在教學(xué)實(shí)踐中尋找培養(yǎng)學(xué)科核心素養(yǎng)的支點(diǎn)
——以“電容器的電容”為例

吳 敏

(江蘇省常州市第二中學(xué)，江蘇 常州 213003)

“電容器的電容”是一節(jié)概念規(guī)律課,在“核心素養(yǎng)”觀念的引領(lǐng)下,需要考慮如下問(wèn)題,以便能找到準(zhǔn)確的教學(xué)支點(diǎn),有效地培養(yǎng)學(xué)生的核心素養(yǎng): (1) 如何優(yōu)化體驗(yàn)式實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì),創(chuàng)造培養(yǎng)科學(xué)思維的機(jī)會(huì); (2) 如何組織科學(xué)探究、深化科學(xué)思維,促成物理觀念的建立; (3) 如何滲透物理文化,關(guān)注科學(xué)態(tài)度與責(zé)任．圍繞以上這幾個(gè)問(wèn)題,談?wù)劰P者的幾點(diǎn)認(rèn)識(shí)與做法．

1 在電容器的發(fā)明、使用過(guò)程中滲透物理文化,關(guān)注科學(xué)態(tài)度與責(zé)任

電容器的發(fā)明是伴隨著早期電學(xué)實(shí)驗(yàn)的需求而生的,電容器的出現(xiàn),使儲(chǔ)存電荷成為可能,電學(xué)實(shí)驗(yàn)先驅(qū)們不惜冒著生命危險(xiǎn)做各種電學(xué)實(shí)驗(yàn)研究,有的甚至付出了生命的代價(jià),這是非常珍貴的教育資源,也是培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)態(tài)度和責(zé)任的絕佳素材，所以在新課引入、結(jié)束部分是這樣設(shè)計(jì)的.

教學(xué)片段1： 電容器的導(dǎo)入部分.

師:今天的我們正享受著電氣時(shí)代的便捷,但不能忘記電學(xué)研究先驅(qū)們?cè)缙诘奶剿鳎?/p>

圖1

18世紀(jì)初人們已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了摩擦起電,有了摩擦起電機(jī),但麻煩的是起電機(jī)一停止工作、電就逐漸消失了,要是能把“電”裝在一個(gè)容器里,該有多好，如圖1所示.

1845年,萊頓瓶的出現(xiàn)……萊頓瓶的發(fā)明轟動(dòng)了整個(gè)歐洲,如圖2所示.在當(dāng)時(shí)做電的實(shí)驗(yàn)是一件非常時(shí)髦的事情．除了科學(xué)家在做,包括很多的達(dá)官顯貴、普通大眾爭(zhēng)相做實(shí)驗(yàn)、表演．有人用電來(lái)點(diǎn)燃火藥,殺死老鼠等.

圖2

配合演示實(shí)驗(yàn):用400 V,100 μF的電容器點(diǎn)亮220 V的白熾燈,讓導(dǎo)入部分既有語(yǔ)言上的感染也有感官上的真實(shí)體驗(yàn)．

師:各種形式的萊頓瓶當(dāng)今仍然被應(yīng)用于各種電氣設(shè)備中．不過(guò)今天使用的這些儲(chǔ)存電荷的器件,形式更為新穎,尺寸更小,連名字也改了,標(biāo)為電容器．今天我們學(xué)習(xí)電容器及電容器的電容．

教學(xué)片段2:課堂結(jié)束部分.

引發(fā)思考:瘋狂實(shí)驗(yàn)到底發(fā)生了什么?

