巧设科学史主线 凸显概念教学的“来龙去脉”

居津

摘    要：在物理概念教学中，教师应抓住概念的特点，设置如“概念由来的科学史”等相关教学主线进行教学，让学生明白概念的来龙去脉，以便于正确引导学生理解概念、应用概念，从而促进学生物理观念的形成，达到培养学生学科核心素养的目的.

关键词：科学史;概念教学;认知过程;物理观念

一、问题的提出

《普通高中物理课程标准（2017年版）》明确提出：“高中物理教学应体现出物理学科的本质，从物理观念、科学思维、科学探究、科学态度与责任等方面提炼学科育人价值，充分体现出物理学科对提高学生核心素养的独特作用，为学生终身发展、应对现代和未来社会发展的挑战打下基础”[1].物理观念的形成和发展需要学生通过物理概念、物理规律等内容的学习及运用才能逐步形成.学习概念和规律是学生形成物理观念的有机组成部分.可见物理概念的教学在教学中至关重要，因此在概念教学中，需要教师巧设教学主线，帮助学生建立认识概念的认知过程，以达到更好地理解概念、应用概念的目标，从而促进物理观念的形成和发展.笔者尝试以“电容器的电容”一课为例，阐述在教学中如何以科学史为主线，帮助学生建立“电容器的电容”的相关概念.

二、教学实践展示及评析

人教版高中物理3-1电容器是静电场章节中重要的内容，在日常生产生活中应用也十分普遍.因此本节内容多被选为评优课比赛课题或优质课展示课题.本节课的重、难点是电容器电容概念的介绍，平行板电容器决定因素的探究.要让学生真正理解电容器的电容这个概念，必须让学生知道电容器发明过程的“来龙去脉”，只有这样才符合学生的认知过程，才能让学生更好地理解电容器的概念.因此，笔者设计了本节课的教学逻辑主线，如图1.

（一）巧借科学故事引入，解决“电容器从而何来”的认知困惑

本教学环节流程如图2所示.

师：大约在公元前6世纪，希腊学者泰勒斯记录了磁石吸铁和摩擦后的琥珀吸引輕小物体的现象;东汉初期（公元1世纪）东汉思想家王充在《论衡》中也提到“顿牟掇芥”;16世纪末英国科学家威廉·吉尔伯特首次提出了“电”的概念;1660年，当时普鲁士马德堡市市长盖里克发明了第一台摩擦起电机，很快就引发了电学实验的热潮.

师：科学家不断地进行实验，发现了一个很严重的问题：摩擦起电产生的电量有限，且无法有效地保存.

师：直到1746年，荷兰莱顿大学教授穆欣布罗克在做电学实验时，无意中把一枚带了电的钉子掉进玻璃瓶里，他以为要不了多久，铁钉上所带的电就会跑掉，过了一会，他想把钉子取出来，可当他一只手拿起桌上的瓶子，另一只手刚碰到钉子时，突然感到有一种电击式的振动.这到底是铁钉上的电没有跑掉还是自己神经太敏感了呢？于是他又照着刚才的样子重复了好几次，每次实验结果都一样，于是他非常高兴地得到一个结论：把带电的物体放在玻璃瓶子里，电就不会跑掉，这样就可以把电储存起来.因此我们把这个最早的可以储存电荷的容器叫莱顿瓶.

师：老师这里也制作了一个简易的莱顿瓶（图3），哪位大胆的同学愿意来体验一下穆欣布罗克教授当时触电的感觉？（学生体验莱顿瓶带电的感觉）

环节评析：概念教学核心问题是为什么要学习这个概念，利用科学发展史边带领学生做小实验，边讲述科学小故事，引入本课题，可以解决学生“电容器从何而来”的认知困惑，符合学生的认知规律，同时可以引发学生的好奇心和求知欲，为“电容器的电容”的概念学习做好铺垫！

（二）追随科学发展历程，建立“电容器本领大小”的核心概念

本教学环节流程如图4所示.

师：请大家仔细观察莱顿瓶的结构，说明这个储存电荷容器的构造（图5）.

生观察总结：两个彼此绝缘又相距很近的导体（极板）和一层绝缘介质（电介质）构成.

