基于U型學(xué)習(xí)模式的物理復(fù)習(xí)課教學(xué)設(shè)計(jì)*
——以“電場(chǎng)能的性質(zhì)”為例

史東升

(徐州市第一中學(xué) 江蘇 徐州 221004)

2017版的《普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)》提出,物理教學(xué)不能只重視學(xué)生對(duì)知識(shí)的獲得而忽略了學(xué)生物理學(xué)科核心素養(yǎng)的培養(yǎng).物理復(fù)習(xí)課以核心素養(yǎng)為導(dǎo)向,以學(xué)生為主體,教師為主導(dǎo),重在發(fā)展學(xué)生學(xué)科思維與分析問(wèn)題、解決問(wèn)題的能力.學(xué)生已學(xué)完基礎(chǔ)知識(shí),復(fù)習(xí)課能幫助學(xué)生對(duì)所學(xué)知識(shí)查缺補(bǔ)漏,完善知識(shí)結(jié)構(gòu),貫通學(xué)科思維,關(guān)注從知識(shí)的“碎片化”到“整體性”,架構(gòu)知識(shí)的整體脈絡(luò),把知識(shí)復(fù)習(xí)過(guò)程轉(zhuǎn)變?yōu)橹R(shí)體系的構(gòu)建過(guò)程[1].

1 U型學(xué)習(xí)的內(nèi)涵

郭元祥教授對(duì)著名教育學(xué)家杜威的經(jīng)驗(yàn)教學(xué)理論的概括,即還原與下沉、體驗(yàn)與探究、總結(jié)與提升的過(guò)程,這一學(xué)習(xí)過(guò)程恰似“U”型.對(duì)書(shū)本知識(shí)的還原、稀釋過(guò)程也就是下沉過(guò)程,是U型學(xué)習(xí)的第一環(huán)節(jié),學(xué)生在學(xué)習(xí)過(guò)程中要建立起書(shū)本知識(shí)和個(gè)人經(jīng)驗(yàn)之間的關(guān)聯(lián).第二環(huán)節(jié)要求在U型底部對(duì)基礎(chǔ)知識(shí)深加工,通過(guò)建立大概念把知識(shí)的構(gòu)建鑲嵌在體驗(yàn)與互動(dòng)式的探究活動(dòng)中,為高中生的深度學(xué)習(xí)提供了良好的支撐.第三個(gè)環(huán)節(jié)是知識(shí)的上浮,真實(shí)問(wèn)題的解決過(guò)程離不開(kāi)在探究基礎(chǔ)上的總結(jié)與反思,幫助學(xué)生把書(shū)本知識(shí)建構(gòu)到個(gè)人知識(shí)體系網(wǎng)絡(luò),達(dá)到提升學(xué)科素養(yǎng)的目的[2].

“電場(chǎng)能的性質(zhì)”是電場(chǎng)高考復(fù)習(xí)中的重難點(diǎn),電勢(shì)能、電勢(shì)、電勢(shì)差及等勢(shì)面等概念比較抽象,本文應(yīng)用U型學(xué)習(xí)模式探討“電場(chǎng)能的性質(zhì)”單元復(fù)習(xí)第一課時(shí)的教學(xué)設(shè)計(jì)思路.

2 基于U型學(xué)習(xí)的教學(xué)設(shè)計(jì)

2.1 自制實(shí)驗(yàn)教具創(chuàng)設(shè)情境

將生活用品引入物理復(fù)習(xí)課課堂,不僅可以拉近科學(xué)知識(shí)和學(xué)生之間的距離,更能激發(fā)學(xué)生科學(xué)探究的欲望,從而更好地落實(shí)核心素養(yǎng)的教學(xué)理念.

