高中物理“教-學(xué)-評(píng)一體化”課堂教學(xué)探索
——以“示波器的原理——帶電粒子在電場(chǎng)中的偏轉(zhuǎn)”為例

付鸝娟

(北京市第一0一中學(xué) 北京 100091)

1 問(wèn)題的提出

《普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)(2017年版)》頒布以來(lái)，很多一線(xiàn)教師都在積極探索把核心素養(yǎng)的培養(yǎng)落實(shí)到課堂上的有效策略.在中國(guó)知網(wǎng)上，用“物理”并含“核心素養(yǎng)”作為主題詞，搜索2017年至2019年期間發(fā)表的文章，共有1 557篇，其中涉及課堂教學(xué)的，多是基于學(xué)生核心素養(yǎng)提升的教學(xué)案例，這些案例關(guān)注的幾乎都是教師的“教”，而這些關(guān)于教的論述無(wú)法回答學(xué)生在這樣的過(guò)程中獲得了什么，改變了什么.

因此，教師不僅要實(shí)現(xiàn)從“關(guān)注教師的教”到“關(guān)注學(xué)生的學(xué)”的轉(zhuǎn)變，而且要深度思考，如何通過(guò)合理的評(píng)價(jià)方式讓學(xué)生及時(shí)地知道自己學(xué)的怎么樣等“對(duì)學(xué)生的評(píng)”的問(wèn)題，這就需要在課堂教學(xué)中實(shí)現(xiàn)“教-學(xué)-評(píng)一體化”.

“教-學(xué)-評(píng)一體化”的課堂具有什么特征？如何設(shè)計(jì)？如何用評(píng)價(jià)促進(jìn)學(xué)生思維發(fā)展？

本文旨在通過(guò)具體的教學(xué)案例，回答對(duì)上述問(wèn)題的初步思考.

2 “教-學(xué)-評(píng)一體化”的內(nèi)涵及課堂設(shè)計(jì)路徑

“教-學(xué)-評(píng)一體化”是指圍繞教學(xué)目標(biāo)，教師的教學(xué)、學(xué)生的學(xué)習(xí)以及教師對(duì)學(xué)生的評(píng)價(jià)組成一個(gè)有機(jī)的整體，“教與學(xué)”“教與評(píng)”“評(píng)與學(xué)”之間相互影響、彼此制約.要實(shí)現(xiàn)“教-學(xué)-評(píng)一體化”，教師不僅要把教的內(nèi)容，學(xué)習(xí)活動(dòng)，學(xué)習(xí)評(píng)價(jià)3個(gè)要素作為一個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行整體設(shè)計(jì)，而且要保證3個(gè)要素內(nèi)在的一致性.

傳統(tǒng)的課堂，教師對(duì)“教學(xué)目標(biāo)是否實(shí)現(xiàn)?”“學(xué)生能力發(fā)展如何？”等問(wèn)題的回答往往基于經(jīng)驗(yàn)和測(cè)試.“教-學(xué)-評(píng)一體化”課堂力求通過(guò)學(xué)習(xí)評(píng)價(jià)科學(xué)地反饋目標(biāo)達(dá)成情況，展現(xiàn)學(xué)生思維發(fā)展的路徑.可見(jiàn)，學(xué)習(xí)評(píng)價(jià)的設(shè)計(jì)和實(shí)施是實(shí)現(xiàn)“教-學(xué)-評(píng)一體化”的關(guān)鍵.一方面學(xué)習(xí)評(píng)價(jià)的維度、標(biāo)準(zhǔn)和不同的層級(jí)，可以反饋學(xué)生知識(shí)掌握、問(wèn)題解決能力的不同水平，另一方面借助評(píng)價(jià)學(xué)生可以自我調(diào)控，發(fā)展思維.

本著圍繞目標(biāo)、評(píng)價(jià)先行的設(shè)計(jì)思想，“教-學(xué)-評(píng)一體化”課堂設(shè)計(jì)強(qiáng)調(diào)把握知識(shí)的整體結(jié)構(gòu)，用核心概念引領(lǐng)，按照“學(xué)習(xí)目標(biāo)——學(xué)習(xí)活動(dòng)——學(xué)習(xí)評(píng)價(jià)”的順序進(jìn)行設(shè)計(jì).其設(shè)計(jì)流程如圖1所示.

圖1 “教-學(xué)-評(píng)一體化”課堂設(shè)計(jì)流程

3 “教-學(xué)-評(píng)一體化”課堂教學(xué)案例

下面具體分析在“示波器的原理——帶電粒子在電場(chǎng)中的偏轉(zhuǎn)”一課中，以學(xué)習(xí)評(píng)價(jià)促進(jìn)學(xué)生思維發(fā)展的“教-學(xué)-評(píng)一體化”的課堂實(shí)踐.

