在教學實踐中尋找培養學科核心素養的支點
——以“電容器的電容”為例

吳 敏

(江蘇省常州市第二中學，江蘇 常州 213003)

“電容器的電容”是一節概念規律課,在“核心素養”觀念的引領下,需要考慮如下問題,以便能找到準確的教學支點,有效地培養學生的核心素養: (1) 如何優化體驗式實驗設計,創造培養科學思維的機會; (2) 如何組織科學探究、深化科學思維,促成物理觀念的建立; (3) 如何滲透物理文化,關注科學態度與責任．圍繞以上這幾個問題,談談筆者的幾點認識與做法．

1 在電容器的發明、使用過程中滲透物理文化,關注科學態度與責任

電容器的發明是伴隨著早期電學實驗的需求而生的,電容器的出現,使儲存電荷成為可能,電學實驗先驅們不惜冒著生命危險做各種電學實驗研究,有的甚至付出了生命的代價,這是非常珍貴的教育資源,也是培養學生科學態度和責任的絕佳素材，所以在新課引入、結束部分是這樣設計的.

教學片段1： 電容器的導入部分.

師:今天的我們正享受著電氣時代的便捷,但不能忘記電學研究先驅們早期的探索．

圖1

18世紀初人們已經發現了摩擦起電,有了摩擦起電機,但麻煩的是起電機一停止工作、電就逐漸消失了,要是能把“電”裝在一個容器里,該有多好，如圖1所示.

1845年,萊頓瓶的出現……萊頓瓶的發明轟動了整個歐洲,如圖2所示.在當時做電的實驗是一件非常時髦的事情．除了科學家在做,包括很多的達官顯貴、普通大眾爭相做實驗、表演．有人用電來點燃火藥,殺死老鼠等.

圖2

配合演示實驗:用400 V,100 μF的電容器點亮220 V的白熾燈,讓導入部分既有語言上的感染也有感官上的真實體驗．

師:各種形式的萊頓瓶當今仍然被應用于各種電氣設備中．不過今天使用的這些儲存電荷的器件,形式更為新穎,尺寸更小,連名字也改了,標為電容器．今天我們學習電容器及電容器的電容．

教學片段2:課堂結束部分.

引發思考:瘋狂實驗到底發生了什么?

法國物理學家諾萊特在巴黎修道院門前調集了700名修道士,讓他們手拉手排成一行．隊伍全長900in(275m),規模十分壯觀．法國國王路易十五及其皇室成員被邀請觀看．若萊特讓隊首的修道士拿住萊頓瓶,讓隊尾的修道士手握萊頓瓶的引線，如圖3所示．當萊頓瓶放電時,一瞬間700名修道士全都跳了起來,其滑稽的舉動給人留下深刻的印象,也令人深切地感受到了電的力量．

圖3

師:早期的電學實驗是相當危險的,幾乎所有的電學家都有遭受雷擊的經驗．富蘭克林有一次用萊頓瓶放電,準備電擊殺死一只火雞,不料實驗還未開始就碰到了瓶子,結果當場被電擊暈過去．等他醒來后說了一句非常幽默的話:“好家伙,本想電死一只火雞,結果差一點電死一個傻瓜”.今天的我們享受電氣成果的同時,更應緬懷那些科學先驅們!

2 在體驗電容器的工作過程中創造培養科學思維的機會

圖4

體驗式實驗一般用來對問題作定性研究,強調學生的直觀感受．要認識電容器,就要了解電容器充放電的工作過程,最好的處理手段自然是通過學生自己的實驗體驗而獲得對這個問題的認知．但這個體驗式實驗如果課前教師把電路搭好,學生只需機械地撥撥開關,看看電流表指針的偏轉情況,那就錯失了培養科學思維的機會．基于這樣的思考,對課本上的充放電電路做了兩點改進: (1) 用發光二極管代替電流表．發光二極管的單向導通特性正好能顯示充放電時的電流方向,發光的這個特點可以強化視覺感知; (2) 在充放電電路中分別串入一適當阻值的電阻,以延長充放電的時間,便于實驗觀察．

教學片段3:體驗電容器的工作過程.

學生實驗:充電電路如圖4所示.

生:二極管剛才發光了,但后來又滅了,我懷疑是接觸有問題……我也是觀察到同樣的現象,我的好像也接觸不好……(教室里蠢蠢欲動了)

師:個別接觸不良是可能的,大家都有接觸不良,就得重新思考這個問題了．現在我們先來想想二極管剛開始發光了,這說明什么呢?

生:有電流流過.

