喻正娥 高思棋 李紅梅 馮 潔

（云南師范大學(xué)物理與電子信息學(xué)院，云南 昆明 650500）

新一輪教育深化改革注重中小學(xué)校作業(yè)的育人功能，2019 年6 月教育部相關(guān)部門(mén)發(fā)布了《關(guān)于新時(shí)代推進(jìn)普通高中育人方式改革的指導(dǎo)意見(jiàn)》等文件指出，學(xué)校要設(shè)計(jì)優(yōu)質(zhì)作業(yè)，需精心設(shè)計(jì)基礎(chǔ)性作業(yè)、適當(dāng)增加作業(yè)的探究性、實(shí)踐性和綜合性，從而提高教學(xué)質(zhì)量。［1］這就需要教師注重單元內(nèi)容連貫性和漸進(jìn)性，為學(xué)生設(shè)計(jì)不同層次水平的單元作業(yè)，從而為學(xué)生的學(xué)習(xí)搭建臺(tái)階。

一、學(xué)習(xí)進(jìn)階研究及其特征要素

目前，潘夢(mèng)萍、戴維等不少學(xué)者研究了作業(yè)設(shè)計(jì)，而要使單元作業(yè)設(shè)計(jì)能夠培養(yǎng)學(xué)生的核心素養(yǎng)，以學(xué)習(xí)進(jìn)階為基礎(chǔ)進(jìn)行單元作業(yè)設(shè)計(jì)是一條有效途徑。學(xué)習(xí)進(jìn)階是對(duì)學(xué)生在一段很長(zhǎng)時(shí)間跨度內(nèi)學(xué)習(xí)和探究某一主題時(shí)，依次進(jìn)階、逐漸深入的思維方式的描述。［2］學(xué)者姚建欣、郭玉英團(tuán)隊(duì)把學(xué)習(xí)進(jìn)階本土化，她們把學(xué)習(xí)進(jìn)階的時(shí)間跨度縮短［3-5］，圍繞核心概念的發(fā)展軌跡，在復(fù)雜程度和知識(shí)整合的理論基礎(chǔ)上，提出了科學(xué)概念理解發(fā)展的層級(jí)模型，其中科學(xué)概念理解發(fā)展的層級(jí)模型包括經(jīng)驗(yàn)、映射、關(guān)聯(lián)、系統(tǒng)和整合五個(gè)層級(jí)。［4］學(xué)者張穎之從“學(xué)習(xí)進(jìn)階”本質(zhì)特征和追溯分析其理論來(lái)源，則把學(xué)習(xí)進(jìn)階的特征要素分為：學(xué)習(xí)目標(biāo)、進(jìn)階變量、成就水平、學(xué)習(xí)表現(xiàn)和評(píng)價(jià)五個(gè)要素。［6］

本研究借此基于學(xué)習(xí)進(jìn)階理論，依據(jù)普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)，運(yùn)用單元概念整合的思想，考慮學(xué)生的認(rèn)知水平差異，設(shè)計(jì)靜電場(chǎng)的單元進(jìn)階作業(yè)。

二、單元作業(yè)設(shè)計(jì)思路

（一）單元概念層級(jí)分析

本文依據(jù)《普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)（2017 年版2020 年修訂）》確立了靜電場(chǎng)的單元子概念［7］、結(jié)合學(xué)者張玉峰對(duì)靜電場(chǎng)單元概念學(xué)習(xí)進(jìn)階的分析［8］和學(xué)習(xí)進(jìn)階模型［9］設(shè)計(jì)出單元概念層級(jí)圖。（如圖1）該圖是對(duì)學(xué)生預(yù)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(yè)設(shè)計(jì)指引方向。

圖1 單元概念層級(jí)圖

（二）單元作業(yè)層級(jí)分析

教師設(shè)計(jì)作業(yè)以單元為基本單位，依據(jù)一定的學(xué)習(xí)目的，重組、改編完善或自主開(kāi)發(fā)等多種形式形成作業(yè)的設(shè)計(jì)。［10］本文研究依托學(xué)習(xí)進(jìn)階框架，以“局部細(xì)化—整體設(shè)計(jì)”的思路對(duì)靜電場(chǎng)單元作業(yè)進(jìn)行進(jìn)階設(shè)計(jì)。首先，結(jié)合知識(shí)難度、廣度、深度和學(xué)生的認(rèn)知發(fā)展規(guī)律，以單元概念整體規(guī)劃單元作業(yè)進(jìn)階框架；其次，以學(xué)生的預(yù)期學(xué)習(xí)水平為依據(jù)，為每一道題設(shè)計(jì)進(jìn)階起點(diǎn)和進(jìn)階終點(diǎn)，同時(shí)重視各個(gè)小概念之間的關(guān)系；最后單元概念漸進(jìn)式的進(jìn)階，從多角度設(shè)計(jì)漸進(jìn)式的問(wèn)題串，最終趨向于深度理解靜電場(chǎng)大概念的要求。依據(jù)郭玉英團(tuán)隊(duì)提出的科學(xué)概念層級(jí)模型，設(shè)計(jì)出單元作業(yè)水平層級(jí)圖。（如圖2）