3.1 教學(xué)目標(biāo)突出素養(yǎng)立意

教材中示波器是在學(xué)完帶電粒子在電場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)之后，作為實(shí)際應(yīng)用出現(xiàn)的.示波器的教學(xué)常規(guī)這樣處理：先向?qū)W生展示在偏轉(zhuǎn)電極上加了什么類(lèi)型的電壓，然后讓學(xué)生思考屏幕上會(huì)出現(xiàn)什么樣的波形，不斷變化電壓，讓學(xué)生預(yù)測(cè)波形.這種方式只是把示波器作為實(shí)際應(yīng)用，教學(xué)的落點(diǎn)是帶電粒子的運(yùn)動(dòng)，削弱了示波器這一學(xué)習(xí)資源的教學(xué)價(jià)值.

人教版高中《物理·選修3-1》第一章“靜電場(chǎng)”研究靜電場(chǎng)的基本性質(zhì)，帶電粒子和靜電場(chǎng)的相互作用，以及帶電粒子在靜電場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)規(guī)律和應(yīng)用.和本節(jié)課相關(guān)的核心概念是“力和運(yùn)動(dòng)的關(guān)系”，需要建立的物理觀念是“運(yùn)動(dòng)和相互作用觀”.把物理學(xué)的基本原理創(chuàng)造性地應(yīng)用于實(shí)際是這節(jié)課可挖掘的育人價(jià)值.

因此，筆者確定的教學(xué)目標(biāo)為：應(yīng)用帶電粒子在電場(chǎng)中偏轉(zhuǎn)的規(guī)律，分析示波器屏幕上出現(xiàn)不同波形的原因，理解示波器的原理.感悟物理學(xué)在實(shí)際生產(chǎn)、生活中的應(yīng)用，使學(xué)生深刻認(rèn)識(shí)“力和運(yùn)動(dòng)的關(guān)系”這一核心概念，形成運(yùn)動(dòng)與相互作用觀.這樣示波器作為實(shí)際的問(wèn)題情境，知識(shí)成為解決實(shí)際問(wèn)題的工具，教學(xué)目標(biāo)從知識(shí)立意轉(zhuǎn)向素養(yǎng)立意.其中素養(yǎng)目標(biāo)突出了物理核心素養(yǎng)4個(gè)維度中的3個(gè)：物理觀念、科學(xué)思維、科學(xué)態(tài)度與責(zé)任,如表1所示.

表1 素養(yǎng)目標(biāo)中物理核心素養(yǎng)解讀

3.2 學(xué)習(xí)活動(dòng)展現(xiàn)思維路徑

這節(jié)課要解決的問(wèn)題是，示波器為什么能顯示信號(hào)電壓的波形？設(shè)計(jì)的核心學(xué)習(xí)活動(dòng)是，根據(jù)示波器上的波形，在模具上(圖2)擺放偏轉(zhuǎn)極板的位置，推測(cè)示波管中所加電場(chǎng)的方向和大小.從帶電粒子的運(yùn)動(dòng)情況逆向推理其受力情況，進(jìn)而分析所加電場(chǎng)的性質(zhì)，理解力和運(yùn)動(dòng)的關(guān)系.

這一活動(dòng)突出科學(xué)建模素養(yǎng)的培養(yǎng)，引導(dǎo)學(xué)生的思維從孤立到關(guān)聯(lián)，從靜態(tài)到動(dòng)態(tài)發(fā)展.實(shí)施流程如圖3所示.

圖2 模具

圖3 實(shí)施流程

3.3 學(xué)習(xí)評(píng)價(jià)驅(qū)動(dòng)課堂生成

這節(jié)課的學(xué)習(xí)任務(wù)是：示波器為什么能顯示信號(hào)電壓的波形？教師首先讓學(xué)生觀察“示波管”不加偏轉(zhuǎn)電壓時(shí)電子的“徑跡”，從而理解屏幕上一個(gè)亮點(diǎn)形成的原因.然后演示示波器熒光屏上顯示不同的波形，請(qǐng)學(xué)生分析是如何形成的.預(yù)期學(xué)生解決這一問(wèn)題時(shí)的思維路徑是：分析電場(chǎng)?分析帶電粒子的受力?分析帶電粒子的運(yùn)動(dòng)?理解力和運(yùn)動(dòng)的關(guān)系.希望學(xué)生能夠梳理建立物理模型解決實(shí)際問(wèn)題的一般思路并加以應(yīng)用.為此，把這個(gè)任務(wù)拆解為4個(gè)活動(dòng)，每一個(gè)活動(dòng)指向具體的思維培養(yǎng)，并用相應(yīng)的評(píng)價(jià)作為檢驗(yàn).

