猶如手、畫筆、畫布的關系。

體會4：從真實、深刻、持續性問題出發、生成性地應用知識，可提高學生分析問題的能力。用創新的方法開展復習，呈現多要素的問題，處理問題的能力，能夠創新的人。困惑和好奇？通過以結構性的任務，從持續性問題出發、生成性地應用，提高學生分析問題和良好的解決問題的能力。相互合作可豐富師生的教育經驗。

通過以深刻的問題、合作關系、生成性地應用，點燃和培養創造的、科學的頭腦，探究學習、能力本位學習和整合學習。

探究的課題之二：靜電透鏡探究與設計片段

問題情景1.靜電透鏡是利用靜電場使電子束會聚或發散的一種裝置，其中某部分靜電場的對稱分布（如圖6所示）。虛線表示這個靜電場在xoy平面內的一簇等勢線，等勢線形狀相對于ox軸、oy軸對稱。等勢線的電勢沿x軸正向增加，且相鄰兩等勢線的電勢差相等。若讓一個電子經過P點平行ox軸向右射入電場，請判斷該靜電透鏡是起會聚還是發散作用？

教師引導學生綜合分析（力對運動方向的改變、力的分解方法、靜電場知識）判斷出該靜電透鏡是起會聚作用。

問題探究2.為增強靜電透鏡的會聚作用的效果，y軸右側的電場要弱些？還是要強些？

學生拓展分析：如圖7所示，y軸右側的電場要弱些。

圖6

圖7

問題設計3.為實現對電子束的空間會聚（三維空間），產生該靜電場的金屬電極應設計成什么形狀？

教師引導學生構思（從帶電體周圍的等勢面分布特征分析）并展示構造圖。如圖8所示：兩個口徑不等的金屬圓筒，開口相對組成。

體會5：探究中有創新設計，給學生呈現多要素的問題，可培養創新的能力。

二、實踐與反思

1.應用探究性問題進行復習的意義

應用探究性問題進行復習，能引導學生探討用什么方法解釋和解決問題，更重要的是發展一種態度，即探索新情境的態度，使學生能激發學習動機，主動地參加到學習中去、應用自己的能力，以解決新問題或發現新事物的態度。

2.探究性的問題（情境）的設置與實施的要求

設置可探索的真實性任務，從知識架構、內在本質、邏輯聯系線索開始，利于知識的有深度認識。在復習進程的設計上，要呈現整體性的任務，讓學生嘗試進行問題的解決，在此過程中學生要自己發現完成整體任務所需實現完成的子任務。在探索實踐中，要給予結構性的任務，從持續性問題出發，生成性地應用，提高學生分析和解決問題的能力，尤其是創新性能力。

3.受多元智能理論的啟發，要具備的觀念

學生個體的差異性是一種寶貴的資源；從關注學生，開發學生潛能，促進學生全面發展方面去考慮問題；在探究性問題的呈現中，要體現適恰性、層次性、開放性等。

4.存在問題

①探究性問題（情景）的深度與廣度怎樣把握？它無法對考點復習的做完全涵蓋，該怎么樣把握側重點？

②基礎薄弱的學生個體對探究性問題（情景）存在適應性弱的現象，怎么樣兼顧學生個體的差異？

③實際問題（情景）的高度綜合性與高考漸進性復習的應怎樣同步協調？

圖8

（責任編輯：詹國榮）

*本文系福建省教育科學規劃課題“探究性問題在高考物理復習中的應用與開發”（項目編號：FJJKXB13-149）研究成果。