法國(guó)物理學(xué)家諾萊特在巴黎修道院門前調(diào)集了700名修道士,讓他們手拉手排成一行．隊(duì)伍全長(zhǎng)900in(275m),規(guī)模十分壯觀．法國(guó)國(guó)王路易十五及其皇室成員被邀請(qǐng)觀看．若萊特讓隊(duì)首的修道士拿住萊頓瓶,讓隊(duì)尾的修道士手握萊頓瓶的引線，如圖3所示．當(dāng)萊頓瓶放電時(shí),一瞬間700名修道士全都跳了起來(lái),其滑稽的舉動(dòng)給人留下深刻的印象,也令人深切地感受到了電的力量．

圖3

師:早期的電學(xué)實(shí)驗(yàn)是相當(dāng)危險(xiǎn)的,幾乎所有的電學(xué)家都有遭受雷擊的經(jīng)驗(yàn)．富蘭克林有一次用萊頓瓶放電,準(zhǔn)備電擊殺死一只火雞,不料實(shí)驗(yàn)還未開(kāi)始就碰到了瓶子,結(jié)果當(dāng)場(chǎng)被電擊暈過(guò)去．等他醒來(lái)后說(shuō)了一句非常幽默的話:“好家伙,本想電死一只火雞,結(jié)果差一點(diǎn)電死一個(gè)傻瓜”.今天的我們享受電氣成果的同時(shí),更應(yīng)緬懷那些科學(xué)先驅(qū)們!

2 在體驗(yàn)電容器的工作過(guò)程中創(chuàng)造培養(yǎng)科學(xué)思維的機(jī)會(huì)

圖4

體驗(yàn)式實(shí)驗(yàn)一般用來(lái)對(duì)問(wèn)題作定性研究,強(qiáng)調(diào)學(xué)生的直觀感受．要認(rèn)識(shí)電容器,就要了解電容器充放電的工作過(guò)程,最好的處理手段自然是通過(guò)學(xué)生自己的實(shí)驗(yàn)體驗(yàn)而獲得對(duì)這個(gè)問(wèn)題的認(rèn)知．但這個(gè)體驗(yàn)式實(shí)驗(yàn)如果課前教師把電路搭好,學(xué)生只需機(jī)械地?fù)軗荛_(kāi)關(guān),看看電流表指針的偏轉(zhuǎn)情況,那就錯(cuò)失了培養(yǎng)科學(xué)思維的機(jī)會(huì)．基于這樣的思考,對(duì)課本上的充放電電路做了兩點(diǎn)改進(jìn): (1) 用發(fā)光二極管代替電流表．發(fā)光二極管的單向?qū)ㄌ匦哉媚茱@示充放電時(shí)的電流方向,發(fā)光的這個(gè)特點(diǎn)可以強(qiáng)化視覺(jué)感知; (2) 在充放電電路中分別串入一適當(dāng)阻值的電阻,以延長(zhǎng)充放電的時(shí)間,便于實(shí)驗(yàn)觀察．

教學(xué)片段3:體驗(yàn)電容器的工作過(guò)程.

學(xué)生實(shí)驗(yàn):充電電路如圖4所示.

生:二極管剛才發(fā)光了,但后來(lái)又滅了,我懷疑是接觸有問(wèn)題……我也是觀察到同樣的現(xiàn)象,我的好像也接觸不好……(教室里蠢蠢欲動(dòng)了)

師:個(gè)別接觸不良是可能的,大家都有接觸不良,就得重新思考這個(gè)問(wèn)題了．現(xiàn)在我們先來(lái)想想二極管剛開(kāi)始發(fā)光了,這說(shuō)明什么呢?

生:有電流流過(guò).

師:電流是電荷的定向移動(dòng)產(chǎn)生的.

生:電荷在電路中發(fā)生了定向移動(dòng).

師:能確定電流是沿什么方向?

生:順時(shí)針(比劃著說(shuō)).

師:電荷朝這個(gè)方向的移動(dòng),對(duì)電容器而言結(jié)果是什么呢?

生:電容器儲(chǔ)存了電荷.

師:與電源正極相連的上極板不斷地堆積正電荷,下板聚集了負(fù)電荷．兩板間形成了不斷增大的電場(chǎng)．那怎么電流不能一直持續(xù)呢?

生:會(huì)不會(huì)是電容器的兩板間電壓大了,后來(lái)電流就流不動(dòng)了?