活動(dòng)1:如圖4所示，示波器上顯示一條豎直的亮線(xiàn)，需要加什么樣的電場(chǎng)，請(qǐng)?jiān)谀＞呱蠑[放極板加以說(shuō)明.

圖4 示波器上顯示一條豎直的亮線(xiàn)

設(shè)計(jì)意圖:從一個(gè)亮點(diǎn)到一條亮線(xiàn)，學(xué)生很容易想到要加電場(chǎng).引導(dǎo)學(xué)生逆向思考，所加電場(chǎng)的性質(zhì).這一內(nèi)隱的思維過(guò)程通過(guò)在模具上擺放極板的活動(dòng)外顯出來(lái)，進(jìn)而可以進(jìn)行評(píng)價(jià).這個(gè)活動(dòng)希望培養(yǎng)學(xué)生思維的規(guī)范性和有序性.

學(xué)生表現(xiàn):經(jīng)過(guò)討論，大多數(shù)學(xué)生不僅能正確擺放偏轉(zhuǎn)極板的位置——所加電場(chǎng)的方向應(yīng)該和電子速度方向垂直，還能解釋所加電壓應(yīng)該是一個(gè)變化的電壓.上課之初，教師把幾張用不同顏色寫(xiě)的“示波器原理”幾個(gè)字的PPT快速播放，造成了一個(gè)動(dòng)畫(huà)的效果，讓學(xué)生體會(huì)了視覺(jué)暫留.于是學(xué)生能清楚表達(dá)，由于電壓不同，電子會(huì)打在熒光屏不同位置上，由于視覺(jué)暫留，形成一條亮線(xiàn).小結(jié)環(huán)節(jié)教師給出活動(dòng)1評(píng)價(jià)量表.

評(píng)價(jià)量表:活動(dòng)1評(píng)價(jià)量表如表2所示.

這個(gè)量表從學(xué)生活動(dòng)的結(jié)果、分析問(wèn)題的角度、對(duì)核心概念的理解3個(gè)維度進(jìn)行評(píng)價(jià).根據(jù)思考問(wèn)題的正確性、規(guī)范性和深刻性設(shè)置不同的水平.引導(dǎo)不同層次的學(xué)生進(jìn)行反思.對(duì)于不能做出正確答案的學(xué)生，給他們指出認(rèn)識(shí)問(wèn)題的角度——解決力學(xué)問(wèn)題，在明確研究對(duì)象之后，受力分析是最為重要的環(huán)節(jié).對(duì)于能做出正確答案的學(xué)生，引導(dǎo)他們反思自己思維的規(guī)范性和深入程度.

表2 活動(dòng)1評(píng)價(jià)量表

學(xué)生知道極板要加變化的電壓，電壓具體應(yīng)該怎么變化呢？

活動(dòng)2:請(qǐng)畫(huà)出偏轉(zhuǎn)極板上所加電壓隨時(shí)間變化的圖像.

設(shè)計(jì)意圖:電壓影響了電場(chǎng)，電場(chǎng)的大小和方向影響了電子受力，電子受到不同的力，運(yùn)動(dòng)情況有所不同，就會(huì)打在熒光屏不同的位置上，希望學(xué)生能用圖像表征電壓的變化.這個(gè)活動(dòng)希望學(xué)生分析問(wèn)題的角度不是孤立、靜態(tài)的，而是聯(lián)系、動(dòng)態(tài)的.

學(xué)生表現(xiàn):學(xué)生典型回答如圖5所示.

電子在熒光屏上的位置、電場(chǎng)大小和方向是解決這個(gè)問(wèn)題的3個(gè)關(guān)鍵要素，能否全面地找到這些要素并正確建立它們之間的聯(lián)系，體現(xiàn)了學(xué)生問(wèn)題解決能力的不同水平.回答如圖5(a)的學(xué)生不知道電子在熒光屏上的位置和極板電壓大小有關(guān)，只能孤立地認(rèn)識(shí)這幾個(gè)要素，無(wú)法建立各要素之間的關(guān)聯(lián).回答如圖5(b)的學(xué)生知道電子在熒光屏上的位置和極板電壓大小有關(guān)，對(duì)要素的提取不全面，只能建立部分要素間的關(guān)聯(lián).回答如圖5(c)或圖5(d)的學(xué)生，能找到所有的要素，并建立關(guān)聯(lián)，但對(duì)電壓變化規(guī)律的認(rèn)識(shí)不全面.能同時(shí)回答如圖5(c)和圖5(d)的學(xué)生，能系統(tǒng)定性地進(jìn)行分析，完整正確地解決問(wèn)題，因此水平較高.

