基于U型學習模式的物理復習課教學設計*
——以“電場能的性質”為例

史東升

(徐州市第一中學 江蘇 徐州 221004)

2017版的《普通高中物理課程標準》提出,物理教學不能只重視學生對知識的獲得而忽略了學生物理學科核心素養的培養.物理復習課以核心素養為導向,以學生為主體,教師為主導,重在發展學生學科思維與分析問題、解決問題的能力.學生已學完基礎知識,復習課能幫助學生對所學知識查缺補漏,完善知識結構,貫通學科思維,關注從知識的“碎片化”到“整體性”,架構知識的整體脈絡,把知識復習過程轉變為知識體系的構建過程[1].

1 U型學習的內涵

郭元祥教授對著名教育學家杜威的經驗教學理論的概括,即還原與下沉、體驗與探究、總結與提升的過程,這一學習過程恰似“U”型.對書本知識的還原、稀釋過程也就是下沉過程,是U型學習的第一環節,學生在學習過程中要建立起書本知識和個人經驗之間的關聯.第二環節要求在U型底部對基礎知識深加工,通過建立大概念把知識的構建鑲嵌在體驗與互動式的探究活動中,為高中生的深度學習提供了良好的支撐.第三個環節是知識的上浮,真實問題的解決過程離不開在探究基礎上的總結與反思,幫助學生把書本知識建構到個人知識體系網絡,達到提升學科素養的目的[2].

“電場能的性質”是電場高考復習中的重難點,電勢能、電勢、電勢差及等勢面等概念比較抽象,本文應用U型學習模式探討“電場能的性質”單元復習第一課時的教學設計思路.

2 基于U型學習的教學設計

2.1 自制實驗教具創設情境

將生活用品引入物理復習課課堂,不僅可以拉近科學知識和學生之間的距離,更能激發學生科學探究的欲望,從而更好地落實核心素養的教學理念.

自制教具靜電除塵器導入:如圖1所示,普通的礦泉水瓶外側繞一段導線接電源的正極,另一根導線通過瓶蓋插入瓶中接電源的負極,課前收集好兩瓶煙塵.用電子感應圈在一個瓶子兩段導線間加幾萬伏電壓,而另一個瓶子不加電壓,會看到什么現象呢?(為了安全,學生應遠離實驗裝置,上課實驗時用手機投屏觀察現象).通過對比可以清晰地看到加高電壓瓶中的煙塵小顆粒很快消失,提出問題學生思考:煙塵小顆粒都去哪了呢?

圖1 自制靜電除塵器

2.2 依據實際情境建構物理模型

自制的靜電除塵器不應只是作為引入課題使用,U型學習模式的探究和提升環節應以模型構建為基礎.如圖2所示畫一下實驗裝置的俯視圖,建立輻向電場的物理模型,學生通過觀察實驗現象回憶和電場相關的概念.通過討論分析得到:在瓶中電源正負極之間形成了輻射狀的靜電場,空氣分子在場強較大的負極附近被電離成正離子和電子,正離子運動到負極重新結合成分子,而煙塵小顆粒吸附在電子上向正極運動,拆下瓶蓋果然在瓶子內壁發現了煙塵顆粒的蹤跡,這就是靜電除塵的原理.

圖2 實驗裝置的俯視圖

2.3 任務驅動激活大概念

帶負電的煙塵小顆粒在向正極運動的過程中,電場力做正功動能增加,本節課從功能關系角度出發研究電場能的性質.

任務1:如圖3在電場強度為E的勻強電場中任取A、B兩點,把試探電荷+q沿不同路徑從A點移動到B點,計算3種情況下電場力對電荷做的功.(1)沿直線從A點移動到B點,電場力做的功是多少?(2)沿折線AMB從A點移動到B點,電場力做的功是多少?(3)沿任意路徑呢?學生歸納總結電場力做功與路徑無關的特點.

