在教学实践中寻找培养学科核心素养的支点——以“电容器的电容”为例

吴 敏

(江苏省常州市第二中学，江苏 常州 213003)

“电容器的电容”是一节概念规律课,在“核心素养”观念的引领下,需要考虑如下问题,以便能找到准确的教学支点,有效地培养学生的核心素养: (1) 如何优化体验式实验设计,创造培养科学思维的机会; (2) 如何组织科学探究、深化科学思维,促成物理观念的建立; (3) 如何渗透物理文化,关注科学态度与责任．围绕以上这几个问题,谈谈笔者的几点认识与做法．

1 在电容器的发明、使用过程中渗透物理文化,关注科学态度与责任

电容器的发明是伴随着早期电学实验的需求而生的,电容器的出现,使储存电荷成为可能,电学实验先驱们不惜冒着生命危险做各种电学实验研究,有的甚至付出了生命的代价,这是非常珍贵的教育资源,也是培养学生科学态度和责任的绝佳素材，所以在新课引入、结束部分是这样设计的.

教学片段1： 电容器的导入部分.

师:今天的我们正享受着电气时代的便捷,但不能忘记电学研究先驱们早期的探索．

图1

18世纪初人们已经发现了摩擦起电,有了摩擦起电机,但麻烦的是起电机一停止工作、电就逐渐消失了,要是能把“电”装在一个容器里,该有多好，如图1所示.

1845年,莱顿瓶的出现……莱顿瓶的发明轰动了整个欧洲,如图2所示.在当时做电的实验是一件非常时髦的事情．除了科学家在做,包括很多的达官显贵、普通大众争相做实验、表演．有人用电来点燃火药,杀死老鼠等.

图2

配合演示实验:用400 V,100 μF的电容器点亮220 V的白炽灯,让导入部分既有语言上的感染也有感官上的真实体验．

师:各种形式的莱顿瓶当今仍然被应用于各种电气设备中．不过今天使用的这些储存电荷的器件,形式更为新颖,尺寸更小,连名字也改了,标为电容器．今天我们学习电容器及电容器的电容．

教学片段2:课堂结束部分.

引发思考:疯狂实验到底发生了什么?

法国物理学家诺莱特在巴黎修道院门前调集了700名修道士,让他们手拉手排成一行．队伍全长900in(275m),规模十分壮观．法国国王路易十五及其皇室成员被邀请观看．若莱特让队首的修道士拿住莱顿瓶,让队尾的修道士手握莱顿瓶的引线，如图3所示．当莱顿瓶放电时,一瞬间700名修道士全都跳了起来,其滑稽的举动给人留下深刻的印象,也令人深切地感受到了电的力量．

图3

师:早期的电学实验是相当危险的,几乎所有的电学家都有遭受雷击的经验．富兰克林有一次用莱顿瓶放电,准备电击杀死一只火鸡,不料实验还未开始就碰到了瓶子,结果当场被电击晕过去．等他醒来后说了一句非常幽默的话:“好家伙,本想电死一只火鸡,结果差一点电死一个傻瓜”.今天的我们享受电气成果的同时,更应缅怀那些科学先驱们!

2 在体验电容器的工作过程中创造培养科学思维的机会

图4

体验式实验一般用来对问题作定性研究,强调学生的直观感受．要认识电容器,就要了解电容器充放电的工作过程,最好的处理手段自然是通过学生自己的实验体验而获得对这个问题的认知．但这个体验式实验如果课前教师把电路搭好,学生只需机械地拨拨开关,看看电流表指针的偏转情况,那就错失了培养科学思维的机会．基于这样的思考,对课本上的充放电电路做了两点改进: (1) 用发光二极管代替电流表．发光二极管的单向导通特性正好能显示充放电时的电流方向,发光的这个特点可以强化视觉感知; (2) 在充放电电路中分别串入一适当阻值的电阻,以延长充放电的时间,便于实验观察．

教学片段3:体验电容器的工作过程.

学生实验:充电电路如图4所示.

生:二极管刚才发光了,但后来又灭了,我怀疑是接触有问题……我也是观察到同样的现象,我的好像也接触不好……(教室里蠢蠢欲动了)

师:个别接触不良是可能的,大家都有接触不良,就得重新思考这个问题了．现在我们先来想想二极管刚开始发光了,这说明什么呢?