圖5 學(xué)生典型回答

評(píng)價(jià)量表:活動(dòng)2評(píng)價(jià)量表如表3所示.

表3 活動(dòng)2評(píng)價(jià)量表

電子在熒光屏上的位置和電壓有關(guān)，它們之間是否是一一對(duì)應(yīng)的關(guān)系呢，需要定量分析，于是進(jìn)入活動(dòng)3.

活動(dòng)3:請(qǐng)定量分析為什么熒光屏上的亮線(xiàn)可以反映信號(hào)電壓的波形？

設(shè)計(jì)意圖:學(xué)生要解決這個(gè)問(wèn)題，首先要寫(xiě)出電子偏轉(zhuǎn)距離的表達(dá)式，然后尋找電子在熒光屏上的位置和控制信號(hào)電壓之間的定量關(guān)系.因此這個(gè)活動(dòng)有兩個(gè)意圖，一是引導(dǎo)學(xué)生從定性到定量分析偏轉(zhuǎn)極板的電壓大小對(duì)熒光屏上亮線(xiàn)的影響.二是引導(dǎo)學(xué)生對(duì)數(shù)學(xué)表達(dá)式反映的物理規(guī)律進(jìn)行反思.這個(gè)活動(dòng)培養(yǎng)學(xué)生定量化和系統(tǒng)思考的能力.

定量化不等同于計(jì)算，它是一個(gè)尋找并測(cè)量數(shù)據(jù)，用數(shù)據(jù)表征物理規(guī)律的過(guò)程.要回答“為什么熒光屏上的波形可以反映信號(hào)電壓變化的規(guī)律”，必須說(shuō)明波形和信號(hào)電壓之間是一一對(duì)應(yīng)的定量關(guān)系，電子的偏轉(zhuǎn)距離可以表達(dá)這一定量關(guān)系，因此學(xué)生首先要明確需要定量的是電子的偏轉(zhuǎn)距離.但這一物理量不能直接測(cè)量，所以要用可直接測(cè)量的物理量表示.要測(cè)量哪些物理量？這個(gè)問(wèn)題是開(kāi)放的，對(duì)這一過(guò)程的分析是復(fù)雜的，涉及了多個(gè)物理量，多種關(guān)系，需要學(xué)生系統(tǒng)思考.學(xué)生首先要建立帶電粒子運(yùn)動(dòng)的模型，尋找相應(yīng)的物理量描述這種運(yùn)動(dòng)，并找到各個(gè)物理量之間的關(guān)系，表征這種運(yùn)動(dòng)的規(guī)律，只有具有力和相互作用的物理觀念才能自覺(jué)應(yīng)用這種方法.

寫(xiě)出表達(dá)式之后，要把電子偏轉(zhuǎn)距離的表達(dá)式所描述的規(guī)律還原于實(shí)際情境，才能回答為什么示波器波形能反映信號(hào)電壓變化的規(guī)律.電子的偏轉(zhuǎn)距離和電壓一一對(duì)應(yīng)，電壓的大小可以通過(guò)電子在熒光屏上不同的位置外顯出來(lái)，電壓的變化可以通過(guò)電子在熒光屏上位置的變化反映出來(lái).外界信號(hào)控制了電壓的變化，因而電子在熒光屏上位置的變化可以間接反映外界信號(hào)的變化，這就是示波器的原理.

這個(gè)活動(dòng)希望培養(yǎng)學(xué)生系統(tǒng)分析的能力和定量化的意識(shí).

學(xué)生表現(xiàn):學(xué)生在這個(gè)活動(dòng)中的表現(xiàn)差異明顯，說(shuō)明學(xué)生系統(tǒng)思考的水平、定量化能力有很大差異.有的學(xué)生無(wú)從下手，有的學(xué)生在寫(xiě)表達(dá)式時(shí)出現(xiàn)各種錯(cuò)誤，還有的學(xué)生能正確寫(xiě)出表達(dá)式，卻無(wú)法解釋表達(dá)式所反映的實(shí)際問(wèn)題.

評(píng)價(jià)量表:活動(dòng)3評(píng)價(jià)量表如表4所示.

表4 活動(dòng)3評(píng)價(jià)量表

完成了活動(dòng)3之后，教師引導(dǎo)學(xué)生小結(jié)，利用建模思想分析問(wèn)題的一般流程如圖6所示.