師:電流是電荷的定向移動產生的.

生:電荷在電路中發生了定向移動.

師:能確定電流是沿什么方向?

生:順時針(比劃著說).

師:電荷朝這個方向的移動,對電容器而言結果是什么呢?

生:電容器儲存了電荷.

師:與電源正極相連的上極板不斷地堆積正電荷,下板聚集了負電荷．兩板間形成了不斷增大的電場．那怎么電流不能一直持續呢?

生:會不會是電容器的兩板間電壓大了,后來電流就流不動了?

師:我們來測下一充電完畢的電容器兩端電壓,發現電容器兩引腳間的電壓和電源電壓兩者相等．

生:電容器的兩端電壓增大到電源電壓時,就不再充電了．

師:電容器充電結束．極板帶異種電荷而相互吸引,電荷儲存在電容器,此時,電源的電能轉化為電場能儲存在電容器中．

圖5

電容器放電實驗電路如圖5所示,學生根據掌握的充電過程,預測并解釋放電過程的實驗現象．

通過對充電過程的教師和學生的對話理答,有意識地對學生的思維進行訓練,創造機會使學生科學思維得到鍛煉,課堂積極思考的氛圍也被營造起來了．學生除了對電容器的充放電工作過程有一個清晰的認識,更主要的是在這個體驗的過程中發展起來的.根據已有的證據對問題進行描述、解釋和預測的能力得到了培養,提升了科學思維的能力．

3 在電容概念的建立過程中形成物理觀念、推進科學探究與思維向縱深發展

本節課中電容的這個核心概念的建立是一個難點,但同時也是培養學生核心素養的優質教學資源,能很好地提升學生實驗探究的能力,發展深度科學思維的品質．

教材中對“電容”的概念建立是這樣描述的:實驗表明,一個電容器所帶的電荷量Q與電容器兩極間的電勢差成正比,比值Q/U是一個常量．不同的電容器這個比值一般是不同的,可見,這個比值表征了電容器儲存電荷的特性．倘若課堂上如此建立電容的概念,總感覺有些蒼白,學生頭腦中的好些疑慮還沒真正得到梳理和解答．

疑慮1： 為什么不直接用電容器的帶電量來表征電容器儲存電荷的本領呢?

疑慮2： “實驗表明”怎么做實驗呢,課堂上能做嗎?

疑慮3： 極板間的電勢差可以用電壓表測量,那帶電量Q如何測量呢?

疑慮4： 為什么Q/U是一個常量,就可以用這個比值來定義電容器的電容．

教學片段4:電容器的電容.

師:不同的電容器容納電荷本領的大小一般不同,那你想用什么物理量來表示電容器的儲電本領大小呢?

生:“電荷量Q”(直覺).

圖6

師:出示演示電容器充放電的電路板，如圖6所示.特別交代電流傳感器的作用,和在I-t圖像上用圖線與時間軸所謂的面積表示電荷量Q(圖7).

圖7

演示實驗:分別用2 V、4 V、6 V給電容器充電,利用DIS實驗完成電荷量的數據,填入Excel表格(圖8),引導學生提煉電荷量與電壓之間的關系.

生:電壓越大,帶電荷量越大．

圖8

圖9

師:進一步確認關系:利用Excel中圖像,發現數據點是過原點的直線(圖9).

圖10

生:同一個電容器,帶電量與充電電壓成正比(數學上學過).

師:其他的電容器也有這樣的特性嗎?繼續實驗同樣的方法得出電容器2的數據，如圖10、圖11所示.

圖11

圖12

師:把電容器1、2的數據畫在同一個坐標系中,發現是兩條不同的直線,(圖12)引導學生比較:哪只電容器的儲電本領大?

生:在相同的電壓下,例如: 2 V電壓,電容器1的帶電荷量3.349 mC,電容器2的帶電荷量1.711 mC所以電容器1的帶電荷量多,所以電容器1的儲電本領強．

師:現在大家覺得要比較電容器儲存電荷的本領大小是用電荷量Q表示,還是用相同電壓下的電荷量表示?對!即應該用單位電壓下的帶電荷量來比較,這才是公平的較量.