生:有电流流过.

师:电流是电荷的定向移动产生的.

生:电荷在电路中发生了定向移动.

师:能确定电流是沿什么方向?

生:顺时针(比划着说).

师:电荷朝这个方向的移动,对电容器而言结果是什么呢?

生:电容器储存了电荷.

师:与电源正极相连的上极板不断地堆积正电荷,下板聚集了负电荷．两板间形成了不断增大的电场．那怎么电流不能一直持续呢?

生:会不会是电容器的两板间电压大了,后来电流就流不动了?

师:我们来测下一充电完毕的电容器两端电压,发现电容器两引脚间的电压和电源电压两者相等．

生:电容器的两端电压增大到电源电压时,就不再充电了．

师:电容器充电结束．极板带异种电荷而相互吸引,电荷储存在电容器,此时,电源的电能转化为电场能储存在电容器中．

图5

电容器放电实验电路如图5所示,学生根据掌握的充电过程,预测并解释放电过程的实验现象．

通过对充电过程的教师和学生的对话理答,有意识地对学生的思维进行训练,创造机会使学生科学思维得到锻炼,课堂积极思考的氛围也被营造起来了．学生除了对电容器的充放电工作过程有一个清晰的认识,更主要的是在这个体验的过程中发展起来的.根据已有的证据对问题进行描述、解释和预测的能力得到了培养,提升了科学思维的能力．

3 在电容概念的建立过程中形成物理观念、推进科学探究与思维向纵深发展

本节课中电容的这个核心概念的建立是一个难点,但同时也是培养学生核心素养的优质教学资源,能很好地提升学生实验探究的能力,发展深度科学思维的品质．

教材中对“电容”的概念建立是这样描述的:实验表明,一个电容器所带的电荷量Q与电容器两极间的电势差成正比,比值Q/U是一个常量．不同的电容器这个比值一般是不同的,可见,这个比值表征了电容器储存电荷的特性．倘若课堂上如此建立电容的概念,总感觉有些苍白,学生头脑中的好些疑虑还没真正得到梳理和解答．

疑虑1： 为什么不直接用电容器的带电量来表征电容器储存电荷的本领呢?

疑虑2： “实验表明”怎么做实验呢,课堂上能做吗?

疑虑3： 极板间的电势差可以用电压表测量,那带电量Q如何测量呢?

疑虑4： 为什么Q/U是一个常量,就可以用这个比值来定义电容器的电容．

教学片段4:电容器的电容.

师:不同的电容器容纳电荷本领的大小一般不同,那你想用什么物理量来表示电容器的储电本领大小呢?

生:“电荷量Q”(直觉).

图6

师:出示演示电容器充放电的电路板，如图6所示.特别交代电流传感器的作用,和在I-t图像上用图线与时间轴所谓的面积表示电荷量Q(图7).

图7

演示实验:分别用2 V、4 V、6 V给电容器充电,利用DIS实验完成电荷量的数据,填入Excel表格(图8),引导学生提炼电荷量与电压之间的关系.

生:电压越大,带电荷量越大．

图8

图9

师:进一步确认关系:利用Excel中图像,发现数据点是过原点的直线(图9).

图10

生:同一个电容器,带电量与充电电压成正比(数学上学过).

师:其他的电容器也有这样的特性吗?继续实验同样的方法得出电容器2的数据，如图10、图11所示.

图11

图12

师:把电容器1、2的数据画在同一个坐标系中,发现是两条不同的直线,(图12)引导学生比较:哪只电容器的储电本领大?

生:在相同的电压下,例如: 2 V电压,电容器1的带电荷量3.349 mC,电容器2的带电荷量1.711 mC所以电容器1的带电荷量多,所以电容器1的储电本领强．

师:现在大家觉得要比较电容器储存电荷的本领大小是用电荷量Q表示,还是用相同电压下的电荷量表示?对!即应该用单位电压下的带电荷量来比较,这才是公平的较量.

