構建實驗鏈　促學生學習進階

俞蒼

摘? ?要：以“電容器 電容”一課的教學為例，探討如何在課堂教學過程中應用學習進階理論整合多樣化實驗資源，搭建基于學生視角的實驗鏈，從而構建知識邏輯主線，讓學生在多樣的課堂活動中實現思維的“有效進階”，發展學生的物理學科核心素養。

關鍵詞：物理實驗;電容器;電容;思維進階

1? 構建實驗鏈促學生學習進階的分析

根據美國國家研究理事會的研究，“學習進階”就是對學生持續并不斷深化的思維模式進行的一個假設性的描述。在特定的時間段內，學生對某個知識領域進行學習和實踐的過程中體現出的思維方式不斷深化和提高[ 1 ]。從這一概念可以看出學生的學習活動其實是一個不斷積累、進步的過程。任何知識點的學習都不是一蹴而就的，學習知識的過程就是一個螺旋上升的過程。有中間水平也有飛速上升期，其中的中間水平為“階”，正是多個連貫的“階”將學習的起點與終點連接起來，形成一個學習進階過程。

物理是一門以實驗為基礎的學科，不同的實驗服務于不同的目標、采取的實驗方案也不同、實驗操作有難有易，對精準度要求也不同。在中學物理學科教學活動中，怎樣把各類形式的實驗進行科學合理的整合，形成一個實驗鏈，讓學習過程能夠從感性層面進階到理性層面，從具體實驗操作進階到抽象理論認識，進而形成正確的物理觀念，學習目標的達成。筆者以省級公開課“電容器 電容”為例，結合幾個教學片斷，探討實驗鏈的設計及其在促學生學習進階教學實踐中的應用。

高二的學生已經學習各種起電形式及起電原理、電荷守恒和庫侖定律、電場、電勢，但對于電荷儲放電子元件--電容器，在生活中也沒什么接觸。而且電容器電容的定義屬于比較抽象的物理概念。為了讓大部分學生能夠更好地掌握這方面的知識，可以將那些比較直觀感性的知識點作為切入口，諸如電容器的結構、電荷儲存工作、放電過程等，將它們作為進階起點。在此基礎上引導學生學會用比值法去理解并掌握電容器電容的相關知識。熟悉電容器在電子領域的作用，對科學技術與社會生產之間的關系有一個全面客觀的新認識。所以，進階要達到的最終效果就是學習者能夠融會貫通，靈活地使用物理知識，體會物理在實際生活中的廣泛應用，真正做到學以致用。教學過程中，教師應該科學地設置進階點，連續兩個進階層之間知識難度系數不能相差過大，但是也不能沒有差距。差距太大，會增加學生的挫敗感，打擊學生學習熱情;差距太小，雖然可以維持已有的學習狀態和進程，但會影響學生的求知欲，不利于學生思維能力的提高[ 2 ]。筆者在“電容器 電容”教學中設定好的教學進階點，科學地開展實驗活動，構建出一個實驗鏈以促進學生的進階學習，知識邏輯主線如圖1中的流程所示。

2? 構建實驗鏈促學生學習進階的教學實踐

2.1? 設疑激趣——創設建構新學習情景

根據現代心理學的研究結論，個體的日常行為都有其特定的動機，而動機又是在相應的情境中產生的。因此在物理教學中，老師應結合教學內容，創設可以調動學生參與性的實驗體驗，促使學生產生積極的學習情感。

情景引入：教師展示兩個金屬碗并擊打發出“砰”……聲響，同時提出問題，金屬碗可用來裝什么？

學生：可裝飯，裝水……，教師：今天讓它裝一種看不見摸不著的東西。

學生：學生一臉疑惑？

激趣實驗：教師用感應起電機讓兩金屬碗帶上電。

學生活動：邀請一名學生上臺，讓學生用兩手指分別接觸兩金屬碗，學生有被觸電的感覺（學生陳述感覺）

教師：說明裝電了。

教師拿起碗說明碗是導體，塑料膜是絕緣體，繼續問這樣的裝置為什么可以裝電荷？

（學生思考，提問學生）

學生：兩金屬碗不導通，正負電荷彼此吸引，靠引力裝電荷。

教師：我們把這樣可以裝電荷的結構裝置稱為電容器

基本概念導入：兩個學生都有輕微的觸電感，表明金屬碗上帶有電荷，由此可以推導出金屬碗間放置絕緣物體如圖2所示，具有了儲放電荷的性質。 該實驗向學生展示了一個簡單的電容器裝置。讓學生認識電容器的基本性能之一：存儲電荷。

