巧設(shè)科學(xué)史主線 凸顯概念教學(xué)的“來(lái)龍去脈”

居津

摘? ? 要：在物理概念教學(xué)中，教師應(yīng)抓住概念的特點(diǎn)，設(shè)置如“概念由來(lái)的科學(xué)史”等相關(guān)教學(xué)主線進(jìn)行教學(xué)，讓學(xué)生明白概念的來(lái)龍去脈，以便于正確引導(dǎo)學(xué)生理解概念、應(yīng)用概念，從而促進(jìn)學(xué)生物理觀念的形成，達(dá)到培養(yǎng)學(xué)生學(xué)科核心素養(yǎng)的目的.

關(guān)鍵詞：科學(xué)史;概念教學(xué);認(rèn)知過(guò)程;物理觀念

一、問(wèn)題的提出

《普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版）》明確提出：“高中物理教學(xué)應(yīng)體現(xiàn)出物理學(xué)科的本質(zhì)，從物理觀念、科學(xué)思維、科學(xué)探究、科學(xué)態(tài)度與責(zé)任等方面提煉學(xué)科育人價(jià)值，充分體現(xiàn)出物理學(xué)科對(duì)提高學(xué)生核心素養(yǎng)的獨(dú)特作用，為學(xué)生終身發(fā)展、應(yīng)對(duì)現(xiàn)代和未來(lái)社會(huì)發(fā)展的挑戰(zhàn)打下基礎(chǔ)”[1].物理觀念的形成和發(fā)展需要學(xué)生通過(guò)物理概念、物理規(guī)律等內(nèi)容的學(xué)習(xí)及運(yùn)用才能逐步形成.學(xué)習(xí)概念和規(guī)律是學(xué)生形成物理觀念的有機(jī)組成部分.可見(jiàn)物理概念的教學(xué)在教學(xué)中至關(guān)重要，因此在概念教學(xué)中，需要教師巧設(shè)教學(xué)主線，幫助學(xué)生建立認(rèn)識(shí)概念的認(rèn)知過(guò)程，以達(dá)到更好地理解概念、應(yīng)用概念的目標(biāo)，從而促進(jìn)物理觀念的形成和發(fā)展.筆者嘗試以“電容器的電容”一課為例，闡述在教學(xué)中如何以科學(xué)史為主線，幫助學(xué)生建立“電容器的電容”的相關(guān)概念.

二、教學(xué)實(shí)踐展示及評(píng)析

人教版高中物理3-1電容器是靜電場(chǎng)章節(jié)中重要的內(nèi)容，在日常生產(chǎn)生活中應(yīng)用也十分普遍.因此本節(jié)內(nèi)容多被選為評(píng)優(yōu)課比賽課題或優(yōu)質(zhì)課展示課題.本節(jié)課的重、難點(diǎn)是電容器電容概念的介紹，平行板電容器決定因素的探究.要讓學(xué)生真正理解電容器的電容這個(gè)概念，必須讓學(xué)生知道電容器發(fā)明過(guò)程的“來(lái)龍去脈”，只有這樣才符合學(xué)生的認(rèn)知過(guò)程，才能讓學(xué)生更好地理解電容器的概念.因此，筆者設(shè)計(jì)了本節(jié)課的教學(xué)邏輯主線，如圖1.

（一）巧借科學(xué)故事引入，解決“電容器從而何來(lái)”的認(rèn)知困惑

本教學(xué)環(huán)節(jié)流程如圖2所示.

師：大約在公元前6世紀(jì)，希臘學(xué)者泰勒斯記錄了磁石吸鐵和摩擦后的琥珀吸引輕小物體的現(xiàn)象;東漢初期（公元1世紀(jì)）東漢思想家王充在《論衡》中也提到“頓牟掇芥”;16世紀(jì)末英國(guó)科學(xué)家威廉·吉爾伯特首次提出了“電”的概念;1660年，當(dāng)時(shí)普魯士馬德堡市市長(zhǎng)蓋里克發(fā)明了第一臺(tái)摩擦起電機(jī)，很快就引發(fā)了電學(xué)實(shí)驗(yàn)的熱潮.