（三）單元作業(yè)設(shè)計(jì)案例

進(jìn)階目標(biāo)是在基于課程標(biāo)準(zhǔn)要求的前提下，結(jié)合教材知識(shí)內(nèi)容邏輯結(jié)構(gòu)，細(xì)化設(shè)計(jì)，對(duì)作業(yè)設(shè)計(jì)起到引領(lǐng)性。本文結(jié)合圖1 和圖2 把靜電場(chǎng)單元作業(yè)的進(jìn)階起點(diǎn)設(shè)置為電荷一節(jié)的內(nèi)容，進(jìn)階變量為電荷、庫(kù)侖定律、電場(chǎng)強(qiáng)度、靜電力做功、電勢(shì)能、電勢(shì)和電勢(shì)差，升階的關(guān)鍵點(diǎn)是電場(chǎng)強(qiáng)度和電勢(shì)，把靜電場(chǎng)的應(yīng)用與防止、電容與電容器和帶電粒子在電場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)設(shè)置為靜電場(chǎng)單元作業(yè)的終結(jié)點(diǎn)，并根據(jù)圖2 的單元作業(yè)層級(jí)圖設(shè)置五個(gè)層級(jí)的靜電場(chǎng)單元作業(yè)，每一層級(jí)作業(yè)涉及概念、思維、能力和態(tài)度四個(gè)方面，以此多維度地培養(yǎng)學(xué)生高階思維和關(guān)鍵能力。

圖2 單元作業(yè)層級(jí)圖

【層級(jí)作業(yè)1】

目標(biāo)：觀察摩擦起電、感應(yīng)起電實(shí)驗(yàn)，能用原子微觀結(jié)構(gòu)模型和電荷守恒定律解釋靜電現(xiàn)象。

［改編］如圖所示3，用金屬箔做成一個(gè)不帶電的圓環(huán)，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(huán)，當(dāng)距離約為0.5cm 圓環(huán)被吸引到筆套上。針對(duì)以上現(xiàn)象判斷與分析問(wèn)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(huán)，為什么在距離約為0.5cm 圓環(huán)才被吸引到筆套上；

（3）筆套接觸金屬圓環(huán)一段時(shí)間后，筆套和金屬圓環(huán)帶電情況怎么樣；

（4）小組合作，制作一個(gè)簡(jiǎn)易驗(yàn)電器，描述使用驗(yàn)電器檢測(cè)物體是否帶電及帶電量的大小。

圖3

設(shè)計(jì)意圖:電荷處于單元概念的經(jīng)驗(yàn)層級(jí)，是學(xué)習(xí)靜電場(chǎng)內(nèi)容的基礎(chǔ)。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(shè)計(jì)電荷的作業(yè)。本作業(yè)依據(jù)教材內(nèi)容從原子微觀結(jié)構(gòu)解釋摩擦起電、感應(yīng)起電和接觸起電三種起電方式設(shè)計(jì)，最終能夠理解電荷起電只是電荷轉(zhuǎn)移并沒(méi)有與外界系統(tǒng)交換，其代數(shù)和保持不變。用書(shū)面解釋靜電現(xiàn)象，是為了培養(yǎng)學(xué)生學(xué)會(huì)用科學(xué)地語(yǔ)言解釋物理現(xiàn)象的意識(shí)。第四個(gè)問(wèn)題設(shè)計(jì)的意圖是讓學(xué)生意識(shí)到合作的重要性，且鍛煉其動(dòng)手操作的能力。

【層級(jí)作業(yè)2】

目標(biāo):會(huì)解決庫(kù)侖力參與力學(xué)的問(wèn)題。

［改編］如圖4 所示，在光滑絕緣水平面上放置3個(gè)電荷量均為q（q＞0）的相同小球，小球之間用勁度系數(shù)均為k0的輕質(zhì)彈簧絕緣連接。當(dāng)3 個(gè)小球處在靜止?fàn)顟B(tài)時(shí)，每根彈簧長(zhǎng)度為l。已知靜電力常量為k，若不考慮彈簧的靜電感應(yīng)，求：

