基于學習進階理論的高中物理靜電場單元作業設計

喻正娥 高思棋 李紅梅 馮 潔

（云南師范大學物理與電子信息學院，云南 昆明 650500）

新一輪教育深化改革注重中小學校作業的育人功能，2019 年6 月教育部相關部門發布了《關于新時代推進普通高中育人方式改革的指導意見》等文件指出，學校要設計優質作業，需精心設計基礎性作業、適當增加作業的探究性、實踐性和綜合性，從而提高教學質量。［1］這就需要教師注重單元內容連貫性和漸進性，為學生設計不同層次水平的單元作業，從而為學生的學習搭建臺階。

一、學習進階研究及其特征要素

目前，潘夢萍、戴維等不少學者研究了作業設計，而要使單元作業設計能夠培養學生的核心素養，以學習進階為基礎進行單元作業設計是一條有效途徑。學習進階是對學生在一段很長時間跨度內學習和探究某一主題時，依次進階、逐漸深入的思維方式的描述。［2］學者姚建欣、郭玉英團隊把學習進階本土化，她們把學習進階的時間跨度縮短［3-5］，圍繞核心概念的發展軌跡，在復雜程度和知識整合的理論基礎上，提出了科學概念理解發展的層級模型，其中科學概念理解發展的層級模型包括經驗、映射、關聯、系統和整合五個層級。［4］學者張穎之從“學習進階”本質特征和追溯分析其理論來源，則把學習進階的特征要素分為：學習目標、進階變量、成就水平、學習表現和評價五個要素。［6］

本研究借此基于學習進階理論，依據普通高中物理課程標準，運用單元概念整合的思想，考慮學生的認知水平差異，設計靜電場的單元進階作業。

二、單元作業設計思路

（一）單元概念層級分析

本文依據《普通高中物理課程標準（2017 年版2020 年修訂）》確立了靜電場的單元子概念［7］、結合學者張玉峰對靜電場單元概念學習進階的分析［8］和學習進階模型［9］設計出單元概念層級圖。（如圖1）該圖是對學生預期的概念“升階”的描述，圖中將單元概念劃分不同梯度層次，為單元整體的作業設計指引方向。

圖1 單元概念層級圖

（二）單元作業層級分析

教師設計作業以單元為基本單位，依據一定的學習目的，重組、改編完善或自主開發等多種形式形成作業的設計。［10］本文研究依托學習進階框架，以“局部細化—整體設計”的思路對靜電場單元作業進行進階設計。首先，結合知識難度、廣度、深度和學生的認知發展規律，以單元概念整體規劃單元作業進階框架；其次，以學生的預期學習水平為依據，為每一道題設計進階起點和進階終點，同時重視各個小概念之間的關系；最后單元概念漸進式的進階，從多角度設計漸進式的問題串，最終趨向于深度理解靜電場大概念的要求。依據郭玉英團隊提出的科學概念層級模型，設計出單元作業水平層級圖。（如圖2）

（三）單元作業設計案例

進階目標是在基于課程標準要求的前提下，結合教材知識內容邏輯結構，細化設計，對作業設計起到引領性。本文結合圖1 和圖2 把靜電場單元作業的進階起點設置為電荷一節的內容，進階變量為電荷、庫侖定律、電場強度、靜電力做功、電勢能、電勢和電勢差，升階的關鍵點是電場強度和電勢，把靜電場的應用與防止、電容與電容器和帶電粒子在電場中運動設置為靜電場單元作業的終結點，并根據圖2 的單元作業層級圖設置五個層級的靜電場單元作業，每一層級作業涉及概念、思維、能力和態度四個方面，以此多維度地培養學生高階思維和關鍵能力。

圖2 單元作業層級圖

【層級作業1】

目標：觀察摩擦起電、感應起電實驗，能用原子微觀結構模型和電荷守恒定律解釋靜電現象。

［改編］如圖所示3，用金屬箔做成一個不帶電的圓環，放在干燥的絕緣桌面上。小明用絕緣材料做的筆套與毛皮摩擦后，將筆套自上而下慢慢靠近圓環，當距離約為0.5cm 圓環被吸引到筆套上。針對以上現象判斷與分析問題，如下：

