以“情境演進”為主線，實現思維進階發展

［摘 要］文章依托“四主”教學模式，以“帶電粒子在電場中的運動”復習課為例，探討如何以“情境演進”為主線，搭建學生思維進階發展的臺階，設計出能促進學生思維發展和素養提升的高中物理教學。

［關鍵詞］情境演進；思維進階發展；帶電粒子在電場中的運動

［中圖分類號］" " G633.7" " " " ［文獻標識碼］" " A" " " " ［文章編號］" " 1674-6058（2024）20-0038-03

一、教學研究背景

《普通高中物理課程標準（2017年版）》指出，高中物理課程旨在進一步提升學生的物理學科核心素養，為學生的終身發展奠定基礎[1]。課堂是物理教學的主陣地，物理教師研究如何進一步落實核心素養培養目標、科學有效地組織并實施課堂教學具有重要的意義。

當前高中物理教學中，部分教師熱衷于在新課教學中通過創設情境、探究教學等手段強化學生核心素養的培養，但在復習課教學中卻采取“應試”教學模式，使得復習課教學存在知識習題化、考點清單化、模式單一化等弊端，缺乏新意與活力，不利于學生的主動學習與深度學習。

針對如何使復習課成為能實現學生思維進階發展的課堂，筆者依托課題組提出的“四主”教學模式（以核心素養為主旨、學生為主體、教師為主導、情境演進為主線）[2]，對復習課教學實施“情境演進”教學策略，設計逐層推進的情境主線，“串燒”出具有“物理味”的知識、思維和情感，凸顯教師的主導地位和生本教育理念，促使學生深度學習，實現思維進階發展。本文以“帶電粒子在電場中的運動”復習課為例談談如何以“情境演進”為主線，搭建學生思維進階發展的臺階，促進學生思維發展和素養提升。

二、教學設計思路

新課標倡導教師基于物理學科核心素養確定教學的目標和內容。對于“帶電粒子在電場中的運動”這部分內容，課程標準的要求為：能分析帶電粒子在電場中的運動情況，能解釋相關的物理現象。應讓學生通過對電場加速器、減速器、示波管等儀器的工作原理的初步理解，認識電場對帶電粒子的作用，會處理帶電粒子在電場中的運動問題。

基于課標要求，本節復習課的教學圍繞以下兩條線索來展開：

（1）物理觀念線索 ：以運動觀念為線索（直線運動→類平拋運動→勻速圓周運動），在運動觀念中滲透其他物理觀念（如場的觀念、相互作用觀念、能量觀念）。

（2）科學思維與科學探究線索：展示情境→建立模型→推理研究→空間拓展→情境演進（示波管）→情境再次演進（兩種偏轉對比及應用），在推理探究中滲透類比、對比、歸納等科學思維方法，并通過這些科學思維方法在生活、科技中的應用滲透科學態度與價值觀的教育。

三、教學實施策略

新課標建議教師在教學設計和教學實施過程中重視情境的創設，而教學目標的充分達成離不開情境這個“沃土”。情境教學法的一個本質特征是激發學生的情感，以此推動學生認知活動的進行[3]。本節復習課依托三個實際應用情境展開教學，每個情境下設置兩個層次問題，逐層推進，通過問題解決實現學生思維的進階發展，促進學生物理學科核心素養的提升。

（一）展示母題情境，明確研究主題，喚醒知識回憶

母題情境具有喚醒性、誘思性的特點。在本節復習課中創設一個恰當、真實的母題情境導入課堂，帶領學生由生活走向物理，能很好地吸引學生的注意力，使他們積極投入學習。

母題情境：靜電噴漆是利用高壓形成的靜電場進行噴漆的技術，相比傳統手段，具有效率高、浪費少、質量好、有利于工人健康等優點，其裝置模型如圖1所示，其中A、B為兩塊平行金屬板，兩板間有由B指向A的勻強電場。在A板中央放置一個安全接地的靜電油漆噴槍P，噴槍的噴嘴可向各個方向均勻地噴出速度大小相等、質量相同的帶負電的油漆微粒，設定油漆微粒最終全部落在金屬板B上。不計油漆微粒所受的重力、空氣阻力，不計帶電微粒之間的相互作用力。

