基于核心素養(yǎng)發(fā)展的物理概念教學(xué)改進(jìn)

李寶才 田成良 馮波

摘?要：2017版新課標(biāo)頒布了學(xué)科核心素養(yǎng)，倡導(dǎo)學(xué)科育人，教師應(yīng)注重培養(yǎng)學(xué)生的能力和品格.概念是物理學(xué)的基石，它能深刻地反映事物的共同特征和本質(zhì)屬性;在概念教學(xué)中，教師常把重點(diǎn)放在知識(shí)的傳授上，強(qiáng)化教學(xué)的結(jié)果，忽視了概念建立的過程，如何在概念教學(xué)中落實(shí)核心素養(yǎng)是廣大物理教師必須面對(duì)的問題.

關(guān)鍵詞：優(yōu)化過程;建立概念;核心素養(yǎng)

文章編號(hào)：1008-4134（2020）01-0051?中圖分類號(hào)：G633.7?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

作者簡(jiǎn)介：

李寶才（1975-），男，河北唐山人，本科，中學(xué)高級(jí)教師，研究方向：高中物理學(xué)科教學(xué);

田成良（1974-），男，山東泗水人，本科，中學(xué)高級(jí)教師，物理特級(jí)教師，碩士生導(dǎo)師，研究方向：物理過程教學(xué)、物理科學(xué)方法教育、課堂教學(xué)藝術(shù)等;

馮波（1965-），男，湖南郴州人，本科，中學(xué)高級(jí)教師，北京市特級(jí)教師，研究方向：中學(xué)物理課堂教學(xué).

對(duì)于物理概念的教學(xué)，過去多把側(cè)重點(diǎn)放在知識(shí)的傳授上，強(qiáng)調(diào)的是講清概念的內(nèi)涵、外延以及與相關(guān)概念的聯(lián)系與區(qū)別.至于對(duì)概念的來龍去脈，對(duì)它形成與發(fā)展的過程，則輕描淡寫，甚至一筆帶過.這種“斬頭去尾燒中間”的做法，強(qiáng)化了教學(xué)的結(jié)果，而忽視了教學(xué)的過程，其結(jié)果不僅減弱了概念教學(xué)本身，而且也有礙于學(xué)生能力的培養(yǎng).

在新課改理念的指導(dǎo)下，筆者探索優(yōu)化建立概念的過程，并在概念建立的過程中落實(shí)學(xué)科核心素養(yǎng).本文以“電容器的電容”為例進(jìn)行教學(xué)設(shè)計(jì).

1?經(jīng)歷電容器發(fā)明的過程

教師出示一個(gè)盛水的塑料杯（內(nèi)外壁附有錫箔紙，如圖1所示），問學(xué)生：“這個(gè)杯子能裝水，它能否裝電呢？”學(xué)生搖頭，表示不信，教師用起電機(jī)給杯子充電，然后找三名同學(xué)手牽手，讓其中一同學(xué)的手分別觸摸杯子的內(nèi)、外壁，三名同學(xué)被電得大叫，其他同學(xué)發(fā)出驚訝的聲音，這個(gè)杯子為什么能裝電呢？教師進(jìn)一步展示杯子的結(jié)構(gòu)，其實(shí)塑料杯、錫箔紙組合成了一個(gè)新的元件——電容器.它具有儲(chǔ)存電荷的本領(lǐng)，我們稱之為電容器——電荷容納的儀器（類似水杯——容納水的容器），然后用多媒體動(dòng)畫解釋電容器儲(chǔ)電荷的原理.

