基于科学思维的实验教学实践研究

张利国 魏洁 许传强 姜威

摘 要：普通高中物理课程标准对科学思维进行了界定，并将学业质量划分成5个标准.实验在物理教学中具有不可替代的特殊地位，也是促进学生科学思维发展的重要组成部分，本文以“电容器的电容”的实验教学为例，明确各环节主要发展学生科学思维的哪些要素，以及应该达到的学业质量水平.

关键词：科学思维;电容器的电容;学业质量;实验教学

中图分类号：G633.7     文献标识码：B     文章编号：1008-4134（2021）11-0038-05

《普通高中物理课程标准（2017年版2020年修订）》中指出：“科学思维”是从物理学视角对客观事物的本质属性、内在规律及相互关系的认识方式[1].科学思维包括模型建构、科学推理、科学论证、质疑创新等要素，如图1所示.

学业质量标准中，依据不同水平学业成就表现的关键特征，把科学思维各要素的学业质量划分为5个不同水平，见表1.

下面以“电容器的电容”为例，从科学思维的角度谈实验教学在课堂中的应用.

1 认识电容器

在课堂教学中，为了帮助学生认识电容器，通常采取以下几种方式：

（1）找一个高压电容器，充电后，将电容器的两极短接，在短接放电瞬间，由于击穿空气会出现巨大的声响，学生在没有思想准备的情况下会吓一跳.

（2）重复历史上风靡欧洲的一个表演.1748年，诺勒特在巴黎让两百多名修道士手拉手排成一排，排头排尾分别用手去握莱顿瓶的两个引线，手触引线的瞬间，两百多人同时跳起.教师可以把莱顿瓶的一根引线做成盖子状，在课堂上，在排尾握住另一端引线的情形下让排头把盖子打开，学生在毫无准备的情况下突然感觉到电击，效果極好.

（3）上课过程中，把一个塑料材质的纸篓内外各贴一层锡箔纸，做一个简陋的电容器，用感应起电机使之带电，移去起电机，将红黑两根引线短接，会听到“啪”的一声脆响.

（4）取两个金属餐盘，中间垫一层纸，构成一个简单的电容器.将感应起电机的一根引线放置在餐盘上，摇动起电机使之充电.移开起电机，手触餐盘有电击感.课堂上，可以先放一个餐盘，摇动起电机后，让学生手触餐盘，此时无电击感，再放纸和另一个餐盘，电击感就出现了.

（5）将感应起电机的一个莱顿瓶拆下来，让学生观察莱顿瓶的构造.

（6）现场拆解一个纸质电容器，或者用油浸纸与锡箔纸现场做一个纸质电容器.

点评：

以上（1）至（6）认识电容的方式通过放电、电击感等现象，让学生感受电容器能储存电荷的本质.通过自制、拆解等方式，让学生了解电容器的构造，将电容器抽象成为两个彼此绝缘而又相距很近的导体.这样忽略次要因素，抽象出电容器本质特征的过程就是模型建构的过程.

从学业质量水平上来看，能将生产生活中的实际情景转化为物理模型，属于水平4.

2 定义电容器的电容

为了描述电容器储电能力的不同，我们需要引入一个新的物理量.

2.1 不同电容器储电能力不同

用充电后的电容器，替代电池，带动钟表的指针，2200μF的电容器用3V电源充电之后，能带动秒针走10个格，4700μF的电容器用3V电源充电之后，能带动秒针走21个格.两个电容器充电后，带动表针走过的格数不同，说明不同的电容器储存电荷的能力不同.

还可以用小灯泡维持发光的时长来检验电容器储电能力的不同，如图2所示，用3V电源给电容器充电后，不同电容器可以使小灯泡维持发光的时长不同，说明其储电能力不同.

将电源换成1.5V，图3中的钟表指针走的格数变少，图2中的小灯泡发光的时长变短，这些现象都说明电容器储存电荷量变少，说明电容器的电势差和电荷量之间存在某种对应关系，需要我们来研究.

2.2 电容器电势差和电荷量的关系

取两个完全相同的电容器C和C′连成电路，如图4、图5所示，将电容器C充电，设其所带电荷量为Q，用数字电压表读出此时电容器两极间电压值U1;将开关S接2，因为两个电容器完全相同，电量均分，所以电容器C电荷量变为Q/2，读出此时电容器两极间电压值U2;将开关S接1，给电容器C′放电，再将开关S接2，此时电容器C电荷量变为Q/4，电压值为U3……重复操作若干次，记录数据如表2所示，用Excel表格处理数据如图6所示.观察图像，发现对于同一电容器，Q与U的比值，即图像的斜率不变.

因为电量不容易测量，所以实验中采取了电量均分的方法，虽然比较容易找出电容器电势差U和电荷量Q之间的正比关系，但也导致了对于不同的电容器，图像的斜率相同，从图6来看，尚不能用Q与U的比值来描述电容器的储电能力.

