回歸“現象”意義的教學設計案例
——以“電容器的電容”教學為例

2021-03-29 01:10:52陳棟梁

物理教師 2021年1期

陳棟梁

(吳江盛澤中學,江蘇蘇州 215228)

物理學是研究自然規律的科學,物理教學應當教授觀察物理現象,分析物理現象,解決物理問題的知識和能力,但是教學實際的過程往往直接給出物理知識和定律,而缺少觀察和分析實際問題的過程.必須探尋一種有效的教學形式,讓學生在獲得知識的同時,也能用他們來觀察現實世界、分析現實世界,提出和解決現實世界中的問題,從而對解決“實際問題”不再陌生.而從“現象”出發,直接以“現象”為學習對象,是值得嘗試的一種有效教學方式——現象教學.雖然許多物理知識具有抽象的特點,但是抽象的物理知識所指代的卻是生動直觀的某種物理現象,可以通過觀察、分析發現這些現象的物理內涵,探究現象的規律,從現象中發現或重現其中的物理規律.

本文以人教版選修3-1第1章第8節“電容器的電容”新授課為例,闡述“新課引入”、“教學重點”和“教學難點”的現象教學設計.

1 “電容器的電容”現象教學設計案例

1.1 “新課引入”的設計

新課引入,著眼于知識的教學往往以告訴結果為目的;著眼于情境的教學,會在設趣激疑上下功夫,目的在于引起學生對問題的注意;著眼于現象的教學,提供的是現象,目的在于讓學生自己提出問題并設計解決的方案.

(1) 知識教學.

直接告訴學生,電容器是電子電路中的一個重要元件,同時圖片展示部分電容器元件,如圖1所示,并告訴學生們兩個彼此絕緣又相互靠近的導體就可以構成一個電容器,它即可以充電,又可以放電,我們今天就來學習一下這個重要元件.

圖1

(2) 情境教學.

步驟1:實物展示鍵盤,并演示,按下按鈕,打出字,并提出問題:電腦如何知道我按了哪個按鈕呢?實物展示手機,手指接觸手機屏幕,對應的APP開始運行,同樣提出問題:手機如何判斷我手指按在哪里呢?通過今天的學習,同學們就可以知道其原理.

步驟2:實物展示可拆式電容器,用剪刀將其剪開,并展示給學生看其結構:塑料,鋁箔間隔夾在一起,并卷起來;引導學生得出電容器的基本結構,同時向學生介紹即將要學習的最基本的電容器——平行板電容器.

步驟3:用FLASH動畫模擬演示平行板電容器的充放電過程.

(3) 現象教學.

圖2

教師:展示如圖2所示電容器,這是一個實用的電器元件,請問同學們認識這個元件嗎?它很像是電源,能確定它是電源嗎?

學生:不認識.不是電源.

教師:我們一起來看看它有什么用途.

教師:展示一個沒有裝干電池的鐘,鐘的指針未動,然后將元件的兩個導線端直接與鐘背后裝電池的兩個金屬片接觸,結果鐘的指針沒動.

學生:……(以為實驗失敗了).

教師:將元件的兩個導線端先與12 V學生電源接觸十幾秒,分開后將元件的兩個導線端直接與鐘背后裝電池的兩個金屬片接觸,結果發現鐘的指針動了.

學生:鼓掌!

教師:指針動了,說明什么?

學生:有電流流過鐘.

教師:為何這個元件要先與電源接觸十幾秒,然后再與鐘接觸才能使鐘正常工作?說明了什么?

學生:說明元件與電源接觸,可以儲存電荷,再與鐘連接,可以將儲存的電荷釋放出來,即這個元件有儲存電荷的能力.

教師:非常好.有沒有辦法用先進的儀器來顯示這個元件的充電和放電過程呢?