【教學反思1】 知識通過特定情景設置才能更好地轉換為學習者的素養。老師通過情境的創設，有利于體現學科知識的趣味性，激發學生的探知欲。讓學生在實踐體驗的過程中，感受到物理學科的魅力。

2.2? 對比實驗促思——創建學生自主參與的學習平臺

個體的認知能力呈現出一個螺旋上升的趨勢。通過一系列實驗活動，讓學生了解其基本結構和功能：

分組實驗（1）：讓學生拆解紙質電容并觀察結構與材料。

教師：今天在桌面上事先準備了一個已拆電容器（圖3）與一個未拆電容器，大家觀察結構，你看出了什么？

學生回答：兩個金屬膜中間膠合上一層絕緣膜，與剛才結構相似。

教師：剛才實驗中只有一個同學感受了觸電，也就是電容器兩個極板正、負電荷的中和——放電。

我們把電容器帶電的過程稱為充電，今天讓大家自己動手來完成電容器充放電過程。

教師：請同學們看圖4，提問學生說明工作原理。

學生分析：開關接a，電容器和電源相連為充電過程，然后將單刀雙擲開關接b，電容器兩極板通過導線與電燈連接一起，因為電容器兩端存在電勢差，為兩極板上的電荷中和提供了條件，導線中有電流，這是放電過程。

學生分組實驗（2）：

A：用四個電池串聯完成電容的充放電，觀察現象并說明。

B： 改用兩個電池完成電容的充放電，比較與前者差異并說明。

提問學生觀察到的現象：

現象（1）有的組學生燈不亮。

教師問：為什么燈不亮？

學生答：沒電流。電容沒充電，電容有正負極之分。

現象（2）放電過程：小燈泡亮一會熄滅，亮的時間不同，亮度不同。

教師問：時間、亮度不同說明什么？

學生答：電流不同，電量多少不同，具體說電壓大，電量大。

教師：電容器儲存的電荷量的能力與它的電壓存在正相關的關系;在同等電壓下，不同容量的電容器儲存的電荷量的能力也會不一樣。

【教學反思2】 通過對比實驗才能更好地看透事物的本質，并成功揭示出潛在的規律。對比實驗從實驗條件、實驗過程、現象的差異性觀察到總結歸納，既能提高學生的邏輯思維能力，又能培養學生的概括分析能力，幫助學生更好地理解和掌握學科知識。

2.3? DIS數字化實驗——創設學生深度學的學習空間

教師：在前面實驗的基礎上，電容的電壓U與電容的電量Q它們之間是什么樣的正相關？老師也很好奇，我課前和幾個同學用DIS系統對這問題進行了探究。

教師問：如果是你對這問題進行了探究，會遇到的哪些困難以及處理的手段？

學生答：測量電壓、電量。

教師問：電壓可以用電壓表測定，但電量呢？

（學生對電量的如何測定存在疑問，教師適當引導，放電過程電流是隨時間變化的，據所學過的知識v-t圖象用面積來計算非勻變速運動物體的位移。）

教師：和傳統的實驗工具進行對比，DIS數字化實驗的準確性更高，而且實現了實驗數據的動態掌握。如圖5所示，電壓與電流的變化可以通過電壓傳感設備和電流傳感設備完成錄入工作。并獲得i-t圖象覆蓋的面積，來反映電荷量Q。