2.3 用传感器观察电容器的充放电过程

连接电路如图7所示，电流传感器、电压传感器的反应非常快，可以捕捉瞬时的电流电压，与计算机相连之后，能显示出电流、电压随时间变化的图像，如图8所示.传感器在数据处理方面具有优势，选中i-t图上的某一段时间后，界面上可以直接显示出其积分值，根据q=It可知，该积分值即为电量.

改变电容器的充电电压，用计算机软件求解电容器在不同的电压下对应的电量，记录数据，绘制Q-U图，如图9所示.对于同一电容器，Q与U的比值不变;对于不同的电容器，Q与U的比值通常不同.至此，可以用Q/U比值表征电容器储存电荷的能力，定义其为电容.

点评：

科学推理主要有演绎推理、归纳推理等，其中演绎推理是从一般性结论推出个别性结论的方法，即从已知的某些一般原理、定理、法则、公理或科学概念出发，推出新结论的一种思维活动;归纳推理是从一类事物的部分对象所具有的某种属性出发，推理出这类事物的所有对象都具有共同属性的推理方法，也就是由具体结论推理出一般规律的方法.

从是否存在数量形式的对应关系来看，科学推理又可以分为定性分析和定量分析等，其中定性分析是寻找一个物理量随其他物理量的变化趋势，通过研究各物理量之间的变化趋势来揭示物质或运动的本质属性;定量分析是利用已知的各物理量的数值来找寻物理量之间的关系，或已知物理量之间的关系来求解其中某一物理量具体的数值.

在“电容器电势差与电荷量之间的关系”的实验中，从定量的角度确定了二者之间的正比关系，并且不同的电容器，比值Q/U不同，从而明确该比值可以用来描述其储电能力，这个从个别到一般的推理过程就是归纳推理的过程.

科学论证的核心关键词为证据，能否使用证据以及如何使用证据就能反映学生科学论证学业质量水平的高低.

从评价学业质量水平角度看，本环节实验设置的物理情境具有一定的综合性，要求学生利用数据得出结论，科学推理和科学论证都属于水平4.

3 分析电容器的充放电过程

电容器的充放电过程中，电路中电流和电容器两极间电压随时间变化的规律如图8所示，因为与分析二者变化规律的方法相类似，下面的讨论以电流的变化规律为例.

3.1 电流的增减趋势

从图8可以看出无论充电还是放电，电流都随时间的推移而减小，为什么呢？

放电时，电容器因为电荷量减少而导致两极板间电压u降低，根据公式i=uR，可知电流在减小;充电时，电容器因为电荷量增加而导致两极板间电压u升高，根据公式i=E-uR，电源电动势E不变，可知电流减小.

3.2 电流变化快慢

从图8可以看出，无论充电还是放电，i-t图像斜率都在减小，分析原因？

i-t图中的斜率的表达式可以写作k=ΔiΔt，

电流的定义式i=ΔQΔt，其中ΔQ是通过电流传感器的电量.

电容的定义式C=ΔQΔU，其中ΔQ是电容器增加或减少的电量.

通过电流传感器的电量与电容器增加或减少的电量相同，将两个定义式联立有iΔt=CΔU.

将ΔU=ΔiR代入，整理得，斜率的表达式为k=iCR，可以看出i-t图像斜率随着电流的减小而减小.

3.3 电容器充电或放电量的多少

我们获得i-t图像之后，怎么利用图像求电容器的电荷量呢？

如果我们选一段极短的时间Δt，可以认为在时间Δt内，电流i是一个定值，根据公式ΔQ=iΔt可知，Δt时间内流过电流表的电荷量ΔQ可以用图10中矩形的面积来表示.电容器充放电的电荷量为ΔQ的累加，即i-t图线与横轴所围的面积.

首先，我们以坐标纸上的每一个小方格作为一个计量单位，数出实验图線下完整小方格的个数，数格的原则是四舍五入，凡是线下的方格面积大于半个格的算一个，不足一半的则舍去，共得到66个格;其次，我们确定每个小方格所代表的电荷量，读图的时候要注意单位，图9中纵轴每一小格为0.2mA，不是0.2A;横轴每小格为0.4s，则每个小方格所代表的电荷量值为q=0.2mA×0.4s=8×10-5C.最后，用公式“格数×每格代表的电量=电容器的带电量”即可求出电容器充放电的电量为5.28×10-3C.

点评：分析与综合是抽象思维的基本方法，所谓分析，就是把研究对象分解成它的组成部分，然后分别加以研究的方法;所谓综合，就是把研究对象的各部分联系起来，从而在整体上把握事物的本质和规律的一种思维方法.我们把充放电过程截取一段出来进行研究，研究电流或电压的变化规律，这就是分析，既有增减趋势以及变化快慢的定性分析，也有求解电荷量数值的定量分析，分析过程运用已知的概念规律推理出充放电过程中某些物理量的规律或数值，属于从一般到特殊的演绎推理.