最早的電容器，又稱為萊頓瓶，它是1746年，荷蘭萊頓大學(xué)的教授馬森布羅克在做電學(xué)實(shí)驗(yàn)時(shí)無意中發(fā)明的，這種裝置可把電儲(chǔ)存起來.原始的萊頓瓶是一個(gè)玻璃瓶，瓶里瓶外分別貼有錫箔，瓶里的錫箔通過金屬鏈跟金屬棒連接，棒的上端是一個(gè)金屬球，這就構(gòu)成以瓶子玻璃為電介質(zhì)的電容器.后來研究發(fā)現(xiàn)，只要把“雙層金屬膜（鋁箔）+絕緣體（塑料）”組合即可將電荷存儲(chǔ)起來，其模型簡(jiǎn)化為“兩個(gè)金屬板+電介質(zhì)”，從而完成模型建構(gòu)的過程.最后出示電路中常用電容器，并認(rèn)識(shí)其結(jié)構(gòu)（如圖2）.認(rèn)識(shí)了電容器后，讓學(xué)生現(xiàn)場(chǎng)制作：將兩張烤箱用的錫箔紙中間夾上一層保鮮膜，用熨斗熨平，緊密壓在一起，并利用靜電起電機(jī)的萊頓瓶讓學(xué)生親身體驗(yàn)電容器的充放電過程.

評(píng)析?本環(huán)節(jié)通過學(xué)生活動(dòng)，親身體驗(yàn)“觸電”，從問題的起點(diǎn)開始，帶領(lǐng)學(xué)生經(jīng)歷電容器發(fā)明的過程，并利用物理學(xué)史認(rèn)識(shí)電容器的結(jié)構(gòu)，了解萊頓瓶的發(fā)明過程，感悟前人敢于攀登科學(xué)高峰的精神，滲透了科學(xué)精神.通過制作電容器，親身體驗(yàn)，學(xué)生非常有成就感，不僅對(duì)電容器結(jié)構(gòu)和作用有了更深刻的認(rèn)識(shí)，還會(huì)對(duì)這個(gè)神奇的電容器產(chǎn)生探究的欲望.

2?認(rèn)識(shí)電容器的作用

首先設(shè)計(jì)學(xué)生活動(dòng)，讓電容器與電源相連，充電后將兩極板短路，產(chǎn)生放電火花.在實(shí)驗(yàn)中，讓學(xué)生感知電容器能夠容納和釋放電荷，同時(shí)定性感知電壓不同存儲(chǔ)的電荷量也不同，為后面的學(xué)生分組探究實(shí)驗(yàn)做鋪墊.

然后用電源對(duì)同一電容器充電、放電，如圖3所示，注意觀察電流計(jì)指針偏轉(zhuǎn)的方向、偏角的大小及燈泡亮度變化，感受電容器充電和放電過程，體會(huì)電容器的功能.并讓學(xué)生在電容器充放電的過程中，解釋Q、U、E以及電場(chǎng)能的變化情況.利用理論分析，在電容充放電的過程中建立能量的觀念.

評(píng)析?在認(rèn)識(shí)了電容器的結(jié)構(gòu)后，利用學(xué)生活動(dòng)親身體驗(yàn)電容器充、放電的過程，觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，激發(fā)了學(xué)習(xí)興趣，體驗(yàn)到電容器的神奇功能，認(rèn)識(shí)了其功能和價(jià)值，為后面建立電容的定義奠定了基礎(chǔ).

3?探究電容器容納電荷量與電勢(shì)差的關(guān)系

通過前面的電容器充、放電實(shí)驗(yàn)，我們發(fā)現(xiàn)用不同的電源給同一個(gè)電容器充電，電容器所帶的電荷量并不同.

師：你認(rèn)為電容器容納電荷量的多少與什么因素有關(guān)？

生：電勢(shì)差.

師：為研究同一個(gè)電容器容納電荷的多少，我們?nèi)绾卧O(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)?zāi)兀?/p>

生：控制電容器不變，改變電勢(shì)差的大小.

師：如何定量測(cè)量電勢(shì)差和電荷量呢？

生：電勢(shì)差可用電壓表測(cè)量，電荷量怎樣測(cè)量？

師：電勢(shì)差容易測(cè)量，電荷量雖不易定量測(cè)量，能否間接測(cè)量呢？

生：利用Q與I、t的關(guān)系，理論上可以實(shí)現(xiàn).

