構(gòu)建實(shí)驗(yàn)鏈　促學(xué)生學(xué)習(xí)進(jìn)階

俞蒼

摘? ?要：以“電容器 電容”一課的教學(xué)為例，探討如何在課堂教學(xué)過程中應(yīng)用學(xué)習(xí)進(jìn)階理論整合多樣化實(shí)驗(yàn)資源，搭建基于學(xué)生視角的實(shí)驗(yàn)鏈，從而構(gòu)建知識(shí)邏輯主線，讓學(xué)生在多樣的課堂活動(dòng)中實(shí)現(xiàn)思維的“有效進(jìn)階”，發(fā)展學(xué)生的物理學(xué)科核心素養(yǎng)。

關(guān)鍵詞：物理實(shí)驗(yàn);電容器;電容;思維進(jìn)階

1? 構(gòu)建實(shí)驗(yàn)鏈促學(xué)生學(xué)習(xí)進(jìn)階的分析

根據(jù)美國國家研究理事會(huì)的研究，“學(xué)習(xí)進(jìn)階”就是對(duì)學(xué)生持續(xù)并不斷深化的思維模式進(jìn)行的一個(gè)假設(shè)性的描述。在特定的時(shí)間段內(nèi)，學(xué)生對(duì)某個(gè)知識(shí)領(lǐng)域進(jìn)行學(xué)習(xí)和實(shí)踐的過程中體現(xiàn)出的思維方式不斷深化和提高[ 1 ]。從這一概念可以看出學(xué)生的學(xué)習(xí)活動(dòng)其實(shí)是一個(gè)不斷積累、進(jìn)步的過程。任何知識(shí)點(diǎn)的學(xué)習(xí)都不是一蹴而就的，學(xué)習(xí)知識(shí)的過程就是一個(gè)螺旋上升的過程。有中間水平也有飛速上升期，其中的中間水平為“階”，正是多個(gè)連貫的“階”將學(xué)習(xí)的起點(diǎn)與終點(diǎn)連接起來，形成一個(gè)學(xué)習(xí)進(jìn)階過程。

物理是一門以實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)的學(xué)科，不同的實(shí)驗(yàn)服務(wù)于不同的目標(biāo)、采取的實(shí)驗(yàn)方案也不同、實(shí)驗(yàn)操作有難有易，對(duì)精準(zhǔn)度要求也不同。在中學(xué)物理學(xué)科教學(xué)活動(dòng)中，怎樣把各類形式的實(shí)驗(yàn)進(jìn)行科學(xué)合理的整合，形成一個(gè)實(shí)驗(yàn)鏈，讓學(xué)習(xí)過程能夠從感性層面進(jìn)階到理性層面，從具體實(shí)驗(yàn)操作進(jìn)階到抽象理論認(rèn)識(shí)，進(jìn)而形成正確的物理觀念，學(xué)習(xí)目標(biāo)的達(dá)成。筆者以省級(jí)公開課“電容器 電容”為例，結(jié)合幾個(gè)教學(xué)片斷，探討實(shí)驗(yàn)鏈的設(shè)計(jì)及其在促學(xué)生學(xué)習(xí)進(jìn)階教學(xué)實(shí)踐中的應(yīng)用。

高二的學(xué)生已經(jīng)學(xué)習(xí)各種起電形式及起電原理、電荷守恒和庫侖定律、電場、電勢(shì)，但對(duì)于電荷儲(chǔ)放電子元件--電容器，在生活中也沒什么接觸。而且電容器電容的定義屬于比較抽象的物理概念。為了讓大部分學(xué)生能夠更好地掌握這方面的知識(shí)，可以將那些比較直觀感性的知識(shí)點(diǎn)作為切入口，諸如電容器的結(jié)構(gòu)、電荷儲(chǔ)存工作、放電過程等，將它們作為進(jìn)階起點(diǎn)。在此基礎(chǔ)上引導(dǎo)學(xué)生學(xué)會(huì)用比值法去理解并掌握電容器電容的相關(guān)知識(shí)。熟悉電容器在電子領(lǐng)域的作用，對(duì)科學(xué)技術(shù)與社會(huì)生產(chǎn)之間的關(guān)系有一個(gè)全面客觀的新認(rèn)識(shí)。所以，進(jìn)階要達(dá)到的最終效果就是學(xué)習(xí)者能夠融會(huì)貫通，靈活地使用物理知識(shí)，體會(huì)物理在實(shí)際生活中的廣泛應(yīng)用，真正做到學(xué)以致用。教學(xué)過程中，教師應(yīng)該科學(xué)地設(shè)置進(jìn)階點(diǎn)，連續(xù)兩個(gè)進(jìn)階層之間知識(shí)難度系數(shù)不能相差過大，但是也不能沒有差距。差距太大，會(huì)增加學(xué)生的挫敗感，打擊學(xué)生學(xué)習(xí)熱情;差距太小，雖然可以維持已有的學(xué)習(xí)狀態(tài)和進(jìn)程，但會(huì)影響學(xué)生的求知欲，不利于學(xué)生思維能力的提高[ 2 ]。筆者在“電容器 電容”教學(xué)中設(shè)定好的教學(xué)進(jìn)階點(diǎn)，科學(xué)地開展實(shí)驗(yàn)活動(dòng)，構(gòu)建出一個(gè)實(shí)驗(yàn)鏈以促進(jìn)學(xué)生的進(jìn)階學(xué)習(xí)，知識(shí)邏輯主線如圖1中的流程所示。

