知识在意义应用中进化能力在探究中提升———以总复习中《示波管的原理》为例*

◎福建省福州市第一中学　林同春

知识在意义应用中进化能力在探究中提升
———以总复习中《示波管的原理》为例*

◎福建省福州市第一中学林同春

把探究性问题（情景）引入复习课是高三物理复习的一种新的尝试，它把复习内容转化为研究性学习的课题，可以提高学生学习的兴趣和主动性，它既能落实对高中物理知识与方法的意义建构，又能提高综合思维能力和创新实践能力。

探究性的问题（情景）；复习资源

产生的背景：

把探究性问题（情景）引入复习课是高三物理复习的一种新的尝试，它把复习内容转化为研究性学习的课题，可以提高学生学习的兴趣和主动性，它既能落实对高中物理知识与方法的意义建构，又能提高综合思维能力和创新实践能力。

纵览当下的高三物理复习，绝大多数教师都能引导学生对知识进行回顾、优化重组、在解题中应用。但很可惜，师生主要精力还是集中在应试训练上，尽管在高考中可取得一点效益，关注了现在时，却丢掉了未来时。就对学生的可持续发展来说，可否在总复习的任务中，多溶入点更宝贵的教学价值——学科素养的提高？总复习过程中，让知识在探究性背景中的意义应用是学生提升能力的一条重要途径，具体的策略是：让知识在探究中应用，意义在应用中理解、在概念间建立联系、重组、进化；在应用中提升高水平的操作行为、建立起整体观和辩证观。

基于上述教育理念，在选修《静电场》这章节总复习中，回顾了电场基本概念之后，为提高学生的综合能力，在《电场的应用》一节复习课中，我引导学生对示波管的原理进行逆向设计的剖析、探究，对电场知识、方法进行整合，感受电场的知识的意义应用，提高高水平的操作行为。

一、《电场的应用》复习课的几个教学片段与教育体会

1.为学生呈现本节课要探究的总体背景

给学生展示如图1、图2，8SJ31J型号的示波管实物和示意图，并提出要探究的主题：示波管的主要工作原理是什么？它怎样在阴极到屏幕之间设置一系列电场，控制电子的运动？由于复习课时的限制，本次复习课主要关注Y向控制极间的偏转电场和第一、二阳极间的（静电透镜）电场。探究的课题是：

①单个电子从阴极出发，如何加速、偏转而到达荧光屏上？

图1

②电子群体如何通过静电透镜？如何把偏转板的信息以直观图形呈现在屏幕上？

学生的现场反应是对示波管实物充满好奇，对教师所提的问题有所迷惑。

体会1：问题的真实性、恰适性易引起学生探索的意愿。

2.结构性的任务与持续性的问题

探究的课题之一：示波器中创设怎样电场，控制带电粒子的运动为感受示波器的核心机理——把偏转板的信息以直观图形呈现在屏幕上，从学生熟悉的Y向偏转电场开始设置问题串。

若YY‘金属板加恒定电压，电子以初速沿平行于金属板方向射入电场，因为做类平抛运动，离开电场时会有一侧移量y，同时速度有偏向角。

若能实现电子以初速沿平行于金属板方向射入电场，离开电场时有一侧移量y，但末速度与初速相同，Y Y‘金属板间应加载怎样的信号电压？针对上述要求，在学生酝酿的基础上，请学生评判几个方案。

方案1.电子以初速v0沿平行于板长为L的金属板方向射入，若从飞入时刻起（t= 0），AB两板所加电压变化规律如图3所示，交变电压周期T应满足什么条件？

师生合作、回顾总结：质点位置的移动看速度对时间的积分（速度-时间图象的面积）；速度的变化看加速度对时间的积分（加速度-时间图象的面积），得出方案1中，交变电压周期T应满足条件是：t=nT（n=1 2 3…），其中t=L/v0。

引导学生进一步讨论：若t=T，电子在下述情形中

i：T/4时刻飞入电场呢？

ⅱ：若板间出现反向电压，电子在某时刻飞入电场呢？

如：7T/8时刻

方案2.电子从飞入时刻起（t=0），AB两板所加电压变化规律如图4所示，交变电压周期T.若电子在板间运动时间t=T，能满足上题要求吗？

图2

图3

图4

体会2：让学生成为智慧的探索者，给学生呈现的问题（或任务）要具备非确定性，利于发挥学生的主观能动性。

体会3：从方案1到方案2、从方波电压到正弦电压、从特殊到一般，遵从布鲁纳的观点：“应从具体的熟悉事例中形成更加概括化的认识和更为深刻的体验”。

②阅读示波管说明书提出生成性的物理问题

给学生呈现出8SJ31J型示波管说明书的部分参数如图5，教师对图5参数进行注解并提出结构性的任务。

探究：该型示波管中，电子的加速电压为1100V、竖直偏转极板允许加的交变电压的频率范围（10Hz耀10MHz），设某电子其初速为零，经加速后，平行进入竖直偏转极板，竖直偏转极板板长约2cm，若极板所加的正弦交变电压频率是10MHz，该电子能否平行极板出来，并有侧移量y？（已知电子的比荷e/m=1.67×1011C/kg；）

教师引导学生分析。

问题1.电子通过竖直偏转极板间，做什么运动？怎样分析？

学生计算：设电子的初速度为零，经加速后获得速度为ν，再求通过竖直偏转极板间的时间t.