引導學生用電流傳感器,連接如圖3所示電路,顯示電容器充放電過程中,電流隨時間變化的圖像.(如圖4為充電電流隨時間變化的圖像)

圖3

圖4

點評: 從知識的達成和價值的追求角度看，3種教學設計都希望學生知道電容器的重要用途、知道電容器的結構特點以及電容器能夠儲存電荷的特性(能夠充電和放電);知識教學,教師將書本上的關于電容器這3方面的知識直接告之學生,對于學生而言,就是純粹記住電容器這3方面的知識,沒有興趣和直接感受;情境教學,教師在實際情境和實物基礎上,引導學生知道電容器這3方面的知識,對于學生而言,有了實物的形象,對于電容器的結構和充放電有了一定的了解,會引起學生學習欲望和興趣;現象教學,教師將電容器的結構特征和功能通過實際模型的應用,將應用整個操作過程全部展現給學生,會大幅度提高學生學習電容器知識的興趣,以及主動探究的欲望.

從教學方式角度看，知識教學,教師只是一個搬運工,將電容器這3方面知識直接從書本搬運給學生記憶;情境教學,教師通過有限情境將電容器3方面的知識展現給學生,讓學生有一定程度的理解和掌握;現象教學,教師通過電容器的實際應用,將電容器的結構及特性全部展現給學生,讓學生自主建構.

從觀念角度看，知識教學是將前人關于電容器這3方面的知識直接告之學生,讓學生繼承;情境教學,是將電容器結構和特點,通過實物直接展現給學生,方便學生記憶和理解;現象教學是將電容器的這3方面知識直接功能化,并將功能化的過程展現給學生,讓學生自主探究,自主建構,從而提高學生問題解決的能力.甚至可以將現代化的儀器或方法融入教學過程中,例如用傳感器顯示電容器的充電和放電.

1.2 “教學重點”的設計

“電容器的電容”本課時的教學重點是物理量電容的比值定義以及電容的決定因素探究,尤其是電容的比值定義,是物理定義的一種非常重要的方法,值得學生掌握.

圖5

(3) 現象教學.

思維引導:電容器可容納的電荷量與哪些因素有關?

提出問題:如何測量電容器所帶的電荷量?通過庫侖研究“庫侖定律”的物理學史料,引導學生得出用倍分法解決測量電荷量的問題.

圖6

實驗探究:引導學生按照以下步驟進行實驗探究: (1) 用手捏住兩個完全相同的電容器的接線柱,完全放電(如圖6所示); (2) 用學生電源對1號電容器進行充電,斷開電源,數字式多用電表測量其電壓; (3) 由1號電容器對2號電容器進行充電后,測量1號的電壓; (4) 將2號電容器放電,1號電容器對2號電容器進行第2次充電后,測量1號的電壓; (5) 重復第4步.

實驗數據及處理：見表1.

表1 電容器電荷量與電壓的關系(注:用倍分法還可以得到其他電荷量)

用EXCEL擬合圖像如圖7所示.

本次實驗結果:在誤差允許的范圍內,Q與U成正比.

學生得出實驗結果后告訴學生們,他們從實驗探究得出的結果與科學家通過大量定量實驗得到的結果相同.學生們還可以用自己設計實驗去探究和驗證這個結果是否符合實際,是不是電容器的普遍規律:例如新課引入實驗中,用充電后的電容器對時鐘放電,是否有可設計的實驗?

圖7 電容器電荷量與電壓的關系

點評: 從知識的達成和價值的追求角度看，教學重點都是讓學生理解和掌握電容C的比值定義.知識教學是直接將電容的比值定義告之學生,并訓練和鞏固所學知識,學生沒有切身體會,只能達到短時記憶;情境教學,有情境,有類比,學生有一定的體會基礎,對電容的比值定義也會有一定的理解;現象教學,從實際電容出發,用科學實驗方法進行實驗探究,用數據說明結果,學生不但知道了電容器的功能,同時也體會了比值定義的物理意義所在,對此規律有很大認同度,信服自己得到的正確結果,對探究過程也會產生內化體驗.

從教學方式角度看，知識教學,教師直接將電容的比值定義從書本搬運給學生記憶;情境教學,通過一定的類似情境讓學生體會,通過已經學過的概念,讓學生進行知識遷移;現象教學,指導學生通過電容器充放電的實際實驗探究,用實驗數據和圖像來說明電容器的比值定義的物理意義.

