基于批判性思維的高中物理課堂教學(xué)設(shè)計(jì)探討
——對“電容”概念引入片段的審視

(南京師范大學(xué)附屬中學(xué)，江蘇 南京 210003)

《普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)(2017年版)》將批判性思維列入課程目標(biāo)，要求學(xué)生“具有批判性思維的意識”“能基于證據(jù)大膽質(zhì)疑，從不同角度思考問題，追求科技創(chuàng)新”。要培養(yǎng)學(xué)生有批判性思維，首先就要有能夠進(jìn)行批判性思維的教師，即教師在教學(xué)過程中必須客觀地、冷靜地審視自己的思維，發(fā)現(xiàn)并及時修正思維謬誤。筆者基于批判性思維能力的培養(yǎng)目標(biāo)，從青年教師基本功大賽的一道試題入手，對目前“電容”概念引入的幾種做法進(jìn)行審視，以期提升我們自己和學(xué)生的思維品質(zhì)。

試題：有教師為了引入電容概念，制作了以下動畫課件。如圖1所示，電容器通過單刀雙擲開關(guān)分別與電源和靜電計(jì)相連，當(dāng)開關(guān)S接到1時，電源對電容器充電；當(dāng)S接到2時，靜電計(jì)顯示電容器兩端電勢差的大小。

圖1

播放課件可見：用不同的電源對電容器充電，電容器所帶電荷量大小不同，電容器放電后靜電計(jì)兩端電勢差也不同。當(dāng)電容器帶一個單位電荷Q時，靜電計(jì)的示數(shù)為U；當(dāng)電容器帶兩個單位電荷2Q時，靜電計(jì)示數(shù)為2U，當(dāng)電容器帶三個單位電荷3Q時，靜電計(jì)示數(shù)為3U，……

(1) 指出該教學(xué)過程中存在的問題；

(2) 對電容概念引入過程進(jìn)行教學(xué)設(shè)計(jì)。

本題的命題意圖是考查教師的批判性思維水平，但選手的答案大多淺嘗輒止，僅僅停留在用課件取代實(shí)驗(yàn)上。應(yīng)該怎樣從批判性思維方面來審視這個概念引入的片段？筆者認(rèn)為可從尋找邏輯謬誤與價(jià)值判斷兩個視角進(jìn)行審視。

1 尋找教學(xué)設(shè)計(jì)中的邏輯謬誤

1.1 課件設(shè)計(jì)中的邏輯錯誤：循環(huán)論證

值得商榷的是：課件中并沒有測量電容器電荷量的儀器，怎么知道電容器所帶的電荷量是幾個單位？

有教師會說電容器兩端的電勢差等于電源電動勢，電容器所帶電荷量大小與電源電動勢大小成正比，所以可以用電源電動勢大小表征電容器所帶電荷量的大小。這個結(jié)論是正確的，但是存在兩個問題。

(1) 什么情況下電容器兩端的電勢差等于電源電動勢？構(gòu)建電容器充電電路模型如圖2所示。當(dāng)充電結(jié)束時，充電電路中電阻R上有阻無流，電容器兩端電勢差與電源電動勢相等。但是這與電容器所帶電荷量有什么關(guān)系？

圖2

圖3

(2) 當(dāng)單刀雙擲開關(guān)S接到2后，電容器將對靜電計(jì)放電，這時電容器兩極板所帶的電荷量q不再等于CE，這個電荷量應(yīng)是多少呢？

顯然，只有當(dāng)C?C1，即電容器電容C遠(yuǎn)大于靜電計(jì)電容C1時，才有q=qm=CE。

1.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)中的邏輯錯誤

(1) 循環(huán)論證

圖4

(2) 不當(dāng)類比

(3) 前提失當(dāng)

有選手利用電容器放電電流驅(qū)動石英鐘來設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，認(rèn)為石英鐘走動的時間與電容器容納的電荷量成正比，并以此驗(yàn)證電容器兩極板電勢差相同時電容器電荷量與電容成正比，同一電容器所帶電荷量與電勢差成正比。然而這個前提是否妥當(dāng)卻值得商榷！