自制教具靜電除塵器導(dǎo)入:如圖1所示,普通的礦泉水瓶外側(cè)繞一段導(dǎo)線接電源的正極,另一根導(dǎo)線通過(guò)瓶蓋插入瓶中接電源的負(fù)極,課前收集好兩瓶煙塵.用電子感應(yīng)圈在一個(gè)瓶子兩段導(dǎo)線間加幾萬(wàn)伏電壓,而另一個(gè)瓶子不加電壓,會(huì)看到什么現(xiàn)象呢?(為了安全,學(xué)生應(yīng)遠(yuǎn)離實(shí)驗(yàn)裝置,上課實(shí)驗(yàn)時(shí)用手機(jī)投屏觀察現(xiàn)象).通過(guò)對(duì)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(wèn)題學(xué)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(jù)實(shí)際情境建構(gòu)物理模型

自制的靜電除塵器不應(yīng)只是作為引入課題使用,U型學(xué)習(xí)模式的探究和提升環(huán)節(jié)應(yīng)以模型構(gòu)建為基礎(chǔ).如圖2所示畫(huà)一下實(shí)驗(yàn)裝置的俯視圖,建立輻向電場(chǎng)的物理模型,學(xué)生通過(guò)觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象回憶和電場(chǎng)相關(guān)的概念.通過(guò)討論分析得到:在瓶中電源正負(fù)極之間形成了輻射狀的靜電場(chǎng),空氣分子在場(chǎng)強(qiáng)較大的負(fù)極附近被電離成正離子和電子,正離子運(yùn)動(dòng)到負(fù)極重新結(jié)合成分子,而煙塵小顆粒吸附在電子上向正極運(yùn)動(dòng),拆下瓶蓋果然在瓶子內(nèi)壁發(fā)現(xiàn)了煙塵顆粒的蹤跡,這就是靜電除塵的原理.

圖2 實(shí)驗(yàn)裝置的俯視圖

2.3 任務(wù)驅(qū)動(dòng)激活大概念

帶負(fù)電的煙塵小顆粒在向正極運(yùn)動(dòng)的過(guò)程中,電場(chǎng)力做正功動(dòng)能增加,本節(jié)課從功能關(guān)系角度出發(fā)研究電場(chǎng)能的性質(zhì).

任務(wù)1:如圖3在電場(chǎng)強(qiáng)度為E的勻強(qiáng)電場(chǎng)中任取A、B兩點(diǎn),把試探電荷+q沿不同路徑從A點(diǎn)移動(dòng)到B點(diǎn),計(jì)算3種情況下電場(chǎng)力對(duì)電荷做的功.(1)沿直線從A點(diǎn)移動(dòng)到B點(diǎn),電場(chǎng)力做的功是多少?(2)沿折線AMB從A點(diǎn)移動(dòng)到B點(diǎn),電場(chǎng)力做的功是多少?(3)沿任意路徑呢?學(xué)生歸納總結(jié)電場(chǎng)力做功與路徑無(wú)關(guān)的特點(diǎn).

圖3 場(chǎng)強(qiáng)為E的勻強(qiáng)電場(chǎng)

任務(wù)2:自主規(guī)定零勢(shì)能面,把電場(chǎng)力做功寫(xiě)成功能關(guān)系的表達(dá)形式.如圖4所示,引導(dǎo)學(xué)生在BM的右側(cè)垂直于電場(chǎng)線建立零電勢(shì)能平面,則

圖4 在電場(chǎng)中建立零電勢(shì)能平面

WAB=qEd1-qEd2=Ep1-Ep2

若把上式進(jìn)一步變形

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

q(φ1-φ2)=qUAB

與電場(chǎng)能的性質(zhì)相關(guān),比較抽象的概念電勢(shì)能、電勢(shì)、電勢(shì)差學(xué)生自然容易理解和掌握,這也是U型學(xué)習(xí)模式的最底層環(huán)節(jié).

【鞏固訓(xùn)練】關(guān)于靜電力做功和電勢(shì)能,下列說(shuō)法正確的是( )

A.靜電力做功與重力做功類似,均與路徑無(wú)關(guān)

B.正電荷具有的電勢(shì)能一定是正值,負(fù)電荷具有的電勢(shì)能一定是負(fù)值

C.靜電力做正功,電勢(shì)能一定減少

D.只有靜電力做功時(shí),電荷的機(jī)械能守恒

學(xué)生通過(guò)對(duì)訓(xùn)練題的分析加深了對(duì)電場(chǎng)力做功的特點(diǎn)以及電場(chǎng)力做功與電勢(shì)能變化對(duì)應(yīng)關(guān)系的認(rèn)識(shí),探究電場(chǎng)能的性質(zhì)所需的“大概念”被激活.

