任務分析法在物理主題活動課教學中的應用
——以改進平行板電容器演示實驗為例

鄧鐵橋

(中南大學第一附屬中學,湖南 長沙 410083)

任務分析法是通過對主題活動內容和活動對象分析,確立活動目標,并對主題活動結果分類,再根據所得結果,確定活動順序、使能目標和學生活動起點的方法.[1]任務分析法有程序化、邏輯性和啟發性強的特點,使主題活動積極有序地進行,使疑難問題迎刃而解,學生易接受、樂參與,是動手動腦學物理的有效途徑. 物理主題活動是綜合實踐活動的重要組成部分,內涵豐富,但鑒于千校一面的教學模式,教學效果并不理想.文章通過主題活動課——改進平行板電容器演示實驗,探尋任務分析法在物理主題活動課(以下簡稱:活動)教學中的應用方法,[2]以期利用主題活動的方式,提高學生的實驗能力和自主創新的能力.

1 活動對象和活動方法

1.1 活動對象

高中二年級(1)班(35人).

1.2 活動方法

圖1 平行板電容器實驗裝置

采用人教版普通高中課程標準實驗教科書物理選修3-1(第30頁)實驗:“研究影響平行板電容器電容大小的因素”,原實驗裝置如圖1所示,用靜電計監測已經充電的平行板電容器極板間電勢差的變化,判斷電容器的電容與相關因素間的變化關系.靜電演示實驗很難收到預期效果,實驗時靜電計指針擺動幅度很小,中、后排學生觀察不到現象,嘗試用活動的方式由學生對實驗加以改進.

活動主要考察學生對帶電方法的分析與改進;對實驗裝置的分析與改進.通過學生分析摩擦起電與感應起電的實例,了解影響物體帶電荷量多少的因素;通過學生觀察靜電計指針擺動幅度的變化,分析引起電勢差變化的原因.通過學生動手實驗,了解學生實際應用控制變量法的情況,發現實驗裝置的操作不便之處,最終逐一解決實驗中發現的問題.

2 活動任務分析

2.1 活動動機激發的任務分析

活動內容屬于靜電場學習的難點,要對此實驗進行改進就更具挑戰性.學生參加這種主題活動難免有畏難情緒,活動中教師要鼓勵學生,讓學生增強學習的信心,同時創設新的問題情景,如為什么用感應起電機給電容器帶電實驗效果也不明顯?除了平行板電容器以外還有萊頓瓶,引出實驗裝置中還存在多個等效電容的問題,由此激發學生的好奇心.

2.2 活動目標任務分析

活動目標是活動過程必須達到的終點,同時也是教學過程的依據.活動方式的選擇,活動進程的安排等方面都要以活動目標為依據展開.活動的教學目標可以分為4個層面.

物理觀念:[3]建立等效電容的概念,知道電容器的并聯,深入理解摩擦起電和感應起電的本質,能根據控制變量法的經驗發現實驗裝置的不足之處.

科學思維:培養學生的抽象思維、形象思維、類比聯想等能力.

科學探究:探索用于起電的材料和操作方法,對實驗裝置作科學改進.

科學態度與責任:通過對實驗的改進,培養創新精神和研究能力,體會物理知識的和諧美、實驗裝置的動態美.通過主題活動課建立辨證唯物主義觀點.

由于培養科學態度與責任貫穿活動過程的始終,因此對活動目標進行分解時,只對前3項目標分層設定為2個使能目標.主題活動子目標任務分析見圖2.

圖2 活動子目標任務分析

分析實驗中靜電計指針擺動幅度小的原因.這個使能目標要進一步拆分成2個小目標:用摩擦過的玻璃棒或橡膠棒使電容器極板帶電荷量少;用感應起電機使電容器極板帶電時在操作過程中極板上電荷量變化小.前1個小目標的內容在初中階段已經掌握,且在本學段已認識到帶電量與表面積的關系,目標容易實現.而用感應起電機使電容器極板帶電時,涉及等效電容的概念和電容器的并聯,在活動中需要適當講授.

分析實驗裝置在操作方面的缺陷.這個使能目標可以分為3個小目標:原來實驗裝置改變極板間距離時,靠徒手操作極板上的絕緣手柄,很難控制極板正對面積不變;同理,改變極板正對面積時,很難控制極板間距離不變;在插入介質時,很難控制極板間距離和極板正對面積都不變.而控制變量法是學生已經掌握的基本方法,學生只要在實驗操作時多加練習即可.

2.3 活動內容任務分析

活動內容包括2個部分: 分析實驗中靜電計指針擺動幅度小的原因及實驗裝置在操作方面存在的缺陷;改進實驗裝置和實驗方法.其中靜電計指針擺動幅度小的原因涉及:電勢差、電荷量及其變化、帶電體的材料、起電方法、等效電容及電容器的并聯.分析實驗裝置在操作方面的缺陷,包括控制變量法在實驗操作中的運用,改進實驗則需要創新發明.

