基于STEM理念的综合实践活动教学设计——以“电容器的电容””为例

杨晓梅 韩 薇

（宁夏大学物理与电子电气工程学院，宁夏 银川 750021）

2017年教育部颁布的《普通高中物理课程标准》提出：中学教育培养的学生不仅仅能够进行理论方面的推演和探究，还有能力实际动手操作，发现并主动应用知识和技术解决遇到的现实问题.［1］我国教育长期受“应试教育”的桎梏，往往过于注重科学与数学，忽视技术与工程教育，学生的创造力和实践能力较为薄弱，将STEM教育理念融入物理教学非常必要.

科学、数学、技术和工程被称作是STEM教育的“元学科”，这个过程不是将各学科的知识简单叠加，而是强调在分散的学科内容之间找到融合的平衡点，整合形成有机整体.［2］作为偏重实践与创新的物理教学不应该拘泥于理论知识，而要在学科中合理地渗透技术、工程与数学，纳别水之址以厚己，让STEM教育成为我国培育创新型、实践型人才的沃土.

综上，以人教版高中物理选修3-1第1章第8节“电容器的电容”一节教学设计为例，展现STEM理念在物理教学中的拓展应用.

1 “电容器的电容”教学设计

1.1 教学流程图

基于STEM教学理念进行“电容器的电容”综合活动的教学设计，其流程图如图1所示.

图1 教学流程图

1.2 教学过程

1.2.1 情境引入——科学：物理与化学学科结合

（1）“电解水”现象，引入电容器概念.

创设情境：透明塑料罐中加入硫酸钠与酚酞混合溶液，罐上下端皆设铝箔为电极板，接入16 V电源，观察到罐中的接入负极一端电极板附近的溶液逐渐变红，如图2所示.

图2 “电解水”引入实验

引导：为什么接入电源后，接入负极一端电极板附近溶液变红？

知识再认：因为接入负极附近溶液得电子，电解出OH-，OH-遇酚酞变红.

提出问题：如果此时两电极之间不是导体，而是绝缘体，那么电极板上的电子还会移动到溶液中吗？带着这个问题，我们一起进入今天的课程——电容器的电容.

（2）设计意图.

从理科学科化学出发，让学生对电容器的结构以及充电时的电荷分布情况有一个初步的认识，通过化学实验现象与物理新课之间的联系引入知识点，不止局限于单个学科的内部，而是进行跨学科、跨领域的融合与交流，选择一个特定的研究对象，利用不同学科相关的知识进行探究与思考，符合STEM教育理念.

1.2.2 电容器结构探究——工程与科学结合

（1）基于问题情境，探究电容器结构.

创设情境：展示莱顿瓶相关历史视频第一个莱顿瓶的诞生.让学生观察莱顿瓶的结构，体会科学家探究过程中的思维、方法与态度.

建立概念：① 通过观察莱顿瓶，了解电容器结构.如图3所示；②PPT展示莱顿瓶结构图，并提供材料，辅助学生自制莱顿瓶，深入探究电容器的结构.

图3 莱顿瓶结构示意图

提供材料：铝箔纸、保鲜膜、玻璃杯、盐水、胶带、导线、多用电表，讲解多用电表测电容的方法.

自制电容器：如图4所示.

图4 自制电容器

① 分析莱顿瓶结构，画出设计图.

②制作步骤：A.玻璃杯中倒入适量盐水；B.玻璃杯外壁包上一层铝箔纸，用胶带固定；C.保鲜膜覆盖在玻璃杯口；D.将铁钉插入保鲜膜中央，铁钉尾部浸没于盐水，并用胶带固定位置.

③用多用电表测试自制电容器的电容大小，验证制作是否成功.

制作要点：

①铁钉尽量插在保鲜膜中央位置；

② 盐水作为介质，效果比纯净水好.

（2）归纳电容器的基本结构：平行板电容器.

提出问题：如何描述平行板电容器的结构呢？

教师提示：引导学生观察对比各种自制电容器结构以及莱顿瓶的结构图，列出不同的电容器结构上的相同点.

归纳：① 两金属电极相互接近；② 电极间隔着一层绝缘介质.

整理：两个相互接近的金属间隔着绝缘介质，即存在电容.若两电极板为平行的金属板，即为平行板电容器.尝试绘制平行板电容器结构的示意图，如图5所示.

图5 平行板电容器结构示意图

建立概念：在两个相距很近的平行金属板中间夹一层绝缘物质——电介质，就组成一个最简单的电容器，即平行板电容器.

教师引导：咱们结合同学自制的这个装置，回忆本节课开始时老师提出的问题，如果两电极之间不是导体，而是绝缘体，那么电极板上的电子还会移动到溶液中吗？

归纳：若两电极间夹一个绝缘介质，电极板上的电子不会移动到溶液中，由于外接直流电源，接正极一端失电子，带正电荷，接负极一端得电子，带负电荷.这个装置虽无法发生化学反应，但它却是物理学中的重要知识点——电容器.

（3）展示充放电电路的电路图，搭建实物电路.

创设情境：PPT展示电容器充放电电路图，如图6所示.

图6 电容器充放电示意图

教师讲解：充电时，电容器与直流电源接通，与正极相连的金属极板上的电荷向与电源负极相连的金属极板运动，使得与电源正极相连的金属极板失去电荷带正电，与电源负极相连的金属极板得到电荷带负电（电荷大小相等，符号相反）.放电时，充电完毕的电容器位于一个无电源的闭合通路中时，带负电的金属极板上的电荷便会向带正电的金属极板运动，使正负电荷中和.

布置任务：根据电路图，自行搭建电容器充放电电路.

提供材料：电容器充放电演示板、导线、学生电源.讲解学生电源与电容器充放电演示板的使用方法.

搭建电路：如图7所示.

图7 搭建充放电电路

①利用导线，将电源与石英钟接入电容器充放电演示板的电路.

②对电容器进行充放电操作，观察石英钟的秒针是否走动，验证电路搭建是否正确.

建立概念：电容器类似于一个“蓄电库”，电路中有电源时储存“电”，电路中无电源时将储存的“电”供给用电器使用.

教师提示：注意到实验中若充电电压发生改变.指针走的格数也发生改变.

提出问题：影响电容大小的因素是什么？

猜想假设：可能与电压和电荷量有关.

布置任务：课后进行预习，查阅相关资料，为下一节课——探究电容的定义式做准备.

（4）设计意图.

技术素养，即对技术工程设计与开发过程的理解.［3］应用于该教学中，表示为如何选择、搭建与操作实验仪器.工程素养，即对技术工程设计与开发过程的理解.应用于该教学中，指的是了解与自制实验器材.三者结合，表现在科学知识融入自制电容器以及后续一系列实验 探究，将理论知识与实际操作紧密结合，以科学为“基石”，使每一个操作都严密科学、有据可循.

2 小结

STEM教育中4门学科的教学必须紧密相连，以整合的教学方式培养学生掌握知识和技能，并能进行灵活迁移应用于解决真实世界的问题.［4］类似于探究性学习，STEM教育同样倾向于建设以学生为主体的物理课堂，使学生在学习的过程中完成知识的自我建构，形成完整的知识网络.STEM教育中学生活动的自主性、探究性、互动性为学科教学方式的转型提供借鉴，STEM教育是落实学科核心素养的一条有效途径.［5］当学生遇到实际问题情境时，可以提出合理而创新的解决方法，切实体验各学科融合所迸发的创新火花.