師：通過i-t圖像如何能知道電荷量呢（如圖4所示）？

生：面積.

師：為什么啊？你們是怎么想的呢？

生：我們之前學(xué)過v-t圖像的面積表示位移.根據(jù)公式Q=it，所以這個(gè)面積應(yīng)該是電荷量.

師：同學(xué)們太棒了！能夠遷移，學(xué)會(huì)了類比.這就是學(xué)習(xí)的基本方法.由于圖像直觀，高中階段處理數(shù)據(jù)最常用的方法就是圖像法.

評(píng)析?以上環(huán)節(jié)，首先明確主題，有利于開展探究實(shí)驗(yàn)，并在設(shè)計(jì)過程中，利用控制變量和極限思想進(jìn)行科學(xué)方法教育，發(fā)展了學(xué)生的科學(xué)思維.利用圖像解決電荷量測(cè)量問題，培養(yǎng)了學(xué)生的創(chuàng)新能力，發(fā)展了學(xué)生的核心素養(yǎng).

3.1?技術(shù)輔助，創(chuàng)設(shè)問題情境

如圖5所示，利用DIS實(shí)驗(yàn)測(cè)繪出電容器的充放電i-t圖像.各組同學(xué)分別用不同規(guī)格的電容器，探究同一電容器在不同電壓下的充放電i-t圖像.

介紹先進(jìn)實(shí)驗(yàn)儀器——電流傳感器，如圖5所示.測(cè)定充放電電流-時(shí)間圖像（i-t圖像）借助計(jì)算機(jī)畫圖，如圖6所示，可以得出什么結(jié)論？

3.2?抽象加工?建立電容概念

實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，引導(dǎo)學(xué)生分析論證，思考：

（1）從圖像中你能觀察到什么？

（2）電流變化的特點(diǎn)是什么？說明了什么？

（3）i-t圖象下面所圍成的“面積”表示什么？

生：同一個(gè)電容器，Q與U成正比，Q與U的比值不變，也就是圖像中的斜率不變.

師：不同小組用同樣的方法測(cè)出了另外兩個(gè)電容器的Q-U圖像，對(duì)比三個(gè)圖像，請(qǐng)同學(xué)們觀察并思考，有什么發(fā)現(xiàn)？ 在不同的電容器放電的過程中，我們看到了什么現(xiàn)象？

生：燈泡亮的時(shí)間不一樣，有的持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)，有的很短.

生：同一個(gè)電容器Q與U成正比，Q/U的比值不變.不同的電容器Q與U的比值不同.

師：以上現(xiàn)象說明了什么？Q/U意味著什么？有怎樣的實(shí)際物理意義？

生：有的電容器帶的電荷量多，有的少.

引導(dǎo)學(xué)生共同歸納，Q/U的比值不變?cè)谖锢韺W(xué)當(dāng)中有特殊意義，它表示不同電容器的特性不同，為了認(rèn)識(shí)不同電容器帶電的本領(lǐng)不同，為了描述不同電容器的Q/U不同，我們把Q/U的比值定義為一個(gè)新的物理量——電容，它表示電容器帶電的本領(lǐng)，即比值大表示容納電荷本領(lǐng)大，反之本領(lǐng)小.

評(píng)析?本環(huán)節(jié)，利用信息技術(shù)手段，測(cè)量了實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和圖像，創(chuàng)設(shè)了不同電容器有不同的圖像（斜率）的情境，引導(dǎo)學(xué)生分析圖像，總結(jié)結(jié)論，建立概念，整個(gè)過程始終體現(xiàn)學(xué)生主體，自主建構(gòu)知識(shí)，不僅培養(yǎng)了探究能力，還發(fā)展了科學(xué)思維，認(rèn)識(shí)了電容的本質(zhì).

