基于课前学习诊断的教学设计

单英明

摘   要：带电粒子在电场中的运动在现代科学实验和技术设备中有着广泛的应用。文章以“带电粒子在电场中的运动”的教学为例，通过设计问题清单、学生课前自主学习，教师对课前学习情况进行精准诊断，依据诊断结果重新整合教学资源，围绕“解决问题”优化教学过程，在教学设计中以任务驱动方式设计教学过程，通过问题解决促进物理学科核心素养的达成。

关键词：带电粒子;任务驱动;加速;偏转

中图分类号：G633.7 文献标识码：A     文章编号：1003-6148（2020）9-0072-3

1    教学背景分析

1.1    教学内容分析

《普通高中物理课程标准（2017年版）》中對“带电粒子在电场中的运动”的要求是：“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。”2017年版课标直指学科核心素养中的运动和相互作用观念、能量观念以及科学思维中的模型建构，说明带电粒子在电场中的运动已经成为电磁学中的一个核心内容，且本节知识与现代科技联系较多，综合性较强，又有很明显的力学特征。课堂的侧重点应该放在带电粒子在电场中的加速和偏转规律分析，物理模型的建构，特别是“通过类比力学运动规律——构建类平抛模型”的教学上。

1.2    学生情况分析

学生已经学习了牛顿第二定律、动能定理、电场强度、电势差、电场力做功等知识，掌握了解决自由落体运动和平抛运动这两类问题的一般方法，但是对电场知识的综合应用还存在一定难度，运用已有的知识来获取新知识的能力还需进一步提升。

通过诊断学生课前的自主学习，发现学生的前期预习掌握情况如下：

（1）带电粒子重力可以忽略的条件。多数学生能回答出，当所受电场力远大于重力时，粒子的重力可以忽略。

（2）能通过分析、对比，得出初速度为零、不计重力的带电粒子在电场中做什么运动。

（3）多数学生能正确画出带电粒子垂直进入匀强电场，只受电场力作用时的运动轨迹。

（4）能通过类比得出带电粒子垂直进入匀强电场做类似平抛的运动（在课上应让学生经历匀变速直线运动、匀变速曲线运动等理想模型的建构过程，体会物理模型在研究物理问题中的重要作用）。

存在问题主要如下：

（1）部分学生不能很好地解决带电粒子在电场中的加速问题。主要表现为，不能通过类比力学中的自由落体运动规律，总结出带电粒子在电场中加速问题的解决方法。

（2）多数学生对于带电粒子垂直进入匀强电场只受电场力作用下的类平抛运动理解不够深入，主要体现为运动过程分析不清。

（3）多数学生基于现象得出结论并作出解释的能力还需进一步加强。

2    教学目标

2.1    物理观念

（1）学生通过对带电粒子在电场中的运动分析，深化对位移、速度、加速度、合运动与分运动等重要概念的理解，进一步提高关于力与运动关系、做功与能量关系的认识。

（2）学生通过将带电粒子的运动纳入到机械运动体系，建立不同运动形式之间的关联，进一步深化对概念和规律的认识。

（3）能分析和解决带电粒子在电场中运动的实际问题。

2.2    科学思维

（1）经历匀变速直线运动、匀变速曲线运动等理想模型的建构过程（忽略重力），体会物理模型在研究物理问题中的重要作用。

（2）使学生通过研究带电粒子在电场中的加速、偏转，体会物理学中化繁为简（曲线变直线）、等效替代（合成与分解）的研究方法。

2.3    科学探究

通过提出问题、猜想和假设、基于证据得出结论、并对结论作出解释、分析、交流的过程，培养学生科学探究的能力。

2.4    科学态度和责任

通过“带电粒子在电场中的运动”的应用，使学生认识到科学、技术、社会的关系，形成探索自然的内在动力。

3    教学重点和难点

3.1    教学重点

（1）带电粒子在电场中的加速和偏转规律。

（2）物理学中化繁为简（曲线变直线）、等效替代（合成与分解）的研究方法。

3.2    教学难点

带电粒子在电场中的偏转问题。

4    教学过程

任务一：带电粒子加速问题的整合

例1 如图1甲中一个质量为m的小球，只受重力作用，从静止开始运动，下落h高度时，求其速度为多大？

例2 如图1乙所示，在真空中有一对平行金属板，两板间电压为U，两板间距为d，两板间有一个带正电荷q的带电粒子，质量为m，它在电场力的作用下，由静止开始从正极板向负极板运动，到达负极板时的速度有多大？ （不计带电粒子所受重力）