通过直观的演示实验探究,一步步来消除前概念的影响,带电荷量是随着电压在变化的,不能简单地用带电荷量来表征储电本领．通过两个不同电容器的比较测量,借助真实数据,学生自觉建立起比较电容器储电本领的大小时需要在相同的电压下比较带电荷量,或者用相同的带电荷量比电压(理性的思考)．而不是简单得出Q/U是一个定值后,直接给出电容的定义式．这种在教师的引导下逐渐自主建构电容概念的教学,能帮助学生领会概念的内涵,体会物理学在描述大小、强弱时惯用的科学思维方式．

本课另一块重要的教学内容 “探究平行板电容器的决定因素”是一个典型的通过实验探究获得规律认知的教学素材,在这个过程中包含着实验探究的一般步骤、思考模式和对结论的处理方式．这段教学要做到就是让学生经历的是真探究,避免课堂表面上热闹,让真探究、深思维、自然促成清晰的物理规律．

教学片段5： 探究平行板电容器的决定因素.

环节1： 提出猜想.

猜想是探究活动的重要环节,而假设猜想是在一定的现象和有关理论的基础上提出来的,不能漫无目的地瞎猜．此处如何避免不着边际地猜想呢?教师要引导学生根据现象或概念理论提出自己的猜想．

师:彼此绝缘又相互靠近的导体就组成了电容器,结合实物演示:不一样大的铜板、铝板．理解平行板中间绝缘物是空气．那电容器概念中的“靠近”是什么意思?

生:可以这样叫靠近,适当拉开些也能认为是靠近吧,“靠近”指的是距离.

师:能说得具体些吗?哪里的距离?

生:两板间的距离．

师:大家可以先猜一猜,影响平行板电容器的电容有哪些因素?

学生根据教师提供的“不一样大的两块铜板、两块铝板”直觉猜测相关影响因素有:面积(不一样大),极板的材料(铜、铝),中间的绝缘物(空气),还有认识到的“靠近”(板间距离)．

环节2： 展现验证环节之前的逻辑性.

在猜测环节后发现有这么多的影响因素,实验当然采用“控制变量法”即只改变d， 只改变S，插入电介质,但这样就进入实验论证环节是突兀的．这里还有一个问题要引发学生思考清楚:如何判断电容器的电容变化?

师:通过什么方法可以判定电容变大,或变小呢?

师:对,式子中的电压U容易观测的,要是控制Q不变,通过电压的变化,就可以得出电容C的变化．带电荷量Q怎样才会不变呢?

生:充好电后不放电.

师:好主意,充好电的电容器和电源断开,正负电荷相互吸引,储存在两板上．

教师边讲边做,避免空洞教学．两板间的电势差可以通过静电计来反映．连接静电计和两极板,通过导线连接电势相等的知识理解:一板和金属球等势,另一板与静电计的外壳等势,这样两板间的电势差就可以通过静电计的指针张角来反映．指针偏角越大,表示电势差越大．

图13

环节3： 实验探究.

用起电机让极板带上一定量的电荷,断开和起电机间的导线,使板上电荷量Q一定．分别改变距离(图13),正对面积(图14)、插入拔出纸张(图15)．记录实验现象,交流讨论自己的结论．

图14

图15

环节4： 科学探究后交流讨论.

除了这个实验本身观察到的现象之外,学生发现做这个实验时还有一些“奇怪”的操作,做实验时是为什么还架着浴霸灯在烤实验器材?在实验桌上为什么还垫了泡沫板?实验前为什么用纸巾擦手?等等.

这些看似与本实验结论无关的问题恰好反映了学生的探索欲,这种可贵的精神,切不可抹杀掉．若干年之后,学生或许不记得平行板电容的决定式了,但在实验探究过程中用到的控制变量的方法,为了控制某个变量所做的努力,必将终生难忘吧．

上述实验探究教学中,学生迁移相关物理观点、思想和方法到新的问题情境中,并作出新的应用．如猜测电容与什么因素有关,采用控制变量法设计方案,通过逻辑推理来得到判断电容变化的依据.这些必将有利于物理观念的形成,掌握科学探究问题的方法,推进科学思维向纵深发展．

结束语:本节课从课前设计到课堂实施始终围绕着追寻学科核心素养的培养来展开,抓住电容器的电容特有的教学资源,找到其中的关键点、支撑点,合理设计和使用,培养学生物理观念、科学思维、科学探究、态度和责任等要素的协同发展．

参考文献：

1 余华云.基于核心素养的高中物理教学探析[J].中学物理教学参考，2016(10)： 2-4.

2 刘炳昇.从“物理核心素养”的视角思考物理复习教学问题[J].物理之友，2017(1)： 1-4.