問題層次一：建立運動模型，明確研究思路

問題1：油漆微粒受什么力？它有幾種可能的運動形式？

問題2：如何分析每一種運動情況（時間、運動的末速度大小與位移情況）？

［建立運動模型］

［明確研究思路］

設定物理量：油漆微粒的質量[m]，帶電量[q]，初速度為[v0]。

歸結對應的公式與規律：

a.勻變速直線運動對應的公式與規律：

利用動力學觀點：[a=qEm]，[d=12at2]，[2ad=v2-v20]。

利用功能觀點：[qEd=12mv2-12mv20]。

b. 類平拋運動對應的公式與規律：

利用動力學觀點：先利用運動的合成與分解將類平拋運動分解為水平方向的勻速直線運動和豎直方向的勻加速直線運動，再利用公式：[a=qEm]，[d=12at2]，[2ad=v2y-v20]，[v=v20+v2y]。

利用功能觀點：[qEd=12mv2-12mv20]。

類斜拋運動情況在此不再贅述。

問題層次一的功能：讓學生體會如何由實際問題建構對應的物理模型。類平拋運動與類斜拋運動的模型建立及問題解決，滲透了“類比”“運動的合成與分解”等物理思維方法，訓練了學生的科學思維。讓學生總結出研究帶電粒子運動的方法：利用動力學觀點與利用功能觀點，這兩種方法彰顯了“運動與相互作用觀念”“能量觀念”等多種物理觀念。通過帶電粒子運動的研究，促使學生深入體會物質運動的多樣性、物質運動與相互作用之間的聯系、做功與能量的聯系，并養成使用物理觀念解決物理問題的良好習慣。

問題層次二：進行推理歸納，初步實現思維拓展

問題3：不同的油漆微粒在電場中的運動時間是否相同？它們到達B板時動能是否相同？

問題4：分析油漆微粒到達B板時的落點形狀及面積的大小。

問題層次二的功能：通過不同油漆微粒的比較，訓練學生的推理能力，拓展學生的空間思維能力，進一步促進學生物理觀念的形成。

（1）讓學生學會對兩種觀點進行比較、推理、評估，體會它們各自的優越之處：分析運動的時間利用動力學觀點更有優勢；分析動能使用功能觀點更快捷，且可加深學生對能量轉化與守恒的能量觀的認識。

（2）通過不同油漆微粒的落點位置的比較及所形成的形狀的分析，訓練學生的空間思維能力及想象能力。從二維空間的粒子的運動情況分析上升到三維空間的粒子的運動情況分析，促進學生思維能力的提高。

（二）展示遷移情境，完成模型應用，拓展思維

情境遷移：示波管。

教師提問：剛才的噴漆情境中不同的粒子的運動情況是不同的，但同一粒子的運動性質是不變的。在生產實踐中有一種常用儀器，其中每一個粒子會經歷不同的運動階段，這種儀器是什么？你能畫出其示意圖，分析其工作原理嗎？

問題層次一：建立運動模型，明確研究思路

[建立示波管的簡單模型]

如圖2所示，電子從燈絲[K]發出（初速度可忽略不計），經電壓[U1]加速，沿[A]中心線射出后垂直進入[M]、[N]兩板中的偏轉電場，最終打在熒光屏上的某點[P]。已知[M]、[N]兩板間的電壓為[U2]，兩板間距為[d]，板長為[L]，電子的質量為[m]，電荷量為[e]，計算：

（1）電子穿過[A]板時速度的大小；

（2）電子從偏轉電場射出時的豎直側移量；

（3）設[M、N]板右邊緣到熒光屏的距離為[L′]，求[OP]間距，并說明打屏位置的決定因素；

（4）求電子從[K]極發出至打到點[P]所用的總時間。

問題層次一的功能：將電子的單過程運動改為多過程運動，進一步訓練學生的模型建構能力及基本方法的應用能力。其中第（3）問一題多解及分析打屏位置的決定因素，可訓練學生的思維能力與歸納總結能力，也能深化學生應用幾何知識解決物理問題的意識，第（4）問則再次訓練學生對運動的合成與分解這一物理思維方法的運用能力。

