以“情境演进”为主线，实现思维进阶发展

［摘 要］文章依托“四主”教学模式，以“带电粒子在电场中的运动”复习课为例，探讨如何以“情境演进”为主线，搭建学生思维进阶发展的台阶，设计出能促进学生思维发展和素养提升的高中物理教学。

［关键词］情境演进；思维进阶发展；带电粒子在电场中的运动

［中图分类号］    G633.7        ［文献标识码］    A        ［文章编号］    1674-6058（2024）20-0038-03

一、教学研究背景

《普通高中物理课程标准（2017年版）》指出，高中物理课程旨在进一步提升学生的物理学科核心素养，为学生的终身发展奠定基础[1]。课堂是物理教学的主阵地，物理教师研究如何进一步落实核心素养培养目标、科学有效地组织并实施课堂教学具有重要的意义。

当前高中物理教学中，部分教师热衷于在新课教学中通过创设情境、探究教学等手段强化学生核心素养的培养，但在复习课教学中却采取“应试”教学模式，使得复习课教学存在知识习题化、考点清单化、模式单一化等弊端，缺乏新意与活力，不利于学生的主动学习与深度学习。

针对如何使复习课成为能实现学生思维进阶发展的课堂，笔者依托课题组提出的“四主”教学模式（以核心素养为主旨、学生为主体、教师为主导、情境演进为主线）[2]，对复习课教学实施“情境演进”教学策略，设计逐层推进的情境主线，“串烧”出具有“物理味”的知识、思维和情感，凸显教师的主导地位和生本教育理念，促使学生深度学习，实现思维进阶发展。本文以“带电粒子在电场中的运动”复习课为例谈谈如何以“情境演进”为主线，搭建学生思维进阶发展的台阶，促进学生思维发展和素养提升。

二、教学设计思路

新课标倡导教师基于物理学科核心素养确定教学的目标和内容。对于“带电粒子在电场中的运动”这部分内容，课程标准的要求为：能分析带电粒子在电场中的运动情况，能解释相关的物理现象。应让学生通过对电场加速器、减速器、示波管等仪器的工作原理的初步理解，认识电场对带电粒子的作用，会处理带电粒子在电场中的运动问题。

基于课标要求，本节复习课的教学围绕以下两条线索来展开：

（1）物理观念线索 ：以运动观念为线索（直线运动→类平抛运动→匀速圆周运动），在运动观念中渗透其他物理观念（如场的观念、相互作用观念、能量观念）。

（2）科学思维与科学探究线索：展示情境→建立模型→推理研究→空间拓展→情境演进（示波管）→情境再次演进（两种偏转对比及应用），在推理探究中渗透类比、对比、归纳等科学思维方法，并通过这些科学思维方法在生活、科技中的应用渗透科学态度与价值观的教育。

三、教学实施策略

新课标建议教师在教学设计和教学实施过程中重视情境的创设，而教学目标的充分达成离不开情境这个“沃土”。情境教学法的一个本质特征是激发学生的情感，以此推动学生认知活动的进行[3]。本节复习课依托三个实际应用情境展开教学，每个情境下设置两个层次问题，逐层推进，通过问题解决实现学生思维的进阶发展，促进学生物理学科核心素养的提升。

（一）展示母题情境，明确研究主题，唤醒知识回忆

母题情境具有唤醒性、诱思性的特点。在本节复习课中创设一个恰当、真实的母题情境导入课堂，带领学生由生活走向物理，能很好地吸引学生的注意力，使他们积极投入学习。

母题情境：静电喷漆是利用高压形成的静电场进行喷漆的技术，相比传统手段，具有效率高、浪费少、质量好、有利于工人健康等优点，其装置模型如图1所示，其中A、B为两块平行金属板，两板间有由B指向A的匀强电场。在A板中央放置一个安全接地的静电油漆喷枪P，喷枪的喷嘴可向各个方向均匀地喷出速度大小相等、质量相同的带负电的油漆微粒，设定油漆微粒最终全部落在金属板B上。不计油漆微粒所受的重力、空气阻力，不计带电微粒之间的相互作用力。