师介绍电容器的命名、用途和符号.

师：电容器如何储存电荷呢？请大家仔细观察电容器的充放电实验，并总结实验现象.

演示实验：利用发光二极管演示电容器的充放电过程（电路如图6）.

生1：电容器充放电过程中，电流方向相反.

生2：电容器只有在充电和放电过程中才有电流，充电完毕和放电完毕后，电路中没有电流.

生3：充电时，其他形式的能转化为电场能;放电时，电场能转化为其他形式的能.

师：某极板的电荷量的绝对值即为电容器带电量Q，两极板间的电势差为U.

师：莱顿瓶的发明使物理学第一次有办法得到很多电荷，并对其性质进行研究.法国人诺莱特在巴黎一座大教堂前让七百名修道士手拉手排成一行，让排头的修道士用手握住莱顿瓶，让排尾的握住瓶的引线，一瞬间，七百名修道士因受到电击几乎同时跳起来，在场的人无不为之目瞪口呆.富兰克林用绸子做了一个大风筝，在风筝上安装了一根尖细的铁丝，用来捉电，并用麻绳将这根铁丝相连，麻绳的末端拴一把铜钥匙，钥匙塞在莱顿瓶中间，他和儿子一起将风筝放飞到空中，一阵雷电打下来，富兰克林顿时感到一阵电麻，他用这种方法给莱顿瓶进行充电，并证明了天电与地电的一致性.

师：从上述小故事我们发现，不同的莱顿瓶（电容器）储存电荷的本领不同，请大家猜想电容器储存电荷的本领大小与什么有关？

引导演示实验1：观察同一电源给不同规格的电容充电后，电容器的放电现象.

生：不同的电容储存电荷的本领不同，由电容器本身决定.

引导演示实验2：观察不同电源给同一规格的电容充电后，电容器的放电现象.

生：电容储存的电量和两极板间的电势差有关.

生猜想1：电容器储存电荷本领与电荷量Q的大小有关.

生猜想2：电容器储存电荷本领与单位电压U储存的电荷量Q的大小有关.

……

师引导学生将电容器与水容器进行类比.

实验探究：电容器储存电荷的本领大小.

师：如何测量电荷量Q？

生：作I-t图象，用面积表示电容器的电荷量Q.

师：利用电流传感器可以作出I-t图象，并利用积分功能可以求出电荷量Q的大小（电路如图7），得到I-t图象如图8.

多次实验并记录实验数据（见表1），用Excel作出电容器带电量和两极板电压关系图象，如图9所示.

师：通过实验我们发现，可以用电容器带电量和极板间电压的比值来表示电容器储存电荷本领的大小.用表达式C=[QU]来表示.这是一种比值定义法，这个比值我们称之为电容（C）.它的单位是法拉（F）.

环节评析：电容概念的教学是本节课的重点，也是难点.此教学环节中，笔者借助物理学史，将电容器的充放电娓娓道来，并通过演示实验引导学生猜想电容器容纳电荷本领大小的表示方法，利用传感器的先进技术将比值定义法通过真实的数据计算展示给学生，让学生真正理解电容的物理意义和定义方法.

（三）亲历科学探究过程，满足“制作大容量电容器”的求知欲望

本教学环节流程如图10所示.

师：我们已经知道电容可以用来表示电容器容纳电荷本领的大小.那电容器的电容究竟与哪些因素有关呢？我们从最简单的平行板电容器入手进行研究.

生1：与平行板的两极板面积有关.

生2：与平行板两极板间距有关.

生3：与平行板材料有关.

生4：与平行板间电介质有关.

……

师：我们知道电容器的电容表示电容器储存电荷的本领，与水桶储水本领类似，那么水桶的储水本领与做水桶的材料有关吗？

生：无关.

师：所以电容器的电容与两极板的材料无关.

师：如果两块平行板的面积不一样大，电容大小可能由哪块极板决定呢？

生：小的那块.

师：所以，影响平行板电容器电容大小的因素可能是极板的正对面积而不是极板面积.

师：我们分三个小组来定量探究平行板电容器的影响因素.