師：科學(xué)家不斷地進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)了一個(gè)很?chē)?yán)重的問(wèn)題：摩擦起電產(chǎn)生的電量有限，且無(wú)法有效地保存.

師：直到1746年，荷蘭萊頓大學(xué)教授穆欣布羅克在做電學(xué)實(shí)驗(yàn)時(shí)，無(wú)意中把一枚帶了電的釘子掉進(jìn)玻璃瓶里，他以為要不了多久，鐵釘上所帶的電就會(huì)跑掉，過(guò)了一會(huì)，他想把釘子取出來(lái)，可當(dāng)他一只手拿起桌上的瓶子，另一只手剛碰到釘子時(shí)，突然感到有一種電擊式的振動(dòng).這到底是鐵釘上的電沒(méi)有跑掉還是自己神經(jīng)太敏感了呢？于是他又照著剛才的樣子重復(fù)了好幾次，每次實(shí)驗(yàn)結(jié)果都一樣，于是他非常高興地得到一個(gè)結(jié)論：把帶電的物體放在玻璃瓶子里，電就不會(huì)跑掉，這樣就可以把電儲(chǔ)存起來(lái).因此我們把這個(gè)最早的可以儲(chǔ)存電荷的容器叫萊頓瓶.

師：老師這里也制作了一個(gè)簡(jiǎn)易的萊頓瓶（圖3），哪位大膽的同學(xué)愿意來(lái)體驗(yàn)一下穆欣布羅克教授當(dāng)時(shí)觸電的感覺(jué)？（學(xué)生體驗(yàn)萊頓瓶帶電的感覺(jué)）

環(huán)節(jié)評(píng)析：概念教學(xué)核心問(wèn)題是為什么要學(xué)習(xí)這個(gè)概念，利用科學(xué)發(fā)展史邊帶領(lǐng)學(xué)生做小實(shí)驗(yàn)，邊講述科學(xué)小故事，引入本課題，可以解決學(xué)生“電容器從何而來(lái)”的認(rèn)知困惑，符合學(xué)生的認(rèn)知規(guī)律，同時(shí)可以引發(fā)學(xué)生的好奇心和求知欲，為“電容器的電容”的概念學(xué)習(xí)做好鋪墊！

（二）追隨科學(xué)發(fā)展歷程，建立“電容器本領(lǐng)大小”的核心概念

本教學(xué)環(huán)節(jié)流程如圖4所示.

師：請(qǐng)大家仔細(xì)觀察萊頓瓶的結(jié)構(gòu)，說(shuō)明這個(gè)儲(chǔ)存電荷容器的構(gòu)造（圖5）.

生觀察總結(jié)：兩個(gè)彼此絕緣又相距很近的導(dǎo)體（極板）和一層絕緣介質(zhì)（電介質(zhì)）構(gòu)成.

師介紹電容器的命名、用途和符號(hào).

師：電容器如何儲(chǔ)存電荷呢？請(qǐng)大家仔細(xì)觀察電容器的充放電實(shí)驗(yàn)，并總結(jié)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象.

演示實(shí)驗(yàn)：利用發(fā)光二極管演示電容器的充放電過(guò)程（電路如圖6）.

生1：電容器充放電過(guò)程中，電流方向相反.

生2：電容器只有在充電和放電過(guò)程中才有電流，充電完畢和放電完畢后，電路中沒(méi)有電流.

生3：充電時(shí)，其他形式的能轉(zhuǎn)化為電場(chǎng)能;放電時(shí)，電場(chǎng)能轉(zhuǎn)化為其他形式的能.

師：某極板的電荷量的絕對(duì)值即為電容器帶電量Q，兩極板間的電勢(shì)差為U.