图5

小插曲：分析学生的计算过程，师追加问题，电子获取了极大的速度，主要因素是什么？是加速电压吗？引导学生评价，得出结论，显然是小电子有大比荷导致的，这也是电子枪的优势。

电子通过竖直偏转极板间的时间t，由水平分运动得：

问题2.比较电子通过竖直偏转极板间的时间t和交变电压的周期关系。

师：电子通过竖直偏转极板间的时间t和交变电压的最短周期做比较如何？请学生计算

引伸：示波管的核心机理与机遇电压。

问题4.当电子进入竖直偏转极板间时，该时刻板间若存在电压，则电子必然在板间做类平抛运动而偏转。那么，在示波管中电子充当了什么角色？

师引导学生感悟：不同时刻进入竖直偏转极板间的电子，遇上不同的板间信号电压（机遇电压），电子将有对应的不同偏转。电子相当于探测者，带着板间信号电压的信息而打在荧光屏上，这就是示波管的核心机理。偏转极板间信号电压、电子群体、荧光屏三者关系，犹如手、画笔、画布的关系。

体会4：从真实、深刻、持续性问题出发、生成性地应用知识，可提高学生分析问题的能力。用创新的方法开展复习，呈现多要素的问题，处理问题的能力，能够创新的人。困惑和好奇？通过以结构性的任务，从持续性问题出发、生成性地应用，提高学生分析问题和良好的解决问题的能力。相互合作可丰富师生的教育经验。

通过以深刻的问题、合作关系、生成性地应用，点燃和培养创造的、科学的头脑，探究学习、能力本位学习和整合学习。

探究的课题之二：静电透镜探究与设计片段

问题情景1.静电透镜是利用静电场使电子束会聚或发散的一种装置，其中某部分静电场的对称分布（如图6所示）。虚线表示这个静电场在xoy平面内的一簇等势线，等势线形状相对于ox轴、oy轴对称。等势线的电势沿x轴正向增加，且相邻两等势线的电势差相等。若让一个电子经过P点平行ox轴向右射入电场，请判断该静电透镜是起会聚还是发散作用？

教师引导学生综合分析（力对运动方向的改变、力的分解方法、静电场知识）判断出该静电透镜是起会聚作用。

问题探究2.为增强静电透镜的会聚作用的效果，y轴右侧的电场要弱些？还是要强些？

学生拓展分析：如图7所示，y轴右侧的电场要弱些。

图6

图7

问题设计3.为实现对电子束的空间会聚（三维空间），产生该静电场的金属电极应设计成什么形状？

教师引导学生构思（从带电体周围的等势面分布特征分析）并展示构造图。如图8所示：两个口径不等的金属圆筒，开口相对组成。

体会5：探究中有创新设计，给学生呈现多要素的问题，可培养创新的能力。

二、实践与反思

1.应用探究性问题进行复习的意义

应用探究性问题进行复习，能引导学生探讨用什么方法解释和解决问题，更重要的是发展一种态度，即探索新情境的态度，使学生能激发学习动机，主动地参加到学习中去、应用自己的能力，以解决新问题或发现新事物的态度。

2.探究性的问题（情境）的设置与实施的要求

设置可探索的真实性任务，从知识架构、内在本质、逻辑联系线索开始，利于知识的有深度认识。在复习进程的设计上，要呈现整体性的任务，让学生尝试进行问题的解决，在此过程中学生要自己发现完成整体任务所需实现完成的子任务。在探索实践中，要给予结构性的任务，从持续性问题出发，生成性地应用，提高学生分析和解决问题的能力，尤其是创新性能力。

3.受多元智能理论的启发，要具备的观念

学生个体的差异性是一种宝贵的资源；从关注学生，开发学生潜能，促进学生全面发展方面去考虑问题；在探究性问题的呈现中，要体现适恰性、层次性、开放性等。

4.存在问题

①探究性问题（情景）的深度与广度怎样把握？它无法对考点复习的做完全涵盖，该怎么样把握侧重点？

②基础薄弱的学生个体对探究性问题（情景）存在适应性弱的现象，怎么样兼顾学生个体的差异？

③实际问题（情景）的高度综合性与高考渐进性复习的应怎样同步协调？

图8

（责任编辑：詹国荣）

*本文系福建省教育科学规划课题“探究性问题在高考物理复习中的应用与开发”（项目编号：FJJKXB13-149）研究成果。