圖4

（1）選擇研究對(duì)象，分析其所受的力；

（2）計(jì)算每根彈簧原長(zhǎng)的大小。

設(shè)計(jì)意圖：庫(kù)侖定律處于單元的映射層級(jí)，是對(duì)電荷的相互作用理解的升階。庫(kù)侖定律是靜電力的核心概念，因此圍繞庫(kù)侖定律設(shè)計(jì)靜電力的作業(yè)。依據(jù)庫(kù)侖定律與平衡力有著密切的聯(lián)系，因此本題涉及庫(kù)侖定律、胡克定律與平衡力條件的知識(shí)，通過(guò)設(shè)計(jì)研究力學(xué)問(wèn)題的程序，以幫助學(xué)生回顧之前的知識(shí)和正確理解運(yùn)用庫(kù)侖定律解決問(wèn)題為前提，考查學(xué)生的理解和綜合分析的能力。

【層級(jí)作業(yè)3】

目標(biāo)：理解電場(chǎng)線(xiàn)的特點(diǎn)，掌握計(jì)算電場(chǎng)強(qiáng)度的疊加方法。

［改編］帶正電荷的小球A 和B（可近似看成點(diǎn)電荷）固定于距離為L(zhǎng) 的兩個(gè)點(diǎn)，電荷量均為+Q，若M、N為電場(chǎng)中的兩點(diǎn)，有一點(diǎn)電荷從M 運(yùn)動(dòng)到N（不計(jì)重力），運(yùn)動(dòng)軌跡如圖5 所示。求:

圖5

（1）判斷點(diǎn)電荷的電性及畫(huà)出Q 點(diǎn)受力的方向；

（2）把一電子從A 與B 小球的中垂線(xiàn)上的P 點(diǎn)靜止釋放，分析電子在P 點(diǎn)到C 點(diǎn)運(yùn)動(dòng)過(guò)程中加速度如何變化；

（3）如圖所示6，若有一均勻圓環(huán)所帶電荷也為+Q，半徑為R，圓心為O，D 點(diǎn)為垂直于圓環(huán)平面的對(duì)稱(chēng)軸上的一點(diǎn)，OD=L，試求D 點(diǎn)的電場(chǎng)強(qiáng)度。

設(shè)計(jì)意圖：電場(chǎng)強(qiáng)度處于單元的關(guān)聯(lián)層級(jí)，是靜電場(chǎng)力的性質(zhì)的描述，也是單元概念升階的關(guān)鍵點(diǎn)之一。電場(chǎng)強(qiáng)度是靜電場(chǎng)力的性質(zhì)的核心概念，因此圍繞電場(chǎng)強(qiáng)度設(shè)計(jì)電場(chǎng)、電場(chǎng)強(qiáng)度的作業(yè)。本作業(yè)設(shè)計(jì)從分析電場(chǎng)線(xiàn)與帶電粒子在電場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)的特點(diǎn)、計(jì)算電場(chǎng)強(qiáng)度和電場(chǎng)力出發(fā)，訓(xùn)練學(xué)生分析問(wèn)題的能力和疊加和對(duì)稱(chēng)的思維。

圖6

【層級(jí)作業(yè)4】

目標(biāo)：理解電場(chǎng)線(xiàn)與等勢(shì)面的關(guān)系，掌握電場(chǎng)力、電場(chǎng)強(qiáng)度、靜電力做功、電勢(shì)能、電勢(shì)和電勢(shì)六個(gè)電場(chǎng)的物理量之間的關(guān)系。

［原創(chuàng)］（1）不同角度設(shè)計(jì)靜電場(chǎng)六個(gè)物理量之間的關(guān)系的思維導(dǎo)圖。

［改編］（2）生活中處處運(yùn)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(fù)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(gè)靜電場(chǎng)，其靜電場(chǎng)的電場(chǎng)線(xiàn)和等勢(shì)線(xiàn)分布如圖7 所示。虛線(xiàn)MPN 是一個(gè)點(diǎn)電荷在該電場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)軌跡，軌跡與某等勢(shì)面相切于P 點(diǎn)。下列說(shuō)法正確的是（ ）