問題層次二：再次推理歸納，再次思維拓展

教師提問：要使示波管中的信號出現在整個屏幕中，如何實現？

分析幾種情況：

（1）若電子打在屏幕第二象限的位置，推斷兩個偏轉電極各加了什么方向的電壓？

（2）若僅在[YY′]電極上加一正弦式變化的電壓，熒光屏上會看到什么形狀？

（3）實際使用時，常在[XX′]電極上加上鋸齒形的掃描電壓，若[YY′]電極上同時加正弦式變化的信號電壓，熒光屏上會看到什么形狀？

問題層次二的功能：進一步拓展學生的空間思維，運動的合成與分解的應用交織于復雜的粒子運動中，取得了“一兩撥千斤”的效果。科學方法的使用是解決問題的利器，科學方法的使用能引起學生的情感共鳴。學生通過建模、推理，直至親手解決這些逐漸復雜起來的問題，不斷收獲成功的喜悅，更加激發了學習物理的興趣，能力也獲得了螺旋式上升，促進了科學態度與價值觀的形成。

（三）再次遷移情境，完成模型對比，提升科學思維能力

情境再次遷移：由電偏轉到磁偏轉。

教師提問：電場可以使粒子偏轉，那么還有什么技術手段也可以使粒子偏轉呢？

問題層次一：建立運動模型，明確研究思路

教師提問：磁偏轉的原理與特征、基本應用是什么？

問題層次一的功能：使研究主題開放起來，通過比較磁偏轉與電偏轉的不同，了解規律的共性與區別；由直線運動、類平拋運動過渡至圓周運動，呈現帶電粒子的運動的多樣性，進一步體會運動與相互作用的觀念、場的觀念，明白建立模型是解決物理問題的基礎，類比與對比是研究物理問題的常用且有效的重要方法。

問題層次二：深入對比模型，再次思維拓展

[電偏轉與磁偏轉的綜合應用]

如圖4所示，空間站中應用的某種離子推進器的主要部件為離子源和半徑為[R]、長度為[L]的直圓筒，圓筒右側面[P]開放。以離子源出口[O]為坐標原點建立如圖所示的三維直角坐標系，其中[O]在圓筒左側面上，[z]軸與直圓筒的軸線重合。圓筒內存在勻強電場和勻強磁場，方向均沿[z]軸正方向且電場強度[E]、磁感應強度[B]的大小均可調節。已知離子源可發射出速度大小為[v0]、方向可調節的正離子，離子經直圓筒內的復合場后，最后從右側面[P]射出，由于反沖使推進器獲得推力。已知離子的質量與電荷量均為[m]和[q]，不計離子間的相互作用。現在對靜止在地面上的推進器進行測試。

（1）若圓筒內只存在電場，且離子源發出的離子初速度在[xOy]平面內，要使離子能從右側面[P]離開，則所加勻強電場的電場強度至少多大？

（2）若圓筒內同時存在電場和磁場，要使初速度在[xOy]平面內的離子恰好能從[z]軸與右側面的交點[O']射出，求[B]應該滿足的條件及[E]和[B]之間的關系。

問題層次二的功能：通過離子推進器的綜合性問題的解決，使學生進一步對知識進行整理，獲得認識上的飛躍，同時提升思維能力。

著名特級教師吳加澍提出物理教學有三條序線：反映學科邏輯的知識序、反映認知邏輯的思維序和反映教學邏輯的教學序。優化教學即是要通過合理的教學邏輯使得知識的學科邏輯順利轉化為學生的認知邏輯，從而提高學生學習的有效性[4]。本節課的教學設計以“情境演進”為主線，根據內容特點，結合遞進的問題，立足于幾種基本運動模型，合理組織教學，在“時”“空”上層層演進，不斷進階，加深學生對場的觀念、運動與相互作用的觀念、能量觀念的理解，以及促進學生科學思維、情感態度與價值觀的發展，有效落實學生核心素養的培養目標。

［" "參" "考" "文" "獻" "］

［1］" 中華人民共和國教育部.普通高中物理課程標準：2017年版[M].北京：人民教育出版社，2018.

［2］" 曹會，郁建石.指向核心素養的“四主”教學模式的構建與實踐研究[J].中學物理教學參考，2019（21）：1-4.

［3］" 卞志榮，顧建元.新課標下高三物理復習課情境問題創設的實效性[J].中學物理教學參考，2019（17）：9-13.

［4］" 吳加澍.中學物理教師的學科教學知識[J].物理教學，2012（12）：5-10，4.

（責任編輯 黃春香）