圖6 利用建模思想分析問(wèn)題的一般流程

在梳理了利用建模思想解決實(shí)際問(wèn)題的一般思路之后，就要應(yīng)用這種思想解決比較復(fù)雜的陌生問(wèn)題，進(jìn)入到模型應(yīng)用的活動(dòng)環(huán)節(jié).

活動(dòng)4:教師演示示波器熒光屏上出現(xiàn)一條傾斜的亮線(xiàn)，如圖7所示，分析可能的原因.

設(shè)計(jì)意圖:學(xué)生根據(jù)上面活動(dòng)梳理的解決問(wèn)題的一般思路，系統(tǒng)完整地分析這個(gè)問(wèn)題.預(yù)期學(xué)生分析的思路是，在模具上擺放極板?分析極板所加電壓的性質(zhì)?寫(xiě)出偏轉(zhuǎn)距離和電壓的定量關(guān)系.這個(gè)活動(dòng)難度在于，學(xué)生對(duì)示波器圖像的識(shí)別要從一維到二維，表現(xiàn)是在模具上擺放的極板從一組到兩組，要定量分析電子在兩個(gè)方向上的偏轉(zhuǎn)距離.

圖7 熒光屏上出現(xiàn)一條傾斜的亮線(xiàn)

學(xué)生表現(xiàn):筆者在課上實(shí)施這個(gè)環(huán)節(jié)教學(xué)時(shí)，學(xué)生的回答除了預(yù)期的擺放兩組相互垂直的極板之外，還有一種完全不符合預(yù)期，他們認(rèn)為只擺放一組傾斜的極板也能實(shí)現(xiàn)屏幕上出現(xiàn)傾斜亮線(xiàn)，如圖8所示.

圖8 只放一組傾斜的極板

電子垂直紙面入射，就會(huì)向上、向左偏轉(zhuǎn).這時(shí)，筆者沒(méi)有急于對(duì)學(xué)生的回答給予評(píng)價(jià)，而是請(qǐng)兩組學(xué)生來(lái)解釋.其中一組學(xué)生雖然認(rèn)為這種結(jié)果正確，但無(wú)法在黑板上畫(huà)圖清晰表達(dá)結(jié)果.而另一組學(xué)生能夠清晰地用模具展示他們的答案.當(dāng)學(xué)生解釋?zhuān)@種狀況相當(dāng)于把兩組極板的力進(jìn)行了合成，只用一組極板加上的是這個(gè)合力，教師肯定了學(xué)生的創(chuàng)意，同時(shí)引導(dǎo)學(xué)生比較這兩種情況哪種更符合實(shí)際.

如果教師沒(méi)有給學(xué)生解釋的時(shí)間，一味將學(xué)生拉到預(yù)設(shè)的結(jié)果上來(lái)，無(wú)疑失去了培養(yǎng)學(xué)生發(fā)散性思維的機(jī)會(huì).但如果教師沒(méi)有進(jìn)行追問(wèn)，直接肯定學(xué)生的答案，評(píng)價(jià)指向的仍然是學(xué)習(xí)結(jié)果.第一組學(xué)生無(wú)法正確解釋結(jié)果，說(shuō)明正確的結(jié)果可能掩飾了學(xué)生錯(cuò)誤的思考過(guò)程，正確的思維模型才能導(dǎo)向正確的結(jié)論.第二組學(xué)生根據(jù)上面活動(dòng)總結(jié)的思維模型進(jìn)行分析，得到了正確的結(jié)論，盡管這個(gè)結(jié)論不是教師預(yù)期的，但閃現(xiàn)著學(xué)生創(chuàng)新的火花.“教-學(xué)-評(píng)一體化”的評(píng)價(jià)指向的是學(xué)生的學(xué)習(xí)過(guò)程和思維的發(fā)展，而不是結(jié)果.

4 結(jié)論

“教-學(xué)-評(píng)一體化”課堂最大的優(yōu)勢(shì)在于對(duì)學(xué)生的評(píng)價(jià)不是指向?qū)W習(xí)結(jié)果，而是指向?qū)W(xué)生思維的培養(yǎng)，因此借助對(duì)學(xué)生活動(dòng)的評(píng)價(jià)，不僅可以反饋教學(xué)目標(biāo)的達(dá)成，還可以促進(jìn)學(xué)生思維的發(fā)展.這使得教師在設(shè)計(jì)學(xué)生活動(dòng)時(shí)目標(biāo)指向和層次遞進(jìn)關(guān)系都更清晰，提高了教學(xué)的有效性.