創(chuàng)新實驗教學(xué)設(shè)計 落實物理核心素養(yǎng)——以“電容器的電容”教學(xué)為例

何仕乾 李學(xué)平

（重慶市永川中學(xué)校，重慶 402160）

《普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版2020年修訂）》凝練了物理學(xué)科核心素養(yǎng)，要求教師必須把培養(yǎng)物理學(xué)科核心素養(yǎng)作為物理教學(xué)的重要目標(biāo)，將“物理觀念”“科學(xué)思維”“科學(xué)探究”“科學(xué)態(tài)度與責(zé)任”等物理學(xué)科素養(yǎng)的培養(yǎng)落實于教學(xué)活動中.物理學(xué)不僅以其概念、規(guī)律揭示了自然界基本運(yùn)動的諸多真理，它還在建立這種知識體系的過程中發(fā)展了科學(xué)思維和研究方法，推動了科學(xué)的進(jìn)步，因此在教學(xué)中注意培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)思維是教學(xué)的關(guān)鍵.核心素養(yǎng)下的物理教學(xué)應(yīng)該是：學(xué)生通過探究活動，建立概念、發(fā)現(xiàn)規(guī)律、形成概念、發(fā)展思維、學(xué)會方法、養(yǎng)成態(tài)度.本文以“電容器的電容”教學(xué)為例，通過設(shè)計“引入實驗，定性實驗，定量實驗和拓展實驗”，淺談核心素養(yǎng)培養(yǎng)的落地生根，以期與同仁探討，提升教學(xué).

1 確立落實物理核心素養(yǎng)的教學(xué)目標(biāo)

（1）為了認(rèn)識電容器，明白電容器的充放電原理，教學(xué)中首先讓學(xué)生在老師的指導(dǎo)下將礦泉水瓶改裝成電容器，不僅非常直觀地展示了電容器的結(jié)構(gòu)，認(rèn)識了電容器，而且成本低廉，體現(xiàn)了“小實驗”換來“大智慧”的出奇效果.再通過“觸電實驗”和“電火花實驗”帶給了學(xué)生新奇和刺激性的體驗，能很好地激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)和研究物理的動機(jī)與情感，最后通過“充放電實驗”進(jìn)一步展示了電容器充放電的過程，使學(xué)生在原有的基礎(chǔ)上得到了認(rèn)知的發(fā)展，最終促進(jìn)物理觀念的形成和發(fā)展.

（2）為了讓學(xué)生理解電容器電容的概念和定義過程，先設(shè)計“定性實驗”，該實驗操作簡單且現(xiàn)象震撼學(xué)生，能夠讓學(xué)生快速鎖定探究目標(biāo)，提出猜想.為了驗證猜想，設(shè)計了“定量實驗”，本實驗特別之處在于用“電荷量等分原理”求出電容器在不同電壓下的電荷量，極大地鍛煉了學(xué)生的科學(xué)推理能力.整個實驗過程都在引導(dǎo)學(xué)生基于實驗現(xiàn)象發(fā)現(xiàn)問題，形成猜想和假設(shè)，設(shè)計實驗與制定方案，獲取和處理信息，基于證據(jù)得出結(jié)論并作出解釋，落實科學(xué)探究素養(yǎng).

（3）為了讓學(xué)生理解平行板電容器的電容與哪些因素有關(guān)、有什么關(guān)系，進(jìn)一步熟悉控制變量法的使用，借助于數(shù)字電容表和數(shù)字萬用表，設(shè)計了完全不同于教材的探究實驗，極大地提高了課堂效率，使得探究的過程更加科學(xué)，探究的目的更加明確，在探究過程中落實了科學(xué)探究素養(yǎng).

（4）為了讓學(xué)生理解所學(xué)內(nèi)容，不僅要求學(xué)生查閱資料了解電容器的重要作用，還要自己動手制作體積小而電容大的電容器.學(xué)生在自制電容器的過程中，親身體驗，親自參與，進(jìn)一步促進(jìn)了物理觀念的形成和發(fā)展.在制作過程中發(fā)現(xiàn)問題，積極思考并解決問題，落實了科學(xué)思維素養(yǎng)和科學(xué)探究素養(yǎng)，培養(yǎng)了實事求是的科學(xué)態(tài)度，在潛移默化中落實了科學(xué)態(tài)度和責(zé)任素養(yǎng).充分體現(xiàn)從生活走向物理，從物理走向社會的教學(xué)理念.

2 創(chuàng)設(shè)探究實驗落實物理核心素養(yǎng)

2.1 探究活動1：認(rèn)識電容器

2.1.1 活動1——自制電容器（圖1）

圖1 自制電容器

要求：根據(jù)提供的材料，在教師的指導(dǎo)下完成.

制作方法：撕掉礦泉水瓶的標(biāo)簽，在外面裹上鋁膜，并在鋁膜外粘貼一根導(dǎo)線作為電容器的一個電極，在瓶蓋上打孔并插入一根長的金屬棒作為電容器的另外一個電極，最后把礦泉水瓶裝滿水再蓋上瓶蓋.

目的：認(rèn)識電容器的構(gòu)造.