2? 構(gòu)建實(shí)驗(yàn)鏈促學(xué)生學(xué)習(xí)進(jìn)階的教學(xué)實(shí)踐

2.1? 設(shè)疑激趣——?jiǎng)?chuàng)設(shè)建構(gòu)新學(xué)習(xí)情景

根據(jù)現(xiàn)代心理學(xué)的研究結(jié)論，個(gè)體的日常行為都有其特定的動(dòng)機(jī)，而動(dòng)機(jī)又是在相應(yīng)的情境中產(chǎn)生的。因此在物理教學(xué)中，老師應(yīng)結(jié)合教學(xué)內(nèi)容，創(chuàng)設(shè)可以調(diào)動(dòng)學(xué)生參與性的實(shí)驗(yàn)體驗(yàn)，促使學(xué)生產(chǎn)生積極的學(xué)習(xí)情感。

情景引入：教師展示兩個(gè)金屬碗并擊打發(fā)出“砰”……聲響，同時(shí)提出問題，金屬碗可用來裝什么？

學(xué)生：可裝飯，裝水……，教師：今天讓它裝一種看不見摸不著的東西。

學(xué)生：學(xué)生一臉疑惑？

激趣實(shí)驗(yàn)：教師用感應(yīng)起電機(jī)讓兩金屬碗帶上電。

學(xué)生活動(dòng)：邀請(qǐng)一名學(xué)生上臺(tái)，讓學(xué)生用兩手指分別接觸兩金屬碗，學(xué)生有被觸電的感覺（學(xué)生陳述感覺）

教師：說明裝電了。

教師拿起碗說明碗是導(dǎo)體，塑料膜是絕緣體，繼續(xù)問這樣的裝置為什么可以裝電荷？

（學(xué)生思考，提問學(xué)生）

學(xué)生：兩金屬碗不導(dǎo)通，正負(fù)電荷彼此吸引，靠引力裝電荷。

教師：我們把這樣可以裝電荷的結(jié)構(gòu)裝置稱為電容器

基本概念導(dǎo)入：兩個(gè)學(xué)生都有輕微的觸電感，表明金屬碗上帶有電荷，由此可以推導(dǎo)出金屬碗間放置絕緣物體如圖2所示，具有了儲(chǔ)放電荷的性質(zhì)。 該實(shí)驗(yàn)向?qū)W生展示了一個(gè)簡單的電容器裝置。讓學(xué)生認(rèn)識(shí)電容器的基本性能之一：存儲(chǔ)電荷。

【教學(xué)反思1】 知識(shí)通過特定情景設(shè)置才能更好地轉(zhuǎn)換為學(xué)習(xí)者的素養(yǎng)。老師通過情境的創(chuàng)設(shè)，有利于體現(xiàn)學(xué)科知識(shí)的趣味性，激發(fā)學(xué)生的探知欲。讓學(xué)生在實(shí)踐體驗(yàn)的過程中，感受到物理學(xué)科的魅力。

2.2? 對(duì)比實(shí)驗(yàn)促思——?jiǎng)?chuàng)建學(xué)生自主參與的學(xué)習(xí)平臺(tái)

個(gè)體的認(rèn)知能力呈現(xiàn)出一個(gè)螺旋上升的趨勢(shì)。通過一系列實(shí)驗(yàn)活動(dòng)，讓學(xué)生了解其基本結(jié)構(gòu)和功能：