从学业质量水平上来看，充放电过程对新授课的学生来说属于新情景，尤其在电流变化快慢的推导过程中，概念规律之间的联系较多，属于水平5.

4 探究影响电容器电容的因素

4.1 定性探究

该实验在人教版新教材中安排在了“拓展学习”栏目中，测量电压的仪器为静电计，教材在下方的附录中指出“指针偏角大小可以推知电容器两极间电势差的大小”.

为什么静电计指针偏角可以反映电势差呢？

静电计中间由金属球、金属杆、金属指针等构成;外部是一个与底座绝缘的金属圆筒，圆筒底部的接线柱用以接地或者与其它导体相连;绝缘套筒把金属杆和金属圆筒隔开，这样静电计就组成了一个特殊的电容器，外部的金属圆筒与内部金属球、金属杆及金属指针所组成的导体分别充当电容器的两极.

金属指针可绕水平轴灵活转动.当内部的金属杆与指针带电时，金属指针和金属杆有一定的斥力，同时指针还受到外壳内壁上异种电荷的引力作用，也就是说，指针所受作用力的大小决定于壳内空间的电场强度的大小.而电场强度决定于金属杆与金属外壳之间的电势差，因此静电计指针张角的大小由金属杆与外壳间的电势差来决定，即张角θ大小反映电势差U的大小.

静电计的接入影响电容器电荷量吗？

静电计的实物图和电路图，如图11所示，设电容器的电压为U1，静电计的电压为U2，二者相连之后的等效电容器的电压为U，电容器和静电计相联，相当于两个电容器并联，电势差相同，这也是静电计可以测量电容器电压的原因，所以有U=U1=U2.

设未接静电计之前，电容器带电量为Q，因为静电计的接入，导致有一部分电荷Q2转移到静电计上，电容器的带电量减少为Q1，因为电容器和静电计组成了一个孤立系统，依照电荷守恒定律可知，Q=Q1+Q2.

设电容器的电容为C1，静电计的电容为C2，二者并联之后的等效电容为C，将Q=CU、Q1=C1U1和Q2=C2U2依次代入，我们可以推导出电容器和静电计并联之后的等效电容C=C1+C2.

根据电势差相等，U=U1=U2QC=Q1C1=Q2C2，我们可以推导出电容器后来的电量与总电量的关系Q1=Q·C1C1+C2.实验中因为静电计的电容C2很小，即C1C2时，Q1≈Q，所以基本不会改变电容器所带的电量.

4.2 定量探究

除了定性探究影響电容器电容的因素之外，可以定量探究，电容表的出现，使得电容的测量简单易行，定量探究成为可能.

选取20×20cm的正方形不锈钢板作为平行板电容器的两个极板，在板上做好等分面积的线，使正对面积为S0、2S0、3S0……依次改变正对面积，用电容表测出不同正对面积下的电容，画出电容与正对面积的关系图像，寻找二者关系，如图12所示.

再依次改变板间距离d0、2d0、3d0……用电容表测出不同距离下的电容，画出电容与板间距离倒数的关系图像，寻找二者关系，如图13所示.

点评：质疑创新要素分为质疑和创新两个方面，其中质疑要求学生具有批判性思维的意识，能给予证据大胆质疑;创新是指从不同角度思考问题，追求科学创新.在利用静电计测量电容器两极间电势差的时候，只要学生提问为何静电计张角能反映电势差的问题，就说明其不是盲信教材，具有质疑意识.静电计的接入是否影响电容器的带电量，需要考虑到静电计和电容器之间的电容之比，并不是无条件的，这些都是质疑精神的具体体现.实验仪器由静电计改为电容表，数据呈现由定性改为定量，这也是实验创新.

从学业质量水平上来看，如果学生能提出质疑并给出依据，采用不同的探究方式进行实验，属于水平4.

5 结束语

科学思维的各要素之间并非是相互孤立的，但在课堂的不同环节，教师可以有意识地强调科学思维的不同要素.本节课中用Q/U来描述电容器的储电能力，需要先找寻Q-U关系，找寻规律并形成结论的过程就是科学推理.为了寻找规律而进行的实验方案的设计、实验数据的得出和处理过程，就是找寻证据、使用证据和评估证据的过程，这就是科学论证.从实验方案的设计、实验器材的选择，到数据处理方式上都可以出现创新点，而在讨论证据是否可信，实验结论的得出是否严谨，以及实验条件是否成立等环节一般会出现可供质疑之处.相对于旧课标，科学思维是新增的[2]，不但内涵丰富，而且可操作性强，一线教师大有可研究之处.

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]彭前程.《普通高中物理课程标准（2017年版）》的变化[J].课程·教材·教法，2018，38（09）：99-106.

[3]张利国，崔琰，张玉峰.通过中学物理实验发展学生科学思维——以洛伦兹力的方向教学为例[J].中学物理，2020，38（23）：33-35.

（收稿日期：2021-02-23）