以科學方法引領物理核心知識的深度學習①
——以人教版“電容器的電容”教學為例

(江蘇省太倉高級中學，江蘇 太倉 215411)

1 科學方法的教育價值

科學方法是人們在認識和改造客觀世界的實踐活動中總結出來的思維方式和行為方式，科學方法不僅是中學物理教學的重要內容，還是獲取物理核心知識的重要手段，更是培養學生關鍵能力的重要途徑。

首先，科學方法具有同化價值，掌握科學方法能更好地獲取、理解物理知識。其次，科學方法具有建構價值，能幫助學生建立知識結構，使知識體系化和觀念化。再次，科學方法具有實用價值，是解決問題的有效工具。

2 物理核心知識的深度學習

核心知識是知識中的關鍵部分，是形成核心概念和關鍵能力不可或缺的基石。從生活中的物理現象到核心知識，到物理核心概念，再到物理觀念的構建是一個曲折和螺旋上升的過程，主要包括三個過程、四個要素：從物理現象到物理核心知識的體驗和感悟過程、從物理核心知識到物理核心概念的整合和聯結過程、從物理核心概念到物理觀念的提煉和升華過程(如圖1)。

圖1

因此必須實現對物理核心知識的深度學習，深刻把握核心知識的豐富內涵和多維意義，才能發展學生的物理學科核心素養。深度學習強調對知識本質的理解和對學習內容的批判性吸收與利用，追求有效的學習遷移和真實問題的解決，屬于以高階思維為主要認知活動的高投入、有意義學習。

3 以科學方法引領核心知識的深度學習

深度學習追尋知識與思想方法、情感、邏輯、意義、價值的整合建構，以科學方法為主線組織教學，充分發揮科學方法的教育價值是實現核心知識深度學習的有效途徑。“電容器的電容”教學中蘊含著豐富的思想方法，以下就以本節教學為例，談談具體教學實踐過程和策略。

3.1 認識電容器

電容器的構造和作用是本節課的一個核心知識，可以借助觀察法和分析推理法實現深度學習。

3.1.1 觀察法

觀察法是科學研究的基礎方法，觀察什么？如何觀察？需要指導學生。

觀察1：借助投影展示拆開的紙質電容器，引導學生觀察它的內部構造。

電容器有兩片錫箔(導體)，中間用浸過油的紙(絕緣體)隔開，每片錫箔上引出一個電極，兩個彼此絕緣又相互靠近的導體可以看成一個電容器。

觀察2：展示如圖2所示的充、放電路圖，接下來呈現筆者自制的實物線路板(如圖3)，讓學生仔細觀察電容充、放電時電流表和電壓表的指針偏轉情況。

圖2

圖3

引導學生觀察：(1)開關K擲向1時有什么實驗現象？(2)K擲向2時有什么實驗現象？

當K擲向1時，學生觀察到：電流表指針向右偏轉后擺回“0”刻度，電壓表指針向右擺動到某個值后不動；當K擲向2時，學生觀察到：電流表指針向左偏轉后又擺回“0”刻度，電壓表指針擺回“0”刻度。

3.1.2 分析推理法

分析推理是幫助學生深度理解知識的重要方法，學生在自主分析推理的基礎上才能建構知識的意義。針對學生觀察到的現象，通過問題驅動與學生深度對話，幫助學生認識電容器的作用。