活動的過程是師生互動、獲取信息、處理信息、探索創新的過程.教師要收集掌握學生的前概念,為了確?；顒拥挠行院透咝?學情分析是任務分析的重要環節.活動的學情分析除了對學生已經掌握的知識與技能和活動可能出現的錯誤進行分析以外,更重要的是還要分析研究學生的創新能力是否能順利完成活動任務.活動學情分析見圖3.

圖3 活動學情分析

研究影響平行板電容器電容的因素是選修3-1靜電場中的內容,在此之前學生已經學過相關知識,對電容器及其電容有所了解,知道影響平行板電容器電容的因素.掌握電場強度和電勢差的概念,知道起電的原因是電荷的轉移,了解感應起電機和靜電計的用途,能在實驗中靈活運用控制變量法.同時本校是科技創新特色學校,本屆學生已榮獲一項省級創新金獎,具備一定的創新實力.只要教師在活動中引導得當,改進實驗成功的希望就很大.

2.4 活動過程任務分析

主題活動過程見圖4.

圖4 活動過程任務分析

活動過程中,每一個使能目標完成時應及時給予評價總結,給學生消化整理的時間.新知識對于原有知識而言往往是上位知識,在教學中采用復習提高的方式加深,因勢利導讓學生實現從舊知識到新知識的突破,有利于更上一層目標的完成.

3 任務完成情況總結

3.1 實驗中靜電計指針擺動幅度小的原因

用摩擦過的玻璃棒或橡膠棒雖然能使電容器極板帶電,但棒帶的電荷量少,棒的表面積比電容器極板面積小很多,加之棒又是絕緣體,電荷在其上不容易移動,如果用接觸起電方式,只能使電容器極板帶很少的電荷量;如果用感應起電方式,將帶電體靠近極板,用手摸一下極板后移開帶電體,這塊極板就會帶上與帶電體相反的電荷,由于帶電體不能在極板附近形成足夠強的電場,電容器極板帶電荷量也很少.

用感應起電機使電容器極板帶電,用導線將兩放電桿分別與電容器兩極板連接,再與靜電計并聯起來.轉動感應起電機,平行板電容器就會帶上等量的異種電荷.但是,感應起電機集電桿、放電桿和萊頓瓶組成的等效電容C1比平行板電容器的電容C2要大得多,后者一般在30 pF以下,此外還有靜電計電容C3、電容器手柄與極板間形成電容C4、連接的導線間電容C5,這些電容組成并聯關系.測試表明,除C4約6 pF以外,其余C3和C5很小可忽略.由于C2不夠大,在調節C2時對總電容的影響較小,極板間電勢差變化很小,使得靜電計指針擺動幅度變化小.[4]

3.2 原實驗裝置在操作方面存在的不足

原來實驗裝置在改變極板間距離時,很難保證極板正對面積不變.同理,分別改變正對面積和插入介質時,也很難控制另外的變量不變.

3.3 改進措施

3.3.1 改進帶電方法

用有機玻璃板或光盤代替玻璃棒或橡膠棒,有機玻璃板或光盤面積大,摩擦后帶電荷量很多,能在極板附近形成足夠強的電場.不使用接觸起電,改用感應起電方法使極板帶電,先將平行板電容器的兩個極板靠近,再將摩擦起電后的有機玻璃板或光盤接近平行板電容器的一個極板,用手分別接觸一下兩個極板,這樣電容器就能帶上足夠多的電荷量.

3.3.2 改進實驗裝置

圖5 滑動式平行板電容器實驗裝置

給裝置加裝軌道和滑桿,或將實驗移到光具座上進行.如圖5所示,光具座上有軌道、滑動底座和刻度尺,滑桿固定在滑動底座上,兩塊極板分別安裝在滑桿上.這樣在改變極板間距離時,在軌道約束下只要移動底座,就能準確控制極板正對面積不變.改變極板正對面積時,底座不動,在滑桿約束下將其中一塊極板上下移動即可.同理,插入介質時,也很容易控制另外的變量不變.

應充分縮短作連接用的導線,并使兩根導線遠離,導線盡量不要彎折,減少實驗中的放電現象.進一步可以將光具座鋸掉約30 cm長,全部器材組裝成一個演示儀，配特制的箱子以保持潔凈,箱中裝配一盞100 W的白熾燈,作干燥用.實驗證明,改造以后演示實驗效果非常理想.

物理主題活動內容不受課程標準的限制,空間和時間靈活機動,內容豐富,促使學生動手與動腦學物理,實踐與探索緊密聯系起來.從任務完成情況來看,學生對實驗的改進很成功,任務分析法推動物理主題活動課教學是有效的.

課堂教學能讓學生掌握一定的物理知識和研究方法,但課堂教學時間有限,不能完成教師布置的或自己想要解決的問題.物理教學以實驗為基礎,隨著時代的發展,教學理念不斷更新,傳統實驗需要創新.教師要引導學生捕捉課堂教學的不足,靈活地應用已有的知識與技能,去解決課堂上遇到的實際問題,即便是一個很不起眼的小問題,去進行新的或較深層次的思考,任務分析法可以促進物理課堂教學的有效發展.