（1）解釋筆套與毛皮摩擦后筆套帶電的原因；

（2）將筆套自上而下慢慢靠近圓環，為什么在距離約為0.5cm 圓環才被吸引到筆套上；

（3）筆套接觸金屬圓環一段時間后，筆套和金屬圓環帶電情況怎么樣；

（4）小組合作，制作一個簡易驗電器，描述使用驗電器檢測物體是否帶電及帶電量的大小。

圖3

設計意圖:電荷處于單元概念的經驗層級，是學習靜電場內容的基礎。電荷守恒定律是電荷的核心概念，因此圍繞電荷守恒定律設計電荷的作業。本作業依據教材內容從原子微觀結構解釋摩擦起電、感應起電和接觸起電三種起電方式設計，最終能夠理解電荷起電只是電荷轉移并沒有與外界系統交換，其代數和保持不變。用書面解釋靜電現象，是為了培養學生學會用科學地語言解釋物理現象的意識。第四個問題設計的意圖是讓學生意識到合作的重要性，且鍛煉其動手操作的能力。

【層級作業2】

目標:會解決庫侖力參與力學的問題。

［改編］如圖4 所示，在光滑絕緣水平面上放置3個電荷量均為q（q＞0）的相同小球，小球之間用勁度系數均為k0的輕質彈簧絕緣連接。當3 個小球處在靜止狀態時，每根彈簧長度為l。已知靜電力常量為k，若不考慮彈簧的靜電感應，求：

圖4

（1）選擇研究對象，分析其所受的力；

（2）計算每根彈簧原長的大小。

設計意圖：庫侖定律處于單元的映射層級，是對電荷的相互作用理解的升階。庫侖定律是靜電力的核心概念，因此圍繞庫侖定律設計靜電力的作業。依據庫侖定律與平衡力有著密切的聯系，因此本題涉及庫侖定律、胡克定律與平衡力條件的知識，通過設計研究力學問題的程序，以幫助學生回顧之前的知識和正確理解運用庫侖定律解決問題為前提，考查學生的理解和綜合分析的能力。

【層級作業3】

目標：理解電場線的特點，掌握計算電場強度的疊加方法。

［改編］帶正電荷的小球A 和B（可近似看成點電荷）固定于距離為L 的兩個點，電荷量均為+Q，若M、N為電場中的兩點，有一點電荷從M 運動到N（不計重力），運動軌跡如圖5 所示。求:

圖5

（1）判斷點電荷的電性及畫出Q 點受力的方向；

（2）把一電子從A 與B 小球的中垂線上的P 點靜止釋放，分析電子在P 點到C 點運動過程中加速度如何變化；

（3）如圖所示6，若有一均勻圓環所帶電荷也為+Q，半徑為R，圓心為O，D 點為垂直于圓環平面的對稱軸上的一點，OD=L，試求D 點的電場強度。

設計意圖：電場強度處于單元的關聯層級，是靜電場力的性質的描述，也是單元概念升階的關鍵點之一。電場強度是靜電場力的性質的核心概念，因此圍繞電場強度設計電場、電場強度的作業。本作業設計從分析電場線與帶電粒子在電場中運動的特點、計算電場強度和電場力出發，訓練學生分析問題的能力和疊加和對稱的思維。

圖6

【層級作業4】

目標：理解電場線與等勢面的關系，掌握電場力、電場強度、靜電力做功、電勢能、電勢和電勢六個電場的物理量之間的關系。

［原創］（1）不同角度設計靜電場六個物理量之間的關系的思維導圖。

［改編］（2）生活中處處運用靜電噴涂，其工作原理是把靜電噴涂的噴槍接到高電壓的負極，工件接高電壓的正極并接地，噴槍的端部與工件在高電壓作用下形成了一個靜電場，其靜電場的電場線和等勢線分布如圖7 所示。虛線MPN 是一個點電荷在該電場中的運動軌跡，軌跡與某等勢面相切于P 點。下列說法正確的是（ ）

圖7

A.正負電荷連線的中垂線是一個等勢面

B.A 點的電場強度比B 點大

C.A 點的電勢高于B 點的電勢

D.點電荷運動到P 點時動能最小

設計意圖：電場力、電場強度、靜電力做功、電勢能、電勢和電勢差六個物理量建構單元的系統層級。由于靜電場單元下的物理量繁多復雜，學生難以理解之間的邏輯關系，因此本作業設計首先讓學生構思六個物理量之間關系的思維導圖，厘清之間存在的關系；再以電場線和等勢面的關系為背景設計六個物理量組成系統習題，培養學生抽象思維和分析解決問題的能力。

【層級作業5】

作業目標：了解靜電場在生產和生活中的利用與防止。

［選編］下列有關生產、生活中應用的分析，解釋以下幾種現象：

（1）如圖8 所示，在燃氣灶和燃氣熱水器中，常常安裝電子點火器，把其接通電子線路時產生高電壓，通過高壓放電的電火花來點燃氣體，點火器的放電電極是釘尖形，與其相反的是靜電器的金屬桿上端卻固定一個金屬球而不做成針尖狀，解釋其原因。