圖7

A.正負(fù)電荷連線(xiàn)的中垂線(xiàn)是一個(gè)等勢(shì)面

B.A 點(diǎn)的電場(chǎng)強(qiáng)度比B 點(diǎn)大

C.A 點(diǎn)的電勢(shì)高于B 點(diǎn)的電勢(shì)

D.點(diǎn)電荷運(yùn)動(dòng)到P 點(diǎn)時(shí)動(dòng)能最小

設(shè)計(jì)意圖：電場(chǎng)力、電場(chǎng)強(qiáng)度、靜電力做功、電勢(shì)能、電勢(shì)和電勢(shì)差六個(gè)物理量建構(gòu)單元的系統(tǒng)層級(jí)。由于靜電場(chǎng)單元下的物理量繁多復(fù)雜，學(xué)生難以理解之間的邏輯關(guān)系，因此本作業(yè)設(shè)計(jì)首先讓學(xué)生構(gòu)思六個(gè)物理量之間關(guān)系的思維導(dǎo)圖，厘清之間存在的關(guān)系；再以電場(chǎng)線(xiàn)和等勢(shì)面的關(guān)系為背景設(shè)計(jì)六個(gè)物理量組成系統(tǒng)習(xí)題，培養(yǎng)學(xué)生抽象思維和分析解決問(wèn)題的能力。

【層級(jí)作業(yè)5】

作業(yè)目標(biāo)：了解靜電場(chǎng)在生產(chǎn)和生活中的利用與防止。

［選編］下列有關(guān)生產(chǎn)、生活中應(yīng)用的分析，解釋以下幾種現(xiàn)象：

（1）如圖8 所示，在燃?xì)庠詈腿細(xì)鉄崴髦?，常常安裝電子點(diǎn)火器，把其接通電子線(xiàn)路時(shí)產(chǎn)生高電壓，通過(guò)高壓放電的電火花來(lái)點(diǎn)燃?xì)怏w，點(diǎn)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(gè)金屬球而不做成針尖狀，解釋其原因。

圖8

（2）電力工人創(chuàng)造了具有世界先進(jìn)水平的超高壓帶電作業(yè)法。如圖9 所示，在超高壓輸電線(xiàn)周?chē)嬖趶?qiáng)電場(chǎng)，電力工人靠近輸電線(xiàn)有危險(xiǎn)，電力工人需采取哪些保護(hù)措施；

圖9

（3）運(yùn)用靜電現(xiàn)象的相關(guān)知識(shí)，充分利用身邊資源，小組合作設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單的靜電除塵器，并寫(xiě)設(shè)計(jì)方案。

設(shè)計(jì)意圖：本作業(yè)處于單元作業(yè)的融合層級(jí)，學(xué)生基于電場(chǎng)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(xué)概念，綜合分析生產(chǎn)、生活和科技方面的靜電現(xiàn)象，啟發(fā)學(xué)生發(fā)現(xiàn)、觀察生活和關(guān)注科學(xué)技術(shù)，了解到靜電在生產(chǎn)中運(yùn)用的價(jià)值，使學(xué)生樹(shù)立科學(xué)價(jià)值觀。

【層級(jí)作業(yè)6】

目標(biāo)：通過(guò)電容器的充、放過(guò)程，觀察電流表和電壓表變化情況學(xué)會(huì)用圖表描述；理解平行板電容器的動(dòng)態(tài)情況。

［選編］（1）在“觀察電容器的充、放電現(xiàn)象”實(shí)驗(yàn)中，如圖10 所示是實(shí)物圖抽象化的電路圖。單刀雙擲開(kāi)關(guān)S 原來(lái)跟2 相接，從t=0 開(kāi)始，開(kāi)關(guān)改接1，得到流過(guò)電路中P 點(diǎn)的電流隨時(shí)間變化的I-t 圖像（下圖甲）和電容器兩極板的電勢(shì)差UAB隨時(shí)間變化的圖像（下圖乙）。當(dāng)t=2s 時(shí)，把開(kāi)關(guān)改接2，請(qǐng)?jiān)贗-t 圖像和UAB-t圖像中大致畫(huà)出之后2 至4s 內(nèi)的圖像（4s 時(shí)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(kāi)，負(fù)極板接地，兩板間有一個(gè)正檢驗(yàn)電荷固定在P 點(diǎn)，如圖所示，以C 表示電容器的電容、E 表示兩板間的場(chǎng)強(qiáng)、φ 表示P 點(diǎn)的電勢(shì)，Ep 表示正電荷在P 點(diǎn)的電勢(shì)能，若正極板保持不動(dòng)，將負(fù)極板緩慢向右平移一小段距離lo的過(guò)程中，下列關(guān)于各物理量與負(fù)極板移動(dòng)距離x 的關(guān)系圖象中正確的是（ ）