分組實(shí)驗(yàn)（1）：讓學(xué)生拆解紙質(zhì)電容并觀察結(jié)構(gòu)與材料。

教師：今天在桌面上事先準(zhǔn)備了一個(gè)已拆電容器（圖3）與一個(gè)未拆電容器，大家觀察結(jié)構(gòu)，你看出了什么？

學(xué)生回答：兩個(gè)金屬膜中間膠合上一層絕緣膜，與剛才結(jié)構(gòu)相似。

教師：剛才實(shí)驗(yàn)中只有一個(gè)同學(xué)感受了觸電，也就是電容器兩個(gè)極板正、負(fù)電荷的中和——放電。

我們把電容器帶電的過程稱為充電，今天讓大家自己動(dòng)手來完成電容器充放電過程。

教師：請(qǐng)同學(xué)們看圖4，提問學(xué)生說明工作原理。

學(xué)生分析：開關(guān)接a，電容器和電源相連為充電過程，然后將單刀雙擲開關(guān)接b，電容器兩極板通過導(dǎo)線與電燈連接一起，因?yàn)殡娙萜鲀啥舜嬖陔妱?shì)差，為兩極板上的電荷中和提供了條件，導(dǎo)線中有電流，這是放電過程。

學(xué)生分組實(shí)驗(yàn)（2）：

A：用四個(gè)電池串聯(lián)完成電容的充放電，觀察現(xiàn)象并說明。

B： 改用兩個(gè)電池完成電容的充放電，比較與前者差異并說明。

提問學(xué)生觀察到的現(xiàn)象：

現(xiàn)象（1）有的組學(xué)生燈不亮。

教師問：為什么燈不亮？

學(xué)生答：沒電流。電容沒充電，電容有正負(fù)極之分。

現(xiàn)象（2）放電過程：小燈泡亮一會(huì)熄滅，亮的時(shí)間不同，亮度不同。

教師問：時(shí)間、亮度不同說明什么？

學(xué)生答：電流不同，電量多少不同，具體說電壓大，電量大。

教師：電容器儲(chǔ)存的電荷量的能力與它的電壓存在正相關(guān)的關(guān)系;在同等電壓下，不同容量的電容器儲(chǔ)存的電荷量的能力也會(huì)不一樣。

【教學(xué)反思2】 通過對(duì)比實(shí)驗(yàn)才能更好地看透事物的本質(zhì)，并成功揭示出潛在的規(guī)律。對(duì)比實(shí)驗(yàn)從實(shí)驗(yàn)條件、實(shí)驗(yàn)過程、現(xiàn)象的差異性觀察到總結(jié)歸納，既能提高學(xué)生的邏輯思維能力，又能培養(yǎng)學(xué)生的概括分析能力，幫助學(xué)生更好地理解和掌握學(xué)科知識(shí)。

2.3? DIS數(shù)字化實(shí)驗(yàn)——?jiǎng)?chuàng)設(shè)學(xué)生深度學(xué)的學(xué)習(xí)空間

教師：在前面實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，電容的電壓U與電容的電量Q它們之間是什么樣的正相關(guān)？老師也很好奇，我課前和幾個(gè)同學(xué)用DIS系統(tǒng)對(duì)這問題進(jìn)行了探究。

教師問：如果是你對(duì)這問題進(jìn)行了探究，會(huì)遇到的哪些困難以及處理的手段？

學(xué)生答：測(cè)量電壓、電量。

教師問：電壓可以用電壓表測(cè)定，但電量呢？

（學(xué)生對(duì)電量的如何測(cè)定存在疑問，教師適當(dāng)引導(dǎo)，放電過程電流是隨時(shí)間變化的，據(jù)所學(xué)過的知識(shí)v-t圖象用面積來計(jì)算非勻變速運(yùn)動(dòng)物體的位移。）

教師：和傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)工具進(jìn)行對(duì)比，DIS數(shù)字化實(shí)驗(yàn)的準(zhǔn)確性更高，而且實(shí)現(xiàn)了實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的動(dòng)態(tài)掌握。如圖5所示，電壓與電流的變化可以通過電壓傳感設(shè)備和電流傳感設(shè)備完成錄入工作。并獲得i-t圖象覆蓋的面積，來反映電荷量Q。

教師播放微課展示實(shí)驗(yàn)記錄的數(shù)據(jù)表1，請(qǐng)學(xué)生分析可以得到什么結(jié)論。

師：比值是個(gè)定值，比值代表什么？

提問學(xué)生：單位電壓的電量，就是一種本領(lǐng)的反映。

師：這種關(guān)系如同在表征量筒容納本領(lǐng)時(shí)的S=V/h類似。電勢(shì)差U如同高度差h，水量——電荷量，類比可得Q/U來表示本領(lǐng)，電容C=Q/U。

【教學(xué)反思3】學(xué)生對(duì)核心概念的理解不是一蹴而就的，而是需要經(jīng)過許多不同的中間水平。電容的電量是逐漸減少，如何求電荷量的大?。坷胿-t圖象知識(shí)遷移得到i-t圖象包圍的面積就表示電荷量Q。 可以稱v-t圖象為“階”，通過“階”的有效設(shè)計(jì)來引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行更深入的探究。

2.4? 探究實(shí)驗(yàn)——設(shè)計(jì)學(xué)生自主探究的實(shí)踐活動(dòng)