通過直觀的演示實驗探究,一步步來消除前概念的影響,帶電荷量是隨著電壓在變化的,不能簡單地用帶電荷量來表征儲電本領．通過兩個不同電容器的比較測量,借助真實數據,學生自覺建立起比較電容器儲電本領的大小時需要在相同的電壓下比較帶電荷量,或者用相同的帶電荷量比電壓(理性的思考)．而不是簡單得出Q/U是一個定值后,直接給出電容的定義式．這種在教師的引導下逐漸自主建構電容概念的教學,能幫助學生領會概念的內涵,體會物理學在描述大小、強弱時慣用的科學思維方式．

本課另一塊重要的教學內容 “探究平行板電容器的決定因素”是一個典型的通過實驗探究獲得規律認知的教學素材,在這個過程中包含著實驗探究的一般步驟、思考模式和對結論的處理方式．這段教學要做到就是讓學生經歷的是真探究,避免課堂表面上熱鬧,讓真探究、深思維、自然促成清晰的物理規律．

教學片段5： 探究平行板電容器的決定因素.

環節1： 提出猜想.

猜想是探究活動的重要環節,而假設猜想是在一定的現象和有關理論的基礎上提出來的,不能漫無目的地瞎猜．此處如何避免不著邊際地猜想呢?教師要引導學生根據現象或概念理論提出自己的猜想．

師:彼此絕緣又相互靠近的導體就組成了電容器,結合實物演示:不一樣大的銅板、鋁板．理解平行板中間絕緣物是空氣．那電容器概念中的“靠近”是什么意思?

生:可以這樣叫靠近,適當拉開些也能認為是靠近吧,“靠近”指的是距離.

師:能說得具體些嗎?哪里的距離?

生:兩板間的距離．

師:大家可以先猜一猜,影響平行板電容器的電容有哪些因素?

學生根據教師提供的“不一樣大的兩塊銅板、兩塊鋁板”直覺猜測相關影響因素有:面積(不一樣大),極板的材料(銅、鋁),中間的絕緣物(空氣),還有認識到的“靠近”(板間距離)．

環節2： 展現驗證環節之前的邏輯性.

在猜測環節后發現有這么多的影響因素,實驗當然采用“控制變量法”即只改變d， 只改變S，插入電介質,但這樣就進入實驗論證環節是突兀的．這里還有一個問題要引發學生思考清楚:如何判斷電容器的電容變化?

師:通過什么方法可以判定電容變大,或變小呢?

師:對,式子中的電壓U容易觀測的,要是控制Q不變,通過電壓的變化,就可以得出電容C的變化．帶電荷量Q怎樣才會不變呢?

生:充好電后不放電.

師:好主意,充好電的電容器和電源斷開,正負電荷相互吸引,儲存在兩板上．

教師邊講邊做,避免空洞教學．兩板間的電勢差可以通過靜電計來反映．連接靜電計和兩極板,通過導線連接電勢相等的知識理解:一板和金屬球等勢,另一板與靜電計的外殼等勢,這樣兩板間的電勢差就可以通過靜電計的指針張角來反映．指針偏角越大,表示電勢差越大．

圖13

環節3： 實驗探究.

用起電機讓極板帶上一定量的電荷,斷開和起電機間的導線,使板上電荷量Q一定．分別改變距離(圖13),正對面積(圖14)、插入拔出紙張(圖15)．記錄實驗現象,交流討論自己的結論．

圖14

圖15

環節4： 科學探究后交流討論.

除了這個實驗本身觀察到的現象之外,學生發現做這個實驗時還有一些“奇怪”的操作,做實驗時是為什么還架著浴霸燈在烤實驗器材?在實驗桌上為什么還墊了泡沫板?實驗前為什么用紙巾擦手?等等.

這些看似與本實驗結論無關的問題恰好反映了學生的探索欲,這種可貴的精神,切不可抹殺掉．若干年之后,學生或許不記得平行板電容的決定式了,但在實驗探究過程中用到的控制變量的方法,為了控制某個變量所做的努力,必將終生難忘吧．

上述實驗探究教學中,學生遷移相關物理觀點、思想和方法到新的問題情境中,并作出新的應用．如猜測電容與什么因素有關,采用控制變量法設計方案,通過邏輯推理來得到判斷電容變化的依據.這些必將有利于物理觀念的形成,掌握科學探究問題的方法,推進科學思維向縱深發展．

結束語:本節課從課前設計到課堂實施始終圍繞著追尋學科核心素養的培養來展開,抓住電容器的電容特有的教學資源,找到其中的關鍵點、支撐點,合理設計和使用,培養學生物理觀念、科學思維、科學探究、態度和責任等要素的協同發展．

參考文獻：

1 余華云.基于核心素養的高中物理教學探析[J].中學物理教學參考，2016(10)： 2-4.

2 劉炳昇.從“物理核心素養”的視角思考物理復習教學問題[J].物理之友，2017(1)： 1-4.