2.4 模型探究總結(jié)方法規(guī)律

在模型基礎(chǔ)上的問(wèn)題探究可以有效促進(jìn)深度學(xué)習(xí),加強(qiáng)對(duì)概念規(guī)律的理解,而模型探究的習(xí)題化是總結(jié)方法規(guī)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(chǎng)中,一條電場(chǎng)線上有A、B兩點(diǎn),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(chǎng)中的A點(diǎn)具有7.0×10-5J的電勢(shì)能,電荷量為q2=2.0×10-9C的試探電荷放在電場(chǎng)中的B點(diǎn)具有-4.0×10-5J的電勢(shì)能.則A點(diǎn)和B點(diǎn)電勢(shì)分別是多少?現(xiàn)有電荷量q3=-5.0×10-9C的帶電煙塵小顆粒由A點(diǎn)運(yùn)動(dòng)到B點(diǎn),電場(chǎng)力做功是多少?(學(xué)生上黑板板演)根據(jù)學(xué)生解題情況,引導(dǎo)學(xué)生采用兩種解法:可以用電勢(shì)差算電場(chǎng)力做功,也可以用q3在A和B兩點(diǎn)的電勢(shì)能的差值去計(jì)算電場(chǎng)力做功.

引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)一步探究:能不能求出q3在A和B兩點(diǎn)的電勢(shì)能的數(shù)值呢?結(jié)果發(fā)現(xiàn)B點(diǎn)電勢(shì)高,q3在B點(diǎn)的電勢(shì)能反而小,什么原因呢?如果是正電荷呢?由此學(xué)生可以自主總結(jié)出比較電場(chǎng)中兩點(diǎn)電勢(shì)高低的方法以及如何判斷電荷在電場(chǎng)中電勢(shì)能的大小.

2.5 應(yīng)用思想方法提升學(xué)科素養(yǎng)

【典例分析】“電子能量分析器”主要由處于真空中的電子偏轉(zhuǎn)器和探測(cè)板組成.偏轉(zhuǎn)器是由兩個(gè)相互絕緣、半徑分別為RA和RB的同心金屬半球面A和B構(gòu)成,A、B為電勢(shì)值不等的等勢(shì)面,其過(guò)球心的截面如圖6所示.一束電荷量為-e、質(zhì)量為m的電子以不同的動(dòng)能從偏轉(zhuǎn)器左端M板正中間小孔垂直入射,進(jìn)入偏轉(zhuǎn)電場(chǎng)區(qū)域,最后到達(dá)偏轉(zhuǎn)器右端的探測(cè)板N,其中動(dòng)能為Ek0的電子沿等勢(shì)面C做勻速圓周運(yùn)動(dòng)到達(dá)N板的正中間.忽略電場(chǎng)的邊緣效應(yīng).

圖6 電子能量分析器

(1)判斷半球面A、B的電勢(shì)高低,并說(shuō)明理由;

(2)求等勢(shì)面C所在處電場(chǎng)強(qiáng)度E的大小;

(3)若半球面A、B和等勢(shì)面C的電勢(shì)分別為φA、φB和φC,則到達(dá)N板左、右邊緣處的電子,經(jīng)過(guò)偏轉(zhuǎn)電場(chǎng)前、后的動(dòng)能變化量分別為多少?

該例題考查帶電粒子在輻射狀電場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng),把帶電粒子在靜電場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)和圓周運(yùn)動(dòng)結(jié)合起來(lái),基于能的性質(zhì)概念運(yùn)用動(dòng)能定理和功能關(guān)系很好地考查了學(xué)生把靜態(tài)的思想方法轉(zhuǎn)化為動(dòng)態(tài)的問(wèn)題解決的關(guān)鍵能力.

3 結(jié)束語(yǔ)

U型教學(xué)設(shè)計(jì)模式的目的是讓學(xué)生能夠用自己掌握的概念和思想方法分析解決問(wèn)題,而學(xué)科素養(yǎng)的提升又是物理復(fù)習(xí)課的本質(zhì)要求,本文在U型學(xué)習(xí)理論的指導(dǎo)下對(duì)物理復(fù)習(xí)課進(jìn)行了優(yōu)化教學(xué)設(shè)計(jì),以期待對(duì)學(xué)生關(guān)鍵能力的提升有所幫助.