結(jié)合學(xué)生在每個(gè)階段的學(xué)習(xí)狀況，老師應(yīng)該根據(jù)教學(xué)目標(biāo)設(shè)計(jì)一些自主探究的實(shí)踐活動(dòng)，這樣才能使學(xué)生的學(xué)習(xí)能力得到實(shí)質(zhì)性的提升。

探究影響電容大小的因素：

師：初中學(xué)過電阻，R反映對(duì)電流阻礙作用，與U、I多少無關(guān)，是物體的固有屬性。R的大小由什么決定？

生：（材料、長短、粗細(xì)、溫度）

師：結(jié)合在桌面上拆解的紙質(zhì)電容、還有一個(gè)可變電容，大家猜想下電容的大小可能與什么有關(guān)？猜想的依據(jù)是什么？

學(xué)生活動(dòng)：（小組討論，學(xué)生搶答）

（提問學(xué)生，小組評(píng)價(jià)）

學(xué)生A：拆解后的紙質(zhì)電容，有長度足夠長，可變電容旋進(jìn)旋出，都說明可能跟面積有關(guān)。

學(xué)生B： 結(jié)合金屬碗實(shí)驗(yàn)，中間放塑料膜，如果替換成金屬膜，將不帶電，猜想可能與中間夾層材料有關(guān)。

學(xué)生C：根據(jù)電容器帶電的原理，電荷相互吸引束縛，如果兩金屬片距離拉大，吸引力減小，束縛本領(lǐng)下降，帶電也少，說明可能與距離有關(guān)。

教師出示平行板電容器，說明是最簡單、最基本的電容器，幾乎所有電容器都是它的變形，把金屬碗敲平就是這個(gè)結(jié)構(gòu)。所以我們用它來研究電容的影響因素。

學(xué)生：可能與極板面積、板間的距離、兩板間的絕緣物質(zhì)有關(guān)。

教師：用實(shí)驗(yàn)如何來探究電容跟這些因素間的關(guān)系？[ 3 ]

學(xué)生齊答：采用控制變量法。

教師：遇到的困難是什么？

學(xué)生：怎么測(cè)C。

教師：介紹數(shù)字萬用表測(cè)C，結(jié)合自制平板電容器，記錄探究結(jié)果并總結(jié)。

實(shí)驗(yàn)器材：多用電表（單位：nF），幾塊有機(jī)玻璃板，規(guī)格為：30cm×50cm的鋁板兩個(gè)（面積：S0），厚度為1mm（用d表示）。

學(xué)生：記錄不同正對(duì)面積時(shí)對(duì)應(yīng)的電容值，如表2所示。

（2）探究C與板間距d的關(guān)系

學(xué)生：記錄不同板間距時(shí)對(duì)應(yīng)的電容值，如表3所示。

（3）探究C與板間絕緣介質(zhì)不同時(shí)的關(guān)系

步驟：? ①金屬板之間放置有機(jī)玻璃板，對(duì)其電容值進(jìn)行檢測(cè);

②金屬板之間放置等厚度的云母片，對(duì)其電容值進(jìn)行檢測(cè);

③對(duì)兩組電容值進(jìn)行對(duì)比;

④在S和d一致的情況下，絕緣介質(zhì)為云母片的電容值要高于有機(jī)玻璃板為絕緣介質(zhì)的電容值。

實(shí)驗(yàn)結(jié)論：C與d反相關(guān)、C與S正相關(guān)、C與電介質(zhì)正相關(guān)

教師總結(jié)：經(jīng)過實(shí)驗(yàn)室嚴(yán)格的定量測(cè)定發(fā)現(xiàn)C=εS/4πkd，并說明各物理量含義。

【教學(xué)反思4】在科學(xué)探究活動(dòng)中，提出探究的問題后，在猜想這一環(huán)節(jié)，學(xué)生提出的猜想的探究因素很多，在有限的課堂時(shí)間內(nèi)不可能一一驗(yàn)證。教師應(yīng)該引導(dǎo)學(xué)生在探究因素中提取關(guān)鍵問題，幫助學(xué)生理清科學(xué)探究的主要因素和內(nèi)在聯(lián)系，培養(yǎng)學(xué)生形成科學(xué)的思維模式。

在物理學(xué)科的教學(xué)活動(dòng)中會(huì)涉及到很多實(shí)驗(yàn)，教師要緊緊圍繞思維進(jìn)階這個(gè)主視角，有機(jī)地整合這些實(shí)驗(yàn)促進(jìn)學(xué)生逐漸向高階思維層進(jìn)步，提高教學(xué)效果并促進(jìn)學(xué)生學(xué)習(xí)能力的不斷提高。

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