師:我們來(lái)測(cè)下一充電完畢的電容器兩端電壓,發(fā)現(xiàn)電容器兩引腳間的電壓和電源電壓兩者相等．

生:電容器的兩端電壓增大到電源電壓時(shí),就不再充電了．

師:電容器充電結(jié)束．極板帶異種電荷而相互吸引,電荷儲(chǔ)存在電容器,此時(shí),電源的電能轉(zhuǎn)化為電場(chǎng)能儲(chǔ)存在電容器中．

圖5

電容器放電實(shí)驗(yàn)電路如圖5所示,學(xué)生根據(jù)掌握的充電過(guò)程,預(yù)測(cè)并解釋放電過(guò)程的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象．

通過(guò)對(duì)充電過(guò)程的教師和學(xué)生的對(duì)話理答,有意識(shí)地對(duì)學(xué)生的思維進(jìn)行訓(xùn)練,創(chuàng)造機(jī)會(huì)使學(xué)生科學(xué)思維得到鍛煉,課堂積極思考的氛圍也被營(yíng)造起來(lái)了．學(xué)生除了對(duì)電容器的充放電工作過(guò)程有一個(gè)清晰的認(rèn)識(shí),更主要的是在這個(gè)體驗(yàn)的過(guò)程中發(fā)展起來(lái)的.根據(jù)已有的證據(jù)對(duì)問(wèn)題進(jìn)行描述、解釋和預(yù)測(cè)的能力得到了培養(yǎng),提升了科學(xué)思維的能力．

3 在電容概念的建立過(guò)程中形成物理觀念、推進(jìn)科學(xué)探究與思維向縱深發(fā)展

本節(jié)課中電容的這個(gè)核心概念的建立是一個(gè)難點(diǎn),但同時(shí)也是培養(yǎng)學(xué)生核心素養(yǎng)的優(yōu)質(zhì)教學(xué)資源,能很好地提升學(xué)生實(shí)驗(yàn)探究的能力,發(fā)展深度科學(xué)思維的品質(zhì)．

教材中對(duì)“電容”的概念建立是這樣描述的:實(shí)驗(yàn)表明,一個(gè)電容器所帶的電荷量Q與電容器兩極間的電勢(shì)差成正比,比值Q/U是一個(gè)常量．不同的電容器這個(gè)比值一般是不同的,可見(jiàn),這個(gè)比值表征了電容器儲(chǔ)存電荷的特性．倘若課堂上如此建立電容的概念,總感覺(jué)有些蒼白,學(xué)生頭腦中的好些疑慮還沒(méi)真正得到梳理和解答．

疑慮1： 為什么不直接用電容器的帶電量來(lái)表征電容器儲(chǔ)存電荷的本領(lǐng)呢?

疑慮2： “實(shí)驗(yàn)表明”怎么做實(shí)驗(yàn)?zāi)?課堂上能做嗎?

疑慮3： 極板間的電勢(shì)差可以用電壓表測(cè)量,那帶電量Q如何測(cè)量呢?

疑慮4： 為什么Q/U是一個(gè)常量,就可以用這個(gè)比值來(lái)定義電容器的電容．

教學(xué)片段4:電容器的電容.

師:不同的電容器容納電荷本領(lǐng)的大小一般不同,那你想用什么物理量來(lái)表示電容器的儲(chǔ)電本領(lǐng)大小呢?

生:“電荷量Q”(直覺(jué)).

圖6

師:出示演示電容器充放電的電路板，如圖6所示.特別交代電流傳感器的作用,和在I-t圖像上用圖線與時(shí)間軸所謂的面積表示電荷量Q(圖7).

圖7

演示實(shí)驗(yàn):分別用2 V、4 V、6 V給電容器充電,利用DIS實(shí)驗(yàn)完成電荷量的數(shù)據(jù),填入Excel表格(圖8),引導(dǎo)學(xué)生提煉電荷量與電壓之間的關(guān)系.

生:電壓越大,帶電荷量越大．

圖8

圖9

師:進(jìn)一步確認(rèn)關(guān)系:利用Excel中圖像,發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)點(diǎn)是過(guò)原點(diǎn)的直線(圖9).

圖10

生:同一個(gè)電容器,帶電量與充電電壓成正比(數(shù)學(xué)上學(xué)過(guò)).