圖11

［原創(chuàng)］（3）根據(jù)所學(xué)電容和電容器知識(shí)，查閱資料，小組合作制作簡(jiǎn)易的臺(tái)燈。

設(shè)計(jì)意圖：電容器與電容知識(shí)處于單元的融合層級(jí)，本作業(yè)基于靜電場(chǎng)的知識(shí)邏輯融合電場(chǎng)強(qiáng)度、電勢(shì)能、電勢(shì)差、電容器和電容等科學(xué)概念，要求學(xué)生定量定性描述電容器充電放過(guò)程中電流和電壓變化情況，體會(huì)能量的轉(zhuǎn)移和轉(zhuǎn)化；通過(guò)圖像分析電容器的電容、電場(chǎng)強(qiáng)度、電勢(shì)、電勢(shì)能的動(dòng)態(tài)變化問(wèn)題，促進(jìn)學(xué)會(huì)用圖像將復(fù)雜的物體問(wèn)題具體化、形象化，體會(huì)化難為易的思想；鼓勵(lì)學(xué)生結(jié)合所學(xué)的知識(shí)，動(dòng)手制作簡(jiǎn)易臺(tái)燈，刺激學(xué)生學(xué)會(huì)用物理知識(shí)于生產(chǎn)、生活中的意識(shí)。

【層級(jí)作業(yè)7】

目標(biāo)：會(huì)計(jì)算帶電粒子在電場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)的復(fù)雜問(wèn)題。

［改編］CRT 顯示器主要由陰極射線(xiàn)管組成，可用在醫(yī)學(xué)、軍用、航天和模擬電視機(jī)的系統(tǒng)等領(lǐng)域。CRT 顯示器的基本構(gòu)造如圖12 所示，高速電子是通過(guò)電壓調(diào)節(jié)電子槍發(fā)射的，經(jīng)過(guò)垂直和水平的偏轉(zhuǎn)電場(chǎng)控制高速電子的偏轉(zhuǎn)角度，最后高速電子轟擊屏幕上的磷光物質(zhì)使其發(fā)光，形成明暗不同的光點(diǎn)，光點(diǎn)組合形成各種圖案和文字。如圖13 所示是CRT 顯示器原理簡(jiǎn)化圖，陰極發(fā)射電子e 經(jīng)過(guò)電壓為U1的加速電場(chǎng)后，以一定的初速V0從金屬板A、B 間的中心線(xiàn)進(jìn)入偏轉(zhuǎn)電場(chǎng)，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(zhǎng)為l，相距為d，A板邊緣到熒光屏的距離為L(zhǎng)。求：

圖12

圖13

（1）電子剛好射出A 板時(shí)沿垂直板面方向偏移的距離y；

（2）電子離開(kāi)偏轉(zhuǎn)電場(chǎng)的速度偏轉(zhuǎn)角θ；

（3）電子打在熒光屏?xí)r總偏移量Y。

設(shè)計(jì)意圖：帶電粒子在靜電場(chǎng)中運(yùn)用處于單元的融合層級(jí)，本作業(yè)基于相互作用觀和能量觀整合速度、位移、偏轉(zhuǎn)角、電場(chǎng)力做功、電場(chǎng)力等科學(xué)概念，培養(yǎng)學(xué)生思考復(fù)雜問(wèn)題的能力，啟發(fā)學(xué)生將物理知識(shí)應(yīng)用到生產(chǎn)、生活中。

三、結(jié)語(yǔ)

學(xué)習(xí)進(jìn)階理論下的單元作業(yè)不僅需要與單元概念邏輯結(jié)構(gòu)相一致，而且要充分考慮學(xué)生認(rèn)知水平的差異，按照單元概念梯度進(jìn)行設(shè)計(jì)，使學(xué)生在作業(yè)中實(shí)現(xiàn)四個(gè)方面的“升階”，從而提升自身的素養(yǎng)水平。本文的單元作業(yè)設(shè)計(jì)從學(xué)習(xí)進(jìn)階的角度梳理靜電場(chǎng)的單元概念層級(jí)，設(shè)計(jì)并呈現(xiàn)出靜電場(chǎng)的單元層次作業(yè)，為一線(xiàn)教師提供更加高效可靠的作業(yè)設(shè)計(jì)路徑。