從觀念角度看，知識教學是將前人關于電容比值定義的知識直接讓學生傳承和記憶;情境教學,是通過一定的情境和類比,將電容的比值定義讓學生體會和思考,方便學生理解和掌握;現象教學,是將電容器比值定義的探究方法和原理教給學生,讓學生自主探究,自主建構知識.后兩種教學都利用了類比法,這是它們比知識教學更優越的地方.但是,情境教學類比的是知識(幾個比值公式),現象教學類比的是方法(怎樣衡量一個客觀量).前者啟動的是類比聯系,后者啟動的是類比想象,顯然后者具有更大的引伸空間.在以后遇到新的現實問題時,方法和想象力將會更有拓展價值.

1.3 “教學難點”的設計

圖8

(3) 現象教學.步驟1:結合平行板電容器的實際結構,讓學生猜想,電容C的影響因素有哪些?

步驟2:通過書本上的演示實驗,定性驗證學生的猜想.同時,為使實驗現象明顯,實驗時應注意以下幾點: (1) 實驗時,兩板間距要盡量小一點; (2) 用重復摩擦起電的方式逐步增加平行板電容器的電荷量,初始張角在15°左右為宜; (3) 為防止漏電,摩擦時兩手帶塑料手套,將驗電器和鐵架臺放在平整的泡沫上.

步驟3:利用自制的如圖9所示裝置進行定量探究.

圖9

主要器材:兩塊有機玻璃板(30 cm×50 cm,兩張同大小的薄鋁箔貼在有機玻璃板上,并在有機玻璃板左右兩側固定毫米刻度尺,引出兩根引線,引線一端與鋁箔接觸),4塊同樣大小的云母板,一個數字式多用電表.

主要實驗步驟:

(1) 保持正對面積不變,研究電容C與板間距d的關系.兩塊有機玻璃板中間插4塊同樣大小的云母板,全部重合對齊并壓緊;將數字式多用電表調至“nF”擋位,讓兩支表筆與鋁箔接觸的引線連接,記錄此時數字式多用電表的讀數C1,即為此時兩平行板電容器的電容;然后依次抽掉1塊云母板,2塊云母板,3塊云母板,重復上面的測量,分別記錄數字式多用電表的讀數為C2、C3、C4.

(2) 保持兩板間距不變,電容C與兩板正對面積S的關系.在上述實驗基礎上,即兩塊有機玻璃板中間壓緊一塊云母板,然后將貼有鋁箔的有機玻璃板沿刻度移出10 cm,即將電容器兩鋁箔板的正對面積變為原來的2/3,記錄此時數字式多用電表的讀數C5;將貼有鋁箔的有機玻璃板沿刻度再次移出10 cm,即將電容器兩鋁箔板的正對面積變為原來的1/3,記錄此時數字式多用電表的讀數C6.

(3) 數據記錄和處理.

表2 保持正對面積不變,電容C與板間距d的關系(假設每塊云母板厚度為d0)

表3 保持兩板間距不變(d0),電容C與兩板正對面積S的關系

圖10 電容與板間距倒數的關系

圖11 電容與正對面積的關系

(4) 實驗結果:在誤差允許范圍內,電容與板間距成反比,與正對面積成正比.

點評: 從知識的達成和價值的追求角度看，教學重點都是讓學生理解和掌握電容C的決定式.知識教學是直接告訴學生前輩物理學家已經研究得到了電容的決定式,學生只有接受并短時記憶;情境教學,有視頻錄像的定性探究過程,學生有一定的認識基礎,對電容的決定式也有一定程度的理解和信服;現象教學,從科學探究出發,先猜想,再用書本實驗定性證明猜想,最后又定量實驗證明,用數據說明結果,有很大信服力,學生不但理解和掌握了電容的決定式,同時也掌握了科學探究的方法.

從教學方式角度看，知識教學,教師直接將電容的決定式從書本搬運給學生記憶;情境教學,通過跟隨視頻實驗探究,讓學生體會,并理解電容與其他物理量的定性關系;現象教學,指導學生科學探究,使學生在自主探究中發現電容器電容的決定式.

從觀念角度看，知識教學是將前人關于電容決定式的知識直接讓學生傳承和記憶;情境教學,是通過視頻教學,引導學生實驗探究,定性理解電容的比值定義式,方便學生理解和掌握;現象教學,是將電容決定式的探究方法教給學生,讓學生自主探究,自主建構知識.

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