師：萊頓瓶的發(fā)明使物理學(xué)第一次有辦法得到很多電荷，并對(duì)其性質(zhì)進(jìn)行研究.法國(guó)人諾萊特在巴黎一座大教堂前讓七百名修道士手拉手排成一行，讓排頭的修道士用手握住萊頓瓶，讓排尾的握住瓶的引線，一瞬間，七百名修道士因受到電擊幾乎同時(shí)跳起來(lái)，在場(chǎng)的人無(wú)不為之目瞪口呆.富蘭克林用綢子做了一個(gè)大風(fēng)箏，在風(fēng)箏上安裝了一根尖細(xì)的鐵絲，用來(lái)捉電，并用麻繩將這根鐵絲相連，麻繩的末端拴一把銅鑰匙，鑰匙塞在萊頓瓶中間，他和兒子一起將風(fēng)箏放飛到空中，一陣?yán)纂姶蛳聛?lái)，富蘭克林頓時(shí)感到一陣電麻，他用這種方法給萊頓瓶進(jìn)行充電，并證明了天電與地電的一致性.

師：從上述小故事我們發(fā)現(xiàn)，不同的萊頓瓶（電容器）儲(chǔ)存電荷的本領(lǐng)不同，請(qǐng)大家猜想電容器儲(chǔ)存電荷的本領(lǐng)大小與什么有關(guān)？

引導(dǎo)演示實(shí)驗(yàn)1：觀察同一電源給不同規(guī)格的電容充電后，電容器的放電現(xiàn)象.

生：不同的電容儲(chǔ)存電荷的本領(lǐng)不同，由電容器本身決定.

引導(dǎo)演示實(shí)驗(yàn)2：觀察不同電源給同一規(guī)格的電容充電后，電容器的放電現(xiàn)象.

生：電容儲(chǔ)存的電量和兩極板間的電勢(shì)差有關(guān).

生猜想1：電容器儲(chǔ)存電荷本領(lǐng)與電荷量Q的大小有關(guān).

生猜想2：電容器儲(chǔ)存電荷本領(lǐng)與單位電壓U儲(chǔ)存的電荷量Q的大小有關(guān).

……

師引導(dǎo)學(xué)生將電容器與水容器進(jìn)行類(lèi)比.

實(shí)驗(yàn)探究：電容器儲(chǔ)存電荷的本領(lǐng)大小.

師：如何測(cè)量電荷量Q？

生：作I-t圖象，用面積表示電容器的電荷量Q.

師：利用電流傳感器可以作出I-t圖象，并利用積分功能可以求出電荷量Q的大?。娐啡鐖D7），得到I-t圖象如圖8.

多次實(shí)驗(yàn)并記錄實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)（見(jiàn)表1），用Excel作出電容器帶電量和兩極板電壓關(guān)系圖象，如圖9所示.

師：通過(guò)實(shí)驗(yàn)我們發(fā)現(xiàn)，可以用電容器帶電量和極板間電壓的比值來(lái)表示電容器儲(chǔ)存電荷本領(lǐng)的大小.用表達(dá)式C=[QU]來(lái)表示.這是一種比值定義法，這個(gè)比值我們稱(chēng)之為電容（C）.它的單位是法拉（F）.

環(huán)節(jié)評(píng)析：電容概念的教學(xué)是本節(jié)課的重點(diǎn)，也是難點(diǎn).此教學(xué)環(huán)節(jié)中，筆者借助物理學(xué)史，將電容器的充放電娓娓道來(lái)，并通過(guò)演示實(shí)驗(yàn)引導(dǎo)學(xué)生猜想電容器容納電荷本領(lǐng)大小的表示方法，利用傳感器的先進(jìn)技術(shù)將比值定義法通過(guò)真實(shí)的數(shù)據(jù)計(jì)算展示給學(xué)生，讓學(xué)生真正理解電容的物理意義和定義方法.

（三）親歷科學(xué)探究過(guò)程，滿足“制作大容量電容器”的求知欲望

本教學(xué)環(huán)節(jié)流程如圖10所示.

師：我們已經(jīng)知道電容可以用來(lái)表示電容器容納電荷本領(lǐng)的大小.那電容器的電容究竟與哪些因素有關(guān)呢？我們從最簡(jiǎn)單的平行板電容器入手進(jìn)行研究.