比較以上這些做法，可以發(fā)現(xiàn)不論是用等效法，還是用類比法，都沒有用實(shí)驗(yàn)來直接測量電荷量的大小。所以為了用實(shí)驗(yàn)引入電容概念，必須直接測量出的電容器所帶的電荷量大小，而測量方法似乎也只能選擇“利用電流傳感器得到i-t圖像，再求積分了”。

批判性思維不僅是技能與能力，更重要的是支撐這些技能與能力的心智特征，質(zhì)疑的意識與膽略正是這種心智特征的重要方面。本文所涉及的課件曾長期流行于網(wǎng)絡(luò)上，本文所列舉的幾種實(shí)驗(yàn)引入方法也曾發(fā)表在權(quán)威期刊上，教師往往為追求新穎而使用，但對課件和實(shí)驗(yàn)本身的邏輯性甚至科學(xué)性缺乏深刻的思考，這是不可取的。批判性思維要求我們不要盲目相信自己，也不要盲目相信他人甚至權(quán)威，要從形式或非形式邏輯上乃至統(tǒng)計(jì)邏輯上對自己或他人的結(jié)論提出質(zhì)疑，并在獲取證據(jù)、分析推理的基礎(chǔ)上做出正確的判斷與選擇。

2 對教學(xué)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行價(jià)值判斷與選擇

對于電容概念的引入，一般有兩種方案：

一種是實(shí)驗(yàn)法，即用不同的電源對電容器充電，然后利用DIS實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)畫出電容器放電的i-t圖像，通過“積分”功能計(jì)算出電荷量Q。同時，用數(shù)字式電壓表獲取放電時電容器兩極板間的最大電壓U，發(fā)現(xiàn)對給定的電容器電荷量Q與電壓U的比是個定值，而不同的電容器這個比值不同，所以這個比值與電荷量、電壓無關(guān)，只與電容器本身有關(guān)，反映了電容器自身的性質(zhì)，稱為電容。

另一種是類比法，即將電容器與水容器相類比，其教學(xué)過程如下。

師：將兩個底面積不同(分別為S1、S2)的柱形水容器，均放入高為h的水(如圖5)，請計(jì)算其水容量(所裝水的質(zhì)量)。

圖5

生：M=ρSh。

生：對于給定的水容器，這個比值是一個定值(與裝水的多少無關(guān)，只由水容器自身的性質(zhì)決定)；對不同的容器，這個比值不同。比值越大，即容器的底面積越大，它容納水的本領(lǐng)越強(qiáng)。所以這個比值反映了水容器容納水的本領(lǐng)。

師：gh在物理學(xué)中叫重力勢差，它反映了重力場自身的性質(zhì)。在引入重力勢差概念后，你認(rèn)為電容器容納電荷的本領(lǐng)應(yīng)該怎樣描述？

學(xué)生：電容器——柱形水容器，電荷量Q——水容量M，電勢差U——重力勢差gh。

生：電容是表示電容器容納電荷本領(lǐng)的物理量。它的大小與帶電荷量多少以及電容器兩端電勢差的大小無關(guān)，只由電容器自身的性質(zhì)決定。

師：我們用類比法得到了電容的概念，但是這只是一種假設(shè)，電容器帶電荷量與兩極板間的電勢差的比值究竟是不是一個定值，這是需要實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證的(實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證過程略)。

兩種做法的價(jià)值取向不同。第一種做法強(qiáng)調(diào)實(shí)驗(yàn)探究，因?yàn)閷?shí)驗(yàn)是物理學(xué)的基礎(chǔ)；第二種做法強(qiáng)調(diào)理論探究，培養(yǎng)了學(xué)生的類比思維。哪個方法更好？如果讓筆者選擇，更傾向于后者。一是因?yàn)樵趯?shí)驗(yàn)前你怎么會想到要測量電荷量與電勢差；二是用電流傳感器傳遞電容器放電電流信息，并用DIS系統(tǒng)“積分”功能計(jì)算電荷量，這是近年來科技發(fā)展的成果。而電容概念產(chǎn)生于十八世紀(jì)，那時對電荷量的測量還很不成熟，因此第二種做法可能更符合物理學(xué)史，也更有利于培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)造性思維。