師：電流是怎么形成的？

生：自由電荷的定向運動。

師：K擲向1時，流過電流表的電荷有沒有穿過電容器？為什么？

生：沒有，從電容器的結構可以看出兩個極板彼此絕緣。

師：那么流過電流表的電荷到哪里了？

生：儲存在電容器的極板上。

師：所以電容器的作用是什么？

生：容納電荷。

師：這個過程叫電容器的充電，電容器容納電荷后，儲存了電能，此時兩極板間有電勢差，它有對外做功的能力。

師：K擲向2時，流過電流表的電流為什么和K擲向1時相反？

生：此時電容器的兩個極板被直接接在一起，電容器要放電，自由電荷移動的方向和充電時相反。

教學意圖：在實驗觀察的基礎上，引導學生對現象進行分析，理解電容器的充、放電現象和其在電路中的作用。

3.2 電容器電容的定義

電容器電容的定義是本節課的重難點，需要借助多種科學方法幫助學生深度建構。

3.2.1 類比法

要研究電容器容納電荷本領的大小，就得研究電容器容納的電荷量Q和兩極板電勢差U之間的關系。采用實驗的方法進行研究，需測量電荷量和電勢差。

師：電勢差可以通過電壓表測量，電荷量不好直接測量，怎么辦呢？

生1：用電流的定義式I=Q/t,得到Q=It，用電流表測出電流就可以算出。

生2：這樣計算的話電流必須是恒定的，但是電容器的充、放電電流是變化的。

師：很好，對于如圖4所示的變化電流，如何測量Q呢？

生3：計算圖像與坐標軸圍成的“面積”。

師：你是怎么想到的？

生3：類似于勻變速直線運動的v-t圖像的“面積”。

師：這里運用了類比方法。

圖4

圖5

3.2.2 實驗探究法

要研究電容器容納的電荷量Q和兩極板電勢差U間的定量關系，可借助DIS實驗系統，用電流傳感器和電壓傳感器進行實驗。

開關K擲向1時，電腦上會顯示出I-t圖像(如圖5)，選擇充電電流與坐標軸圍成的區域，點擊軟件“數據分析”中的“積分”選項，就可測出電容器的電荷量。對于一個電容器測5組數據，測完后再換一個電容器進行測量，將所測數據記錄在表1中。

表1

3.2.3 作圖法

為了形象直觀反映出Q與U間的關系，讓學生分別做出兩個電容器的Q-U圖像(如圖6)。

圖6

師：從圖像中能得出什么結論？

生1：對于同一個電容器，Q與U成正比，即Q與U的比值不變，不同的電容器Q與U的比值不同。

師：這個比值越大說明什么？

生2：說明在相同電壓下，能夠容納的電荷越多。

3.2.4 比值定義法

可以發現電容器容納電荷的本領與兩極板間電勢差有關，電容器容納電荷的本領可以用Q/U來表示，這個比值越大說明電容器容納電荷的本領越強，把這個比值就定義為電容器的電容C，C=Q/U。

教學意圖：教材中電容器電容的定義是用盛水容器來類比定義的，水和電荷之間有諸多不同，采用定量的實驗探究和作圖法進行比值定義更能促進學生深度理解電容概念的內涵。

3.3 研究平行板電容器的電容

對于平行板電容器電容決定式的得出，教材中表述為：“理論分析表明……”，以高中學生的知識儲備和基礎，對此較難理解，可以在定性探究的基礎上進行適度的定量探究。

3.3.1 控制變量法

展示教學用的平行板電容器，讓學生猜想平行板的電容器的電容與那些因素有關。

生1：可能與兩板間的距離、絕緣介質的材料、極板的材料和正對面積有關。

師：要研究電容與這4個因素間的關系，用什么方法進行研究？

生2：控制變量法。

3.3.2 轉換法

在研究影響平行板電容器電容大小的因素實驗中，對于用靜電計定性反映電容的變化，需要理解三個轉換關系。

轉換1：從電容的定義式C=Q/U出發，容易測量的是電勢差U。保持Q不變，將測定電容C轉換為測定電勢差U。

轉換2：平行板電容器的兩個極板分別與靜電計的金屬球和金屬外殼相連，它們的電勢分別相等，從而將測定平行板電容器兩極板間的電勢差轉換為測定靜電計金屬球和金屬外殼間的電勢差。

轉換3：將測定靜電計金屬球和金屬外殼間的電勢差轉換為測定可視化程度較高的指針的偏轉角。從結構上看，靜電計其實是一個非平行板電容器，一個極板為外殼，另一個極板為金屬桿，它們之間會形成一個非勻強電場，由于金屬桿和金屬外殼間的距離不變，所以當金屬桿和金屬外殼間的電勢差越高時，靜電計內部的電場越強，靜電計指針偏轉的角度就越大。

圖7

3.3.3 從定性到定量

借助數字化電容計，筆者在網上買了兩塊邊長為20cm的正方形薄鋼板，在其間夾入邊長也為20cm的正方形的240張紙(如圖7)，測量其電容大小，接下來減少80頁，再測量；再減少80頁，再測量(如表2)。

表2

在教學中只研究了平行板電容器的電容和紙的張數(距離)間的關系，對于其與正對面積間的關系由于邊緣效應，測量數據誤差較大。

教學意圖：定性研究影響平行板電容器電容大小的因素的實驗中蘊含著豐富的科學方法，學生很難在理論上理解平行板電容器電容的決定式，通過數字化電容計測定其與距離間的定量關系，可以幫助學生理解。

3.4 科技前沿介紹

為了讓學生了解科技發展的前沿，筆者推薦學生觀看CCTV10《走進科學》播出的“超級電容”內容。超級電容器是一種新型綠色環保物理儲能器件，可短時間大功率輸出，功率密度遠高于鋰電池，充放電循環次數達50萬次以上，壽命達10年以上。

可以用舉例法列舉具體事例和數據，說明超級電容器的巨大應用前景：純電動公交車常規充電通常要用7個小時左右，采用超級電容器供電時，充電只需要不到30秒。

4 結語

為實現物理核心知識的深度學習，需要充分挖掘科學方法的教育價值，以科學方法為主線，組織、整合物理核心知識教學，這樣一方面有助于將物理核心知識凝練、升華為物理觀念，另一方面有助于學生在掌握科學方法的同時發展科學思維能力，提高其物理學科核心素養。