生1：與平行板的兩極板面積有關(guān).

生2：與平行板兩極板間距有關(guān).

生3：與平行板材料有關(guān).

生4：與平行板間電介質(zhì)有關(guān).

……

師：我們知道電容器的電容表示電容器儲(chǔ)存電荷的本領(lǐng)，與水桶儲(chǔ)水本領(lǐng)類(lèi)似，那么水桶的儲(chǔ)水本領(lǐng)與做水桶的材料有關(guān)嗎？

生：無(wú)關(guān).

師：所以電容器的電容與兩極板的材料無(wú)關(guān).

師：如果兩塊平行板的面積不一樣大，電容大小可能由哪塊極板決定呢？

生：小的那塊.

師：所以，影響平行板電容器電容大小的因素可能是極板的正對(duì)面積而不是極板面積.

師：我們分三個(gè)小組來(lái)定量探究平行板電容器的影響因素.

分組實(shí)驗(yàn)器材：數(shù)字電容表（圖11）、鋁箔膠帶（圖12）、pad鋼化膜.

平行板電容器的制作：將鋁箔膠帶剪成完全相同的兩張，分別粘貼在鋼化膜正反兩面，即做成一個(gè)簡(jiǎn)易的平行板電容器（圖13）.

【分組實(shí)驗(yàn)一】探究平行板電容器電容與正對(duì)面積的關(guān)系

實(shí)驗(yàn)操作步驟大致如下：①將兩條鋁箔膠帶平整地粘貼在同一鋼化膜兩面的指定位置.②數(shù)字電容表調(diào)零，將數(shù)字表紅黑表筆分別與兩鋁箔緊密接觸，待讀數(shù)穩(wěn)定后，記錄數(shù)據(jù)到相應(yīng)的表格中.③在兩面鋁箔對(duì)應(yīng)位置每次分別裁剪下鋁箔膠帶的1/5（如圖14），以達(dá)到減小正對(duì)面積的目的.④多次測(cè)量記錄數(shù)據(jù).

分組實(shí)驗(yàn)一數(shù)據(jù)記錄與處理如表2、圖15所示.

分組實(shí)驗(yàn)一結(jié)論：平行板電容器電容與兩極板正對(duì)面積成正比.

【分組實(shí)驗(yàn)二】探究平行板電容器電容與間距的關(guān)系

實(shí)驗(yàn)操作步驟大致如下：①將兩條鋁箔膠帶分別平整地粘貼在不同的兩張鋼化膜兩面的指定位置（如圖16）.②對(duì)準(zhǔn)鋁箔位置，將兩塊鋼化膜緊密地貼合在一起.③數(shù)字電容表調(diào)零，測(cè)量簡(jiǎn)易平行板電容器的電容并記錄數(shù)據(jù).④在兩鋼化膜之間插入一張鋼化膜，重復(fù)上述步驟.⑤多次測(cè)量并記錄數(shù)據(jù).

分組實(shí)驗(yàn)二數(shù)據(jù)記錄與處理如表3、圖17所示.

分組實(shí)驗(yàn)二結(jié)論：平行板電容器電容與兩極板間距倒數(shù)成正比.

【分組實(shí)驗(yàn)三】探究平行板電容器電容與電介質(zhì)的關(guān)系

實(shí)驗(yàn)操作：可將兩張完全相同的鋁箔紙對(duì)稱(chēng)粘貼在厚度相同的不同電介質(zhì)（如陶瓷、玻璃、石蠟、云母等）兩側(cè)，用數(shù)字電容表測(cè)量不同電介質(zhì)的平行板電容器電容.

分組實(shí)驗(yàn)三結(jié)論：平行板電容器電容與電介質(zhì)有關(guān).