圖8

（2）電力工人創造了具有世界先進水平的超高壓帶電作業法。如圖9 所示，在超高壓輸電線周圍存在強電場，電力工人靠近輸電線有危險，電力工人需采取哪些保護措施；

圖9

（3）運用靜電現象的相關知識，充分利用身邊資源，小組合作設計簡單的靜電除塵器，并寫設計方案。

設計意圖：本作業處于單元作業的融合層級，學生基于電場的核心概念整合電荷守恒、電荷的相互作用、靜電平衡等科學概念，綜合分析生產、生活和科技方面的靜電現象，啟發學生發現、觀察生活和關注科學技術，了解到靜電在生產中運用的價值，使學生樹立科學價值觀。

【層級作業6】

目標：通過電容器的充、放過程，觀察電流表和電壓表變化情況學會用圖表描述；理解平行板電容器的動態情況。

［選編］（1）在“觀察電容器的充、放電現象”實驗中，如圖10 所示是實物圖抽象化的電路圖。單刀雙擲開關S 原來跟2 相接，從t=0 開始，開關改接1，得到流過電路中P 點的電流隨時間變化的I-t 圖像（下圖甲）和電容器兩極板的電勢差UAB隨時間變化的圖像（下圖乙）。當t=2s 時，把開關改接2，請在I-t 圖像和UAB-t圖像中大致畫出之后2 至4s 內的圖像（4s 時充電完畢）。

圖10

甲圖

乙圖

［原題］（2）如圖11 所示，一平行板電容器充電后與電源斷開，負極板接地，兩板間有一個正檢驗電荷固定在P 點，如圖所示，以C 表示電容器的電容、E 表示兩板間的場強、φ 表示P 點的電勢，Ep 表示正電荷在P 點的電勢能，若正極板保持不動，將負極板緩慢向右平移一小段距離lo的過程中，下列關于各物理量與負極板移動距離x 的關系圖象中正確的是（ ）

圖11

［原創］（3）根據所學電容和電容器知識，查閱資料，小組合作制作簡易的臺燈。

設計意圖：電容器與電容知識處于單元的融合層級，本作業基于靜電場的知識邏輯融合電場強度、電勢能、電勢差、電容器和電容等科學概念，要求學生定量定性描述電容器充電放過程中電流和電壓變化情況，體會能量的轉移和轉化；通過圖像分析電容器的電容、電場強度、電勢、電勢能的動態變化問題，促進學會用圖像將復雜的物體問題具體化、形象化，體會化難為易的思想；鼓勵學生結合所學的知識，動手制作簡易臺燈，刺激學生學會用物理知識于生產、生活中的意識。

【層級作業7】

目標：會計算帶電粒子在電場中運動的復雜問題。

［改編］CRT 顯示器主要由陰極射線管組成，可用在醫學、軍用、航天和模擬電視機的系統等領域。CRT 顯示器的基本構造如圖12 所示，高速電子是通過電壓調節電子槍發射的，經過垂直和水平的偏轉電場控制高速電子的偏轉角度，最后高速電子轟擊屏幕上的磷光物質使其發光，形成明暗不同的光點，光點組合形成各種圖案和文字。如圖13 所示是CRT 顯示器原理簡化圖，陰極發射電子e 經過電壓為U1的加速電場后，以一定的初速V0從金屬板A、B 間的中心線進入偏轉電場，電子剛好從A 板邊緣射出打在熒光屏中。金屬板A、B 間電壓為U2，金屬板為長為l，相距為d，A板邊緣到熒光屏的距離為L。求：

圖12

圖13

（1）電子剛好射出A 板時沿垂直板面方向偏移的距離y；

（2）電子離開偏轉電場的速度偏轉角θ；

（3）電子打在熒光屏時總偏移量Y。

設計意圖：帶電粒子在靜電場中運用處于單元的融合層級，本作業基于相互作用觀和能量觀整合速度、位移、偏轉角、電場力做功、電場力等科學概念，培養學生思考復雜問題的能力，啟發學生將物理知識應用到生產、生活中。

三、結語

學習進階理論下的單元作業不僅需要與單元概念邏輯結構相一致，而且要充分考慮學生認知水平的差異，按照單元概念梯度進行設計，使學生在作業中實現四個方面的“升階”，從而提升自身的素養水平。本文的單元作業設計從學習進階的角度梳理靜電場的單元概念層級，設計并呈現出靜電場的單元層次作業，為一線教師提供更加高效可靠的作業設計路徑。