師:其他的電容器也有這樣的特性嗎?繼續(xù)實(shí)驗(yàn)同樣的方法得出電容器2的數(shù)據(jù)，如圖10、圖11所示.

圖11

圖12

師:把電容器1、2的數(shù)據(jù)畫在同一個(gè)坐標(biāo)系中,發(fā)現(xiàn)是兩條不同的直線,(圖12)引導(dǎo)學(xué)生比較:哪只電容器的儲(chǔ)電本領(lǐng)大?

生:在相同的電壓下,例如: 2 V電壓,電容器1的帶電荷量3.349 mC,電容器2的帶電荷量1.711 mC所以電容器1的帶電荷量多,所以電容器1的儲(chǔ)電本領(lǐng)強(qiáng)．

師:現(xiàn)在大家覺(jué)得要比較電容器儲(chǔ)存電荷的本領(lǐng)大小是用電荷量Q表示,還是用相同電壓下的電荷量表示?對(duì)!即應(yīng)該用單位電壓下的帶電荷量來(lái)比較,這才是公平的較量.

通過(guò)直觀的演示實(shí)驗(yàn)探究,一步步來(lái)消除前概念的影響,帶電荷量是隨著電壓在變化的,不能簡(jiǎn)單地用帶電荷量來(lái)表征儲(chǔ)電本領(lǐng)．通過(guò)兩個(gè)不同電容器的比較測(cè)量,借助真實(shí)數(shù)據(jù),學(xué)生自覺(jué)建立起比較電容器儲(chǔ)電本領(lǐng)的大小時(shí)需要在相同的電壓下比較帶電荷量,或者用相同的帶電荷量比電壓(理性的思考)．而不是簡(jiǎn)單得出Q/U是一個(gè)定值后,直接給出電容的定義式．這種在教師的引導(dǎo)下逐漸自主建構(gòu)電容概念的教學(xué),能幫助學(xué)生領(lǐng)會(huì)概念的內(nèi)涵,體會(huì)物理學(xué)在描述大小、強(qiáng)弱時(shí)慣用的科學(xué)思維方式．

本課另一塊重要的教學(xué)內(nèi)容 “探究平行板電容器的決定因素”是一個(gè)典型的通過(guò)實(shí)驗(yàn)探究獲得規(guī)律認(rèn)知的教學(xué)素材,在這個(gè)過(guò)程中包含著實(shí)驗(yàn)探究的一般步驟、思考模式和對(duì)結(jié)論的處理方式．這段教學(xué)要做到就是讓學(xué)生經(jīng)歷的是真探究,避免課堂表面上熱鬧,讓真探究、深思維、自然促成清晰的物理規(guī)律．

教學(xué)片段5： 探究平行板電容器的決定因素.

環(huán)節(jié)1： 提出猜想.

猜想是探究活動(dòng)的重要環(huán)節(jié),而假設(shè)猜想是在一定的現(xiàn)象和有關(guān)理論的基礎(chǔ)上提出來(lái)的,不能漫無(wú)目的地瞎猜．此處如何避免不著邊際地猜想呢?教師要引導(dǎo)學(xué)生根據(jù)現(xiàn)象或概念理論提出自己的猜想．

師:彼此絕緣又相互靠近的導(dǎo)體就組成了電容器,結(jié)合實(shí)物演示:不一樣大的銅板、鋁板．理解平行板中間絕緣物是空氣．那電容器概念中的“靠近”是什么意思?

生:可以這樣叫靠近,適當(dāng)拉開(kāi)些也能認(rèn)為是靠近吧,“靠近”指的是距離.

師:能說(shuō)得具體些嗎?哪里的距離?

生:兩板間的距離．

師:大家可以先猜一猜,影響平行板電容器的電容有哪些因素?

學(xué)生根據(jù)教師提供的“不一樣大的兩塊銅板、兩塊鋁板”直覺(jué)猜測(cè)相關(guān)影響因素有:面積(不一樣大),極板的材料(銅、鋁),中間的絕緣物(空氣),還有認(rèn)識(shí)到的“靠近”(板間距離)．

環(huán)節(jié)2： 展現(xiàn)驗(yàn)證環(huán)節(jié)之前的邏輯性.