问题层次一：建立运动模型，明确研究思路

问题1：油漆微粒受什么力？它有几种可能的运动形式？

问题2：如何分析每一种运动情况（时间、运动的末速度大小与位移情况）？

［建立运动模型］

［明确研究思路］

设定物理量：油漆微粒的质量[m]，带电量[q]，初速度为[v0]。

归结对应的公式与规律：

a.匀变速直线运动对应的公式与规律：

利用动力学观点：[a=qEm]，[d=12at2]，[2ad=v2-v20]。

利用功能观点：[qEd=12mv2-12mv20]。

b. 类平抛运动对应的公式与规律：

利用动力学观点：先利用运动的合成与分解将类平抛运动分解为水平方向的匀速直线运动和竖直方向的匀加速直线运动，再利用公式：[a=qEm]，[d=12at2]，[2ad=v2y-v20]，[v=v20+v2y]。

利用功能观点：[qEd=12mv2-12mv20]。

类斜抛运动情况在此不再赘述。

问题层次一的功能：让学生体会如何由实际问题建构对应的物理模型。类平抛运动与类斜抛运动的模型建立及问题解决，渗透了“类比”“运动的合成与分解”等物理思维方法，训练了学生的科学思维。让学生总结出研究带电粒子运动的方法：利用动力学观点与利用功能观点，这两种方法彰显了“运动与相互作用观念”“能量观念”等多种物理观念。通过带电粒子运动的研究，促使学生深入体会物质运动的多样性、物质运动与相互作用之间的联系、做功与能量的联系，并养成使用物理观念解决物理问题的良好习惯。

问题层次二：进行推理归纳，初步实现思维拓展

问题3：不同的油漆微粒在电场中的运动时间是否相同？它们到达B板时动能是否相同？

问题4：分析油漆微粒到达B板时的落点形状及面积的大小。

问题层次二的功能：通过不同油漆微粒的比较，训练学生的推理能力，拓展学生的空间思维能力，进一步促进学生物理观念的形成。

（1）让学生学会对两种观点进行比较、推理、评估，体会它们各自的优越之处：分析运动的时间利用动力学观点更有优势；分析动能使用功能观点更快捷，且可加深学生对能量转化与守恒的能量观的认识。

（2）通过不同油漆微粒的落点位置的比较及所形成的形状的分析，训练学生的空间思维能力及想象能力。从二维空间的粒子的运动情况分析上升到三维空间的粒子的运动情况分析，促进学生思维能力的提高。

（二）展示迁移情境，完成模型应用，拓展思维

情境迁移：示波管。

教师提问：刚才的喷漆情境中不同的粒子的运动情况是不同的，但同一粒子的运动性质是不变的。在生产实践中有一种常用仪器，其中每一个粒子会经历不同的运动阶段，这种仪器是什么？你能画出其示意图，分析其工作原理吗？

问题层次一：建立运动模型，明确研究思路

[建立示波管的简单模型]

如图2所示，电子从灯丝[K]发出（初速度可忽略不计），经电压[U1]加速，沿[A]中心线射出后垂直进入[M]、[N]两板中的偏转电场，最终打在荧光屏上的某点[P]。已知[M]、[N]两板间的电压为[U2]，两板间距为[d]，板长为[L]，电子的质量为[m]，电荷量为[e]，计算：

（1）电子穿过[A]板时速度的大小；

（2）电子从偏转电场射出时的竖直侧移量；

（3）设[M、N]板右边缘到荧光屏的距离为[L′]，求[OP]间距，并说明打屏位置的决定因素；

（4）求电子从[K]极发出至打到点[P]所用的总时间。

问题层次一的功能：将电子的单过程运动改为多过程运动，进一步训练学生的模型建构能力及基本方法的应用能力。其中第（3）问一题多解及分析打屏位置的决定因素，可训练学生的思维能力与归纳总结能力，也能深化学生应用几何知识解决物理问题的意识，第（4）问则再次训练学生对运动的合成与分解这一物理思维方法的运用能力。