圖3 場強為E的勻強電場

任務2:自主規定零勢能面,把電場力做功寫成功能關系的表達形式.如圖4所示,引導學生在BM的右側垂直于電場線建立零電勢能平面,則

圖4 在電場中建立零電勢能平面

WAB=qEd1-qEd2=Ep1-Ep2

若把上式進一步變形

WAB=qEd1-qEd2=q(Ed1-Ed2)=

q(φ1-φ2)=qUAB

與電場能的性質相關,比較抽象的概念電勢能、電勢、電勢差學生自然容易理解和掌握,這也是U型學習模式的最底層環節.

【鞏固訓練】關于靜電力做功和電勢能,下列說法正確的是( )

A.靜電力做功與重力做功類似,均與路徑無關

B.正電荷具有的電勢能一定是正值,負電荷具有的電勢能一定是負值

C.靜電力做正功,電勢能一定減少

D.只有靜電力做功時,電荷的機械能守恒

學生通過對訓練題的分析加深了對電場力做功的特點以及電場力做功與電勢能變化對應關系的認識,探究電場能的性質所需的“大概念”被激活.

2.4 模型探究總結方法規律

在模型基礎上的問題探究可以有效促進深度學習,加強對概念規律的理解,而模型探究的習題化是總結方法規律的重要前提和手段.

【自編例題】如圖5所示,某靜電除塵器的輻向電場中,一條電場線上有A、B兩點,電荷量為q1=

圖5 自編例題題圖

-1.0×10-9C的試探電荷放在電場中的A點具有7.0×10-5J的電勢能,電荷量為q2=2.0×10-9C的試探電荷放在電場中的B點具有-4.0×10-5J的電勢能.則A點和B點電勢分別是多少?現有電荷量q3=-5.0×10-9C的帶電煙塵小顆粒由A點運動到B點,電場力做功是多少?(學生上黑板板演)根據學生解題情況,引導學生采用兩種解法:可以用電勢差算電場力做功,也可以用q3在A和B兩點的電勢能的差值去計算電場力做功.

引導學生進一步探究:能不能求出q3在A和B兩點的電勢能的數值呢?結果發現B點電勢高,q3在B點的電勢能反而小,什么原因呢?如果是正電荷呢?由此學生可以自主總結出比較電場中兩點電勢高低的方法以及如何判斷電荷在電場中電勢能的大小.

2.5 應用思想方法提升學科素養

【典例分析】“電子能量分析器”主要由處于真空中的電子偏轉器和探測板組成.偏轉器是由兩個相互絕緣、半徑分別為RA和RB的同心金屬半球面A和B構成,A、B為電勢值不等的等勢面,其過球心的截面如圖6所示.一束電荷量為-e、質量為m的電子以不同的動能從偏轉器左端M板正中間小孔垂直入射,進入偏轉電場區域,最后到達偏轉器右端的探測板N,其中動能為Ek0的電子沿等勢面C做勻速圓周運動到達N板的正中間.忽略電場的邊緣效應.

圖6 電子能量分析器

(1)判斷半球面A、B的電勢高低,并說明理由;

(2)求等勢面C所在處電場強度E的大小;

(3)若半球面A、B和等勢面C的電勢分別為φA、φB和φC,則到達N板左、右邊緣處的電子,經過偏轉電場前、后的動能變化量分別為多少?

該例題考查帶電粒子在輻射狀電場中的運動,把帶電粒子在靜電場中運動和圓周運動結合起來,基于能的性質概念運用動能定理和功能關系很好地考查了學生把靜態的思想方法轉化為動態的問題解決的關鍵能力.

3 結束語

U型教學設計模式的目的是讓學生能夠用自己掌握的概念和思想方法分析解決問題,而學科素養的提升又是物理復習課的本質要求,本文在U型學習理論的指導下對物理復習課進行了優化教學設計,以期待對學生關鍵能力的提升有所幫助.