基于批判性思維的高中物理課堂教學設計探討
——對“電容”概念引入片段的審視

(南京師范大學附屬中學，江蘇 南京 210003)

《普通高中物理課程標準(2017年版)》將批判性思維列入課程目標，要求學生“具有批判性思維的意識”“能基于證據大膽質疑，從不同角度思考問題，追求科技創新”。要培養學生有批判性思維，首先就要有能夠進行批判性思維的教師，即教師在教學過程中必須客觀地、冷靜地審視自己的思維，發現并及時修正思維謬誤。筆者基于批判性思維能力的培養目標，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行審視，以期提升我們自己和學生的思維品質。

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分別與電源和靜電計相連，當開關S接到1時，電源對電容器充電；當S接到2時，靜電計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兩端電勢差也不同。當電容器帶一個單位電荷Q時，靜電計的示數為U；當電容器帶兩個單位電荷2Q時，靜電計示數為2U，當電容器帶三個單位電荷3Q時，靜電計示數為3U，……

(1) 指出該教學過程中存在的問題；

(2) 對電容概念引入過程進行教學設計。

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驗上。應該怎樣從批判性思維方面來審視這個概念引入的片段？筆者認為可從尋找邏輯謬誤與價值判斷兩個視角進行審視。

1 尋找教學設計中的邏輯謬誤

1.1 課件設計中的邏輯錯誤：循環論證

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？構建電容器充電電路模型如圖2所示。當充電結束時，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系？

圖2

圖3

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

顯然，只有當C?C1，即電容器電容C遠大于靜電計電容C1時，才有q=qm=CE。

1.2 實驗設計中的邏輯錯誤

(1) 循環論證

圖4

(2) 不當類比

(3) 前提失當

有選手利用電容器放電電流驅動石英鐘來設計實驗，認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卻值得商榷！

比較以上這些做法，可以發現不論是用等效法，還是用類比法，都沒有用實驗來直接測量電荷量的大小。所以為了用實驗引入電容概念，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絡上，本文所列舉的幾種實驗引入方法也曾發表在權威期刊上，教師往往為追求新穎而使用，但對課件和實驗本身的邏輯性甚至科學性缺乏深刻的思考，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威，要從形式或非形式邏輯上乃至統計邏輯上對自己或他人的結論提出質疑，并在獲取證據、分析推理的基礎上做出正確的判斷與選擇。

2 對教學設計方案進行價值判斷與選擇

對于電容概念的引入，一般有兩種方案：

一種是實驗法，即用不同的電源對電容器充電，然后利用DIS實驗系統畫出電容器放電的i-t圖像，通過“積分”功能計算出電荷量Q。同時，用數字式電壓表獲取放電時電容器兩極板間的最大電壓U，發現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，只與電容器本身有關，反映了電容器自身的性質，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)，請計算其水容量(所裝水的質量)。

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，只由水容器自身的性質決定)；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，它容納水的本領越強。所以這個比值反映了水容器容納水的本領。

師：gh在物理學中叫重力勢差，它反映了重力場自身的性質。在引入重力勢差概念后，你認為電容器容納電荷的本領應該怎樣描述？

學生：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，只由電容器自身的性質決定。

師：我們用類比法得到了電容的概念，但是這只是一種假設，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，這是需要實驗驗證的(實驗驗證過程略)。

兩種做法的價值取向不同。第一種做法強調實驗探究，因為實驗是物理學的基礎；第二種做法強調理論探究，培養了學生的類比思維。哪個方法更好？如果讓筆者選擇，更傾向于后者。一是因為在實驗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“積分”功能計算電荷量，這是近年來科技發展的成果。而電容概念產生于十八世紀，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史，也更有利于培養學生的創造性思維。