在猜測(cè)環(huán)節(jié)后發(fā)現(xiàn)有這么多的影響因素,實(shí)驗(yàn)當(dāng)然采用“控制變量法”即只改變d， 只改變S，插入電介質(zhì),但這樣就進(jìn)入實(shí)驗(yàn)論證環(huán)節(jié)是突兀的．這里還有一個(gè)問(wèn)題要引發(fā)學(xué)生思考清楚:如何判斷電容器的電容變化?

師:通過(guò)什么方法可以判定電容變大,或變小呢?

師:對(duì),式子中的電壓U容易觀測(cè)的,要是控制Q不變,通過(guò)電壓的變化,就可以得出電容C的變化．帶電荷量Q怎樣才會(huì)不變呢?

生:充好電后不放電.

師:好主意,充好電的電容器和電源斷開(kāi),正負(fù)電荷相互吸引,儲(chǔ)存在兩板上．

教師邊講邊做,避免空洞教學(xué)．兩板間的電勢(shì)差可以通過(guò)靜電計(jì)來(lái)反映．連接靜電計(jì)和兩極板,通過(guò)導(dǎo)線連接電勢(shì)相等的知識(shí)理解:一板和金屬球等勢(shì),另一板與靜電計(jì)的外殼等勢(shì),這樣兩板間的電勢(shì)差就可以通過(guò)靜電計(jì)的指針張角來(lái)反映．指針偏角越大,表示電勢(shì)差越大．

圖13

環(huán)節(jié)3： 實(shí)驗(yàn)探究.

用起電機(jī)讓極板帶上一定量的電荷,斷開(kāi)和起電機(jī)間的導(dǎo)線,使板上電荷量Q一定．分別改變距離(圖13),正對(duì)面積(圖14)、插入拔出紙張(圖15)．記錄實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象,交流討論自己的結(jié)論．

圖14

圖15

環(huán)節(jié)4： 科學(xué)探究后交流討論.

除了這個(gè)實(shí)驗(yàn)本身觀察到的現(xiàn)象之外,學(xué)生發(fā)現(xiàn)做這個(gè)實(shí)驗(yàn)時(shí)還有一些“奇怪”的操作,做實(shí)驗(yàn)時(shí)是為什么還架著浴霸燈在烤實(shí)驗(yàn)器材?在實(shí)驗(yàn)桌上為什么還墊了泡沫板?實(shí)驗(yàn)前為什么用紙巾擦手?等等.

這些看似與本實(shí)驗(yàn)結(jié)論無(wú)關(guān)的問(wèn)題恰好反映了學(xué)生的探索欲,這種可貴的精神,切不可抹殺掉．若干年之后,學(xué)生或許不記得平行板電容的決定式了,但在實(shí)驗(yàn)探究過(guò)程中用到的控制變量的方法,為了控制某個(gè)變量所做的努力,必將終生難忘吧．

上述實(shí)驗(yàn)探究教學(xué)中,學(xué)生遷移相關(guān)物理觀點(diǎn)、思想和方法到新的問(wèn)題情境中,并作出新的應(yīng)用．如猜測(cè)電容與什么因素有關(guān),采用控制變量法設(shè)計(jì)方案,通過(guò)邏輯推理來(lái)得到判斷電容變化的依據(jù).這些必將有利于物理觀念的形成,掌握科學(xué)探究問(wèn)題的方法,推進(jìn)科學(xué)思維向縱深發(fā)展．

結(jié)束語(yǔ):本節(jié)課從課前設(shè)計(jì)到課堂實(shí)施始終圍繞著追尋學(xué)科核心素養(yǎng)的培養(yǎng)來(lái)展開(kāi),抓住電容器的電容特有的教學(xué)資源,找到其中的關(guān)鍵點(diǎn)、支撐點(diǎn),合理設(shè)計(jì)和使用,培養(yǎng)學(xué)生物理觀念、科學(xué)思維、科學(xué)探究、態(tài)度和責(zé)任等要素的協(xié)同發(fā)展．

參考文獻(xiàn)：

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