3.3?利用變式?鞏固深化概念

建立了電容的定義后，為使學(xué)生真正掌握其物理意義，可以利用以下問題，進(jìn)行變式訓(xùn)練.用不同的電壓給電容器充電，電容大小變化嗎？電容的大小與Q、U有關(guān)嗎？學(xué)生已經(jīng)懂得，R=U/I，但與U、I無關(guān);Φ=EP/q，與EP 、q無關(guān)……，所以利用學(xué)生已經(jīng)掌握的知識(shí)，進(jìn)行遷移，有利于突破難點(diǎn).

通過前面的實(shí)驗(yàn)，引導(dǎo)學(xué)生認(rèn)識(shí)到不同電容器帶電的本領(lǐng)不同，就像不同的水杯裝水的本領(lǐng)不同，不同的物質(zhì)吸熱本領(lǐng)不同.電容器容納電荷的本領(lǐng)不同，這個(gè)不同僅由電容器本身決定，與外界的電壓和和電荷量無關(guān).最后讓學(xué)生回顧，利用比值定義建立概念的還有哪些物理量？共同總結(jié)電場(chǎng)強(qiáng)度、電勢(shì)、密度、壓強(qiáng)、加速度等概念，都用了類似的方法.

評(píng)析?科學(xué)探究能夠培養(yǎng)學(xué)生設(shè)計(jì)方案的能力和獲取證據(jù)的能力，利用各種科技手段和方法收集信息、處理信息，解釋實(shí)驗(yàn)結(jié)論和評(píng)估交流，在這個(gè)過程中，不僅發(fā)展了科學(xué)思維，還著重培養(yǎng)了學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的處理能力.經(jīng)過分析論證，從而得出斜率不變可能預(yù)示著某個(gè)特殊含義，進(jìn)而得出電容的概念，這種建立概念的過程，更符合學(xué)生的認(rèn)知規(guī)律，有利于學(xué)生突破學(xué)習(xí)難點(diǎn).

3.4?學(xué)以致用，培養(yǎng)實(shí)踐意識(shí)

通過聯(lián)想電腦主板、小米音響功放、閃光燈、美的電飯鍋、海爾洗衣機(jī)、長(zhǎng)虹液晶電視、格力變頻冰箱等等，讓學(xué)生認(rèn)識(shí)到電容應(yīng)用廣泛，類型眾多，如圖8所示.最后，利用自制的安檢儀，現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)瓶裝水和瓶裝油，讓學(xué)生把一瓶液體放入箱子中，如圖9所示，教師都能很快地鑒別出是什么物質(zhì)，學(xué)生發(fā)出驚訝的聲音.教師引導(dǎo)學(xué)生從電容的角度，思考其中奧妙，安檢儀就是一個(gè)大電容，放入液體，就是改變了電容器的電容.這個(gè)游戲不僅為后面學(xué)習(xí)影響電容大小的因素奠定了基礎(chǔ)，還激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣.

評(píng)析?通過電容器的實(shí)際應(yīng)用和發(fā)展，使學(xué)生體會(huì)到學(xué)習(xí)是有用的.教育的根本目的就是學(xué)以致用.新課程標(biāo)準(zhǔn)的理念是：在內(nèi)容上注重與生產(chǎn)生活、現(xiàn)代社會(huì)及科技發(fā)展的聯(lián)系，反映當(dāng)代科學(xué)技術(shù)發(fā)展的重要成果和科學(xué)思想，同時(shí)關(guān)注物理學(xué)的技術(shù)應(yīng)用帶來的社會(huì)問題，培養(yǎng)學(xué)生的社會(huì)參與意識(shí)和社會(huì)責(zé)任感.

參考文獻(xiàn)：

[1]田成良.遵循知識(shí)形成過程 突破思維障礙[J].中學(xué)物理教學(xué)參考，2015（10）：14-16.

（收稿日期：2019-10-06）