教師播放微課展示實驗記錄的數據表1，請學生分析可以得到什么結論。

師：比值是個定值，比值代表什么？

提問學生：單位電壓的電量，就是一種本領的反映。

師：這種關系如同在表征量筒容納本領時的S=V/h類似。電勢差U如同高度差h，水量——電荷量，類比可得Q/U來表示本領，電容C=Q/U。

【教學反思3】學生對核心概念的理解不是一蹴而就的，而是需要經過許多不同的中間水平。電容的電量是逐漸減少，如何求電荷量的大小？利用v-t圖象知識遷移得到i-t圖象包圍的面積就表示電荷量Q。 可以稱v-t圖象為“階”，通過“階”的有效設計來引導學生進行更深入的探究。

2.4? 探究實驗——設計學生自主探究的實踐活動

結合學生在每個階段的學習狀況，老師應該根據教學目標設計一些自主探究的實踐活動，這樣才能使學生的學習能力得到實質性的提升。

探究影響電容大小的因素：

師：初中學過電阻，R反映對電流阻礙作用，與U、I多少無關，是物體的固有屬性。R的大小由什么決定？

生：（材料、長短、粗細、溫度）

師：結合在桌面上拆解的紙質電容、還有一個可變電容，大家猜想下電容的大小可能與什么有關？猜想的依據是什么？

學生活動：（小組討論，學生搶答）

（提問學生，小組評價）

學生A：拆解后的紙質電容，有長度足夠長，可變電容旋進旋出，都說明可能跟面積有關。

學生B： 結合金屬碗實驗，中間放塑料膜，如果替換成金屬膜，將不帶電，猜想可能與中間夾層材料有關。

學生C：根據電容器帶電的原理，電荷相互吸引束縛，如果兩金屬片距離拉大，吸引力減小，束縛本領下降，帶電也少，說明可能與距離有關。

教師出示平行板電容器，說明是最簡單、最基本的電容器，幾乎所有電容器都是它的變形，把金屬碗敲平就是這個結構。所以我們用它來研究電容的影響因素。

學生：可能與極板面積、板間的距離、兩板間的絕緣物質有關。

教師：用實驗如何來探究電容跟這些因素間的關系？[ 3 ]

學生齊答：采用控制變量法。

教師：遇到的困難是什么？

學生：怎么測C。

教師：介紹數字萬用表測C，結合自制平板電容器，記錄探究結果并總結。

實驗器材：多用電表（單位：nF），幾塊有機玻璃板，規格為：30cm×50cm的鋁板兩個（面積：S0），厚度為1mm（用d表示）。

學生：記錄不同正對面積時對應的電容值，如表2所示。

（2）探究C與板間距d的關系

學生：記錄不同板間距時對應的電容值，如表3所示。

（3）探究C與板間絕緣介質不同時的關系

步驟：? ①金屬板之間放置有機玻璃板，對其電容值進行檢測;

②金屬板之間放置等厚度的云母片，對其電容值進行檢測;

③對兩組電容值進行對比;

④在S和d一致的情況下，絕緣介質為云母片的電容值要高于有機玻璃板為絕緣介質的電容值。

實驗結論：C與d反相關、C與S正相關、C與電介質正相關

教師總結：經過實驗室嚴格的定量測定發現C=εS/4πkd，并說明各物理量含義。

【教學反思4】在科學探究活動中，提出探究的問題后，在猜想這一環節，學生提出的猜想的探究因素很多，在有限的課堂時間內不可能一一驗證。教師應該引導學生在探究因素中提取關鍵問題，幫助學生理清科學探究的主要因素和內在聯系，培養學生形成科學的思維模式。

在物理學科的教學活動中會涉及到很多實驗，教師要緊緊圍繞思維進階這個主視角，有機地整合這些實驗促進學生逐漸向高階思維層進步，提高教學效果并促進學生學習能力的不斷提高。

參考文獻：

[1]鄭曼瑤，張軍朋.“學習進階”的研究及其在物理教學中的應用[J]物理通報，2014（12）：2-6.

[2]錢毓平.高中物理“問題鏈”設計思想與學科素養之共性[J]中學物理（高中版），2015（8）：12-13.

[3]李興.構建進階式實驗鏈彰顯科學探究的內涵[J].中學物理教學參考，2019（9）：13-17.