（一）问题导入，师生研讨

师：请大家思考这两个问题，质点所受到的力是否具有相同的特征？如有，它们相同的特征是什么？

生：有，它们相同的特征是都受到大小、方向不变的恒力。

师：请再分析一下，这两个问题中质点的运动特征是否相同？如果相同，那么它们都属于哪一类型的运动？

生：运动特征相同，图1甲中小球自由下落，由于初速度为零，并且只受到重力作用，因而小球做匀加速直线运动（自由落体运动）。通过类比的方法判定，图1乙中初速度为零，不计重力的带电粒子在电场中做匀加速直线运动。

师：通过类比分析不难得出，图1乙中粒子在电场中只受到电场力的作用，并且初速度为零，根据牛顿定律可知，粒子应做匀加速直线运动。

（二）方法迁移，拓展应用

师：它们都在做初速度为零的匀加速直线运动，那么，这两个问题能不能用同一种方法解决呢？

生：可以。

师：请大家用动能定理解决。

（三）教师小结

这两个问题是相通的，同时可以看出，具有相同特征的問题可以用相同或相类似的方法解决。

任务二：带电粒子在电场中的偏转问题的整合

（一）问题导入，师生研讨

例1  图2甲中小球质量为m，以初速度v0水平抛出，落地时水平射程为L，求：

（1）下落高度h为多少？

（2）落地时竖直分速度vy为多大？

（3）末速度方向与初速度方向间的速度偏转角的正切值为多大？

例2 图2乙中一质子质量为m，电量为q，以初速度v0从平行板电容器中央水平射入，平行板长为L，两板间电压为U，板间距为d，（质子重力不计）求：

①质子射出两板间时，沿电场方向的偏移量h为多少？

②射出时质子沿电场方向的分速度vy为多大？

③射出时质子末速度方向与初速度方向间的速度偏转角的正切值为多大？

师：请大家分析这两个问题中质点所受到的力是否具有相同的特征？如有，它们相同的特征是什么？

生：有，它们都受到大小、方向都不变的恒力，且恒力方向都与初速度方向垂直。

师：请大家再分析一下，这两个问题中质点的运动特征是否相同？如果相同，那么它们都属于哪一类型的运动？

生：相同，它们都是在水平方向上有一个初速度，受到与初速度方向垂直的恒力作用，因而做平抛运动或与平抛运动具有相同特征的运动。

师：通过类比分析得出图2乙中初速度不为零、不计重力的带电粒子在电场中做类似平抛的运动。

（二）教师小结

这种运动特征与平抛运动相同的运动，我们一般称为类平抛运动，所以，带电粒子在电场中的偏转运动是一种类平抛运动。

（三）方法迁移，拓展应用

师：根据平抛运动的知识，它们相同或相似的解法是什么？

5    教学反思

本节课以学生课前学习诊断中存在的问题为出发点，围绕学生自学过程中思维上和方法上的困难点，针对性地设计教学过程。

教学中，应注意把课堂还给学生，及时引导学生提出问题，通过小组讨论、交流总结解决问题。在学生积极参与的过程中，发展其解决实际问题的物理学科思维能力和科学探究能力，帮助学生树立科学严谨的态度和责任。

参考文献：

[1]闫金铎，田世昆.中学物理教学概论[M].北京：高等教育出版社，1995：148-158.

[2]张大昌，彭前程.普通高中物理课程标准实验教科书 物理选修 3-1[M].北京：人民教育出版社，2016：33-36.

[3]宣爱东.创新学具和教具突破概念构建难点[J].中学物理教学参考，2019，48（9）：47-49.

[4]丁良峰.定量探究安培力实验装置的创新设计研究[J].物理教师，2019，40（5）：59-62.

（栏目编辑    李富强）