问题层次二：再次推理归纳，再次思维拓展

教师提问：要使示波管中的信号出现在整个屏幕中，如何实现？

分析几种情况：

（1）若电子打在屏幕第二象限的位置，推断两个偏转电极各加了什么方向的电压？

（2）若仅在[YY′]电极上加一正弦式变化的电压，荧光屏上会看到什么形状？

（3）实际使用时，常在[XX′]电极上加上锯齿形的扫描电压，若[YY′]电极上同时加正弦式变化的信号电压，荧光屏上会看到什么形状？

问题层次二的功能：进一步拓展学生的空间思维，运动的合成与分解的应用交织于复杂的粒子运动中，取得了“一两拨千斤”的效果。科学方法的使用是解决问题的利器，科学方法的使用能引起学生的情感共鸣。学生通过建模、推理，直至亲手解决这些逐渐复杂起来的问题，不断收获成功的喜悦，更加激发了学习物理的兴趣，能力也获得了螺旋式上升，促进了科学态度与价值观的形成。

（三）再次迁移情境，完成模型对比，提升科学思维能力

情境再次迁移：由电偏转到磁偏转。

教师提问：电场可以使粒子偏转，那么还有什么技术手段也可以使粒子偏转呢？

问题层次一：建立运动模型，明确研究思路

教师提问：磁偏转的原理与特征、基本应用是什么？

问题层次一的功能：使研究主题开放起来，通过比较磁偏转与电偏转的不同，了解规律的共性与区别；由直线运动、类平抛运动过渡至圆周运动，呈现带电粒子的运动的多样性，进一步体会运动与相互作用的观念、场的观念，明白建立模型是解决物理问题的基础，类比与对比是研究物理问题的常用且有效的重要方法。

问题层次二：深入对比模型，再次思维拓展

[电偏转与磁偏转的综合应用]

如图4所示，空间站中应用的某种离子推进器的主要部件为离子源和半径为[R]、长度为[L]的直圆筒，圆筒右侧面[P]开放。以离子源出口[O]为坐标原点建立如图所示的三维直角坐标系，其中[O]在圆筒左侧面上，[z]轴与直圆筒的轴线重合。圆筒内存在匀强电场和匀强磁场，方向均沿[z]轴正方向且电场强度[E]、磁感应强度[B]的大小均可调节。已知离子源可发射出速度大小为[v0]、方向可调节的正离子，离子经直圆筒内的复合场后，最后从右侧面[P]射出，由于反冲使推进器获得推力。已知离子的质量与电荷量均为[m]和[q]，不计离子间的相互作用。现在对静止在地面上的推进器进行测试。

（1）若圆筒内只存在电场，且离子源发出的离子初速度在[xOy]平面内，要使离子能从右侧面[P]离开，则所加匀强电场的电场强度至少多大？

（2）若圆筒内同时存在电场和磁场，要使初速度在[xOy]平面内的离子恰好能从[z]轴与右侧面的交点[O']射出，求[B]应该满足的条件及[E]和[B]之间的关系。

问题层次二的功能：通过离子推进器的综合性问题的解决，使学生进一步对知识进行整理，获得认识上的飞跃，同时提升思维能力。

著名特级教师吴加澍提出物理教学有三条序线：反映学科逻辑的知识序、反映认知逻辑的思维序和反映教学逻辑的教学序。优化教学即是要通过合理的教学逻辑使得知识的学科逻辑顺利转化为学生的认知逻辑，从而提高学生学习的有效性[4]。本节课的教学设计以“情境演进”为主线，根据内容特点，结合递进的问题，立足于几种基本运动模型，合理组织教学，在“时”“空”上层层演进，不断进阶，加深学生对场的观念、运动与相互作用的观念、能量观念的理解，以及促进学生科学思维、情感态度与价值观的发展，有效落实学生核心素养的培养目标。

［   参   考   文   献   ］

［1］  中华人民共和国教育部.普通高中物理课程标准：2017年版[M].北京：人民教育出版社，2018.

［2］  曹会，郁建石.指向核心素养的“四主”教学模式的构建与实践研究[J].中学物理教学参考，2019（21）：1-4.

［3］  卞志荣，顾建元.新课标下高三物理复习课情境问题创设的实效性[J].中学物理教学参考，2019（17）：9-13.

［4］  吴加澍.中学物理教师的学科教学知识[J].物理教学，2012（12）：5-10，4.

（责任编辑 黄春香）