分组实验器材：数字电容表（图11）、铝箔胶带（图12）、pad钢化膜.

平行板电容器的制作：将铝箔胶带剪成完全相同的两张，分别粘贴在钢化膜正反两面，即做成一个简易的平行板电容器（图13）.

【分组实验一】探究平行板电容器电容与正对面积的关系

实验操作步骤大致如下：①将两条铝箔胶带平整地粘贴在同一钢化膜两面的指定位置.②数字电容表调零，将数字表红黑表笔分别与两铝箔紧密接触，待读数稳定后，记录数据到相应的表格中.③在两面铝箔对应位置每次分别裁剪下铝箔胶带的1/5（如图14），以达到减小正对面积的目的.④多次测量记录数据.

分组实验一数据记录与处理如表2、图15所示.

分组实验一结论：平行板电容器电容与两极板正对面积成正比.

【分组实验二】探究平行板电容器电容与间距的关系

实验操作步骤大致如下：①将两条铝箔胶带分别平整地粘貼在不同的两张钢化膜两面的指定位置（如图16）.②对准铝箔位置，将两块钢化膜紧密地贴合在一起.③数字电容表调零，测量简易平行板电容器的电容并记录数据.④在两钢化膜之间插入一张钢化膜，重复上述步骤.⑤多次测量并记录数据.

分组实验二数据记录与处理如表3、图17所示.

分组实验二结论：平行板电容器电容与两极板间距倒数成正比.

【分组实验三】探究平行板电容器电容与电介质的关系

实验操作：可将两张完全相同的铝箔纸对称粘贴在厚度相同的不同电介质（如陶瓷、玻璃、石蜡、云母等）两侧，用数字电容表测量不同电介质的平行板电容器电容.

分组实验三结论：平行板电容器电容与电介质有关.

环节评析：本教学环节设计利用简单易取的实验仪器定量探究平行板电容器电容与影响因素的关系，由学生猜想后自己动手操作，便于全体学生进行观察，调动学生学习物理的兴趣和课堂积极性，通过动手实验培养学生的观察能力和动手操作能力.本实验对操作要求较低，容易理解，学生较易掌握操作要领，可以在较短时间内完成实验，大大提高对平行板电容器电容决定式的理解和课堂效率！

（四）回归实际生产生活，实现“电容器现实问题”的迁移应用

本教学环节流程如图18所示.

师：电子制作中需要用到各种各样的电容器，在不同的电路中起着不同的作用.在电子线路中，电容用来通过交流电而阻隔直流电，也用来存储和释放电荷以充当滤波器，平滑输出脉动信号.小容量的电容，通常在高频电路中使用，如收音机、发射机和振荡器中.大容量的电容往往是用于滤波和存储电荷.但是电容器的使用也有很多问题.

演示切断电源后，电容器放电产生电火花.

师：大家在使用电容器的过程中一定要注意安全.

师：如何利用电容器储存更多的电荷已经成为一个世界级难题，也许在座的各位在今天初步接触的基础上，将来会进入这个方面的研究，进而解决这个世界级难题.

环节评析：物理观念的形成和发展需要通过学生对概念的应用才能逐步形成，本环节设计引导学生能灵活应用所学的物理知识解决实际问题，有效指导工作和生活实践.故本教学环节是整节课的提炼与升华，对于学生建立物理观念，培训学生的学科核心素养，起到画龙点睛的作用.

三、教学反思

教学过程的进行应符合学生的认知过程，学生的认知可以分为以下几个基本阶段：①产生学习动机;②领会知识;③巩固知识;④运用知识.本节课笔者将科学史作为教学主线，让学生明白电容器概念的由来，进而顺理成章地进行了电容器电容概念的学习，并在概念学习过程中穿插科学探究，将理论探究与实验探究相结合.最后将本概念回归实际应用进行升华与提升，以达到发展学生物理观念，培养学科核心素养的教学目标.本课的教授符合物理概念教学特点，同时凸显了知识框架，使概念教学、学生认知、培养学生学科核心素养融为一体.[□][◢]

参考文献：

[1]中华人民共和国教育部.普通高中物理课程标准（2017年版）[M].北京：人民教育出版社，2018： 2.