環(huán)節(jié)評(píng)析：本教學(xué)環(huán)節(jié)設(shè)計(jì)利用簡(jiǎn)單易取的實(shí)驗(yàn)儀器定量探究平行板電容器電容與影響因素的關(guān)系，由學(xué)生猜想后自己動(dòng)手操作，便于全體學(xué)生進(jìn)行觀察，調(diào)動(dòng)學(xué)生學(xué)習(xí)物理的興趣和課堂積極性，通過(guò)動(dòng)手實(shí)驗(yàn)培養(yǎng)學(xué)生的觀察能力和動(dòng)手操作能力.本實(shí)驗(yàn)對(duì)操作要求較低，容易理解，學(xué)生較易掌握操作要領(lǐng)，可以在較短時(shí)間內(nèi)完成實(shí)驗(yàn)，大大提高對(duì)平行板電容器電容決定式的理解和課堂效率！

（四）回歸實(shí)際生產(chǎn)生活，實(shí)現(xiàn)“電容器現(xiàn)實(shí)問(wèn)題”的遷移應(yīng)用

本教學(xué)環(huán)節(jié)流程如圖18所示.

師：電子制作中需要用到各種各樣的電容器，在不同的電路中起著不同的作用.在電子線路中，電容用來(lái)通過(guò)交流電而阻隔直流電，也用來(lái)存儲(chǔ)和釋放電荷以充當(dāng)濾波器，平滑輸出脈動(dòng)信號(hào).小容量的電容，通常在高頻電路中使用，如收音機(jī)、發(fā)射機(jī)和振蕩器中.大容量的電容往往是用于濾波和存儲(chǔ)電荷.但是電容器的使用也有很多問(wèn)題.

演示切斷電源后，電容器放電產(chǎn)生電火花.

師：大家在使用電容器的過(guò)程中一定要注意安全.

師：如何利用電容器儲(chǔ)存更多的電荷已經(jīng)成為一個(gè)世界級(jí)難題，也許在座的各位在今天初步接觸的基礎(chǔ)上，將來(lái)會(huì)進(jìn)入這個(gè)方面的研究，進(jìn)而解決這個(gè)世界級(jí)難題.

環(huán)節(jié)評(píng)析：物理觀念的形成和發(fā)展需要通過(guò)學(xué)生對(duì)概念的應(yīng)用才能逐步形成，本環(huán)節(jié)設(shè)計(jì)引導(dǎo)學(xué)生能靈活應(yīng)用所學(xué)的物理知識(shí)解決實(shí)際問(wèn)題，有效指導(dǎo)工作和生活實(shí)踐.故本教學(xué)環(huán)節(jié)是整節(jié)課的提煉與升華，對(duì)于學(xué)生建立物理觀念，培訓(xùn)學(xué)生的學(xué)科核心素養(yǎng)，起到畫(huà)龍點(diǎn)睛的作用.

三、教學(xué)反思

教學(xué)過(guò)程的進(jìn)行應(yīng)符合學(xué)生的認(rèn)知過(guò)程，學(xué)生的認(rèn)知可以分為以下幾個(gè)基本階段：①產(chǎn)生學(xué)習(xí)動(dòng)機(jī);②領(lǐng)會(huì)知識(shí);③鞏固知識(shí);④運(yùn)用知識(shí).本節(jié)課筆者將科學(xué)史作為教學(xué)主線，讓學(xué)生明白電容器概念的由來(lái)，進(jìn)而順理成章地進(jìn)行了電容器電容概念的學(xué)習(xí)，并在概念學(xué)習(xí)過(guò)程中穿插科學(xué)探究，將理論探究與實(shí)驗(yàn)探究相結(jié)合.最后將本概念回歸實(shí)際應(yīng)用進(jìn)行升華與提升，以達(dá)到發(fā)展學(xué)生物理觀念，培養(yǎng)學(xué)科核心素養(yǎng)的教學(xué)目標(biāo).本課的教授符合物理概念教學(xué)特點(diǎn)，同時(shí)凸顯了知識(shí)框架，使概念教學(xué)、學(xué)生認(rèn)知、培養(yǎng)學(xué)生學(xué)科核心素養(yǎng)融為一體.[□][◢]

參考文獻(xiàn)：

[1]中華人民共和國(guó)教育部.普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版）[M].北京：人民教育出版社，2018： 2.