2.1.2 活動2——體驗帶電

要求：（1）觸電實驗：用起電機(jī)對電容器充電，讓學(xué)生觸摸電容器金屬棒的一端，體驗有啥感覺.

（2）電火花實驗：再次用起電機(jī)對電容器充電，用導(dǎo)線去靠近金屬棒，觀察實驗現(xiàn)象.

目的：通過親身體驗和觀察，認(rèn)識到電容器是一種能夠儲存電荷量的容器.

2.1.3 活動3——充放電實驗（圖2）

圖2 電容器的充放電實驗

要求：觀察開關(guān)在斷開和閉合過程中兩個發(fā)光二極管的亮暗程度的變化情況.

目的：通過2個發(fā)光二極管的亮暗程度的變化情況，不僅可以判斷充放電過程中電流的方向，而且能夠確定能量的轉(zhuǎn)化關(guān)系.

2.2 探究活動2：電容器的電容

2.2.1 活動1——定性實驗

要求：（1）多次重復(fù)電火花實驗，但每次充電時間不同，觀察電火花的亮暗程度.

（2）猜想電容器所帶的電荷量和兩極間的電壓的定量關(guān)系.

目的：通過定性實驗猜想：容器所帶的電荷量和兩極間的電壓成正比，為引出定量實驗做好鋪墊.

2.2.2 活動2——定量實驗

實驗?zāi)康模涸O(shè)計實驗驗證猜想.

提示：（1）電壓的測量：如果用機(jī)械式電壓表接在電容器兩端，電容瞬間放電完畢，無法測量其電壓，但數(shù)字電壓表的電阻非常大，放電很慢，就可以測出電容器的電壓.

（2）電荷量的測量：目前沒有直接測量電荷量的儀器，但可以借鑒“電荷平分原理”間接測量（電荷平分原理：兩個完全相同的帶電體相互接觸時，電荷量先中和再平分）.

實驗步驟：

（1）通過小組合作學(xué)習(xí)設(shè)計出電路圖（圖3）；

圖3 探究電壓與電荷量關(guān)系實驗

（2）完成實驗操作和記錄數(shù)據(jù)；

（3）分析處理數(shù)據(jù)并得出結(jié)論（圖4）.

圖4 電壓與電荷量關(guān)系數(shù)據(jù)分析

目的：通過實驗探究得出同一電容器所帶的電荷量和兩級間的電壓成正比.

2.2.3 活動3——質(zhì)疑提升

要求：（1）不同的電容器所帶的電荷量和兩級間的電壓成正比是否相同，并用實驗證明.

（2）總結(jié)比值定義法的特點(diǎn).

目的：通過實驗說明，電容器所帶的電荷量和兩極間的電壓比值反應(yīng)該電容器本身的特性，當(dāng)電容器改變時，比值也改變，突出比值定義法的特點(diǎn).

2.3 探究活動3：平行板電容器的電容

2.3.1 活動1——自制平行板電容器

要求：（1）根據(jù)提供的材料自制平行板電容器（圖5）.

圖5 自制平行板電容器

（2）猜想平行板電容器的電容大小跟哪些因素有關(guān).

目的：進(jìn)一步熟悉電容器的結(jié)構(gòu)，為引出探究實驗做好鋪墊.

2.3.2 活動2——實驗探究

實驗?zāi)康模涸O(shè)計實驗驗證猜想.

提示：（1）各物理量如何測量（注意：電容器的電容大小可以用數(shù)字電容表直接測量）.

（2）由于電容器的電容大小跟多個因素都有關(guān)，如何進(jìn)行探究.

實驗步驟：

（1）實驗操作并記錄數(shù)據(jù).

（2）分析處理數(shù)據(jù)得出結(jié)論（圖6，圖7）

圖6 電容與板間距關(guān)系數(shù)據(jù)分析

圖7 電容與正對面積關(guān)系數(shù)據(jù)分析

目的：通過實驗探究得出平行板電容器的電容表達(dá)式.

2.4 探究活動4：課外探究

要求：（1）查閱資料，了解電容器的重要作用.

（2）自制容量大且體積小的電容器.

目的：讓學(xué)生進(jìn)一步地認(rèn)識電容器，培養(yǎng)學(xué)生的動手能力.

3 教學(xué)設(shè)計反思

本案例設(shè)計了4個探究活動，每一探究活動對培養(yǎng)學(xué)生核心素養(yǎng)的重點(diǎn)各不相同.探究活動1讓學(xué)生從物質(zhì)觀念和能量觀念兩方面來認(rèn)識電容器，形成物理觀念.探究活動2讓學(xué)生經(jīng)歷了科學(xué)推理、科學(xué)論證、質(zhì)疑提升的過程，重在培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)思維能力.探究活動3讓學(xué)生經(jīng)歷了提出問題、形成猜想和假設(shè)、設(shè)計實驗與制定方案、獲取和處理信息、基于證據(jù)得出結(jié)論的過程，重在培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)探究能力.探究活動4讓學(xué)生認(rèn)識科學(xué)本質(zhì)，培養(yǎng)科學(xué)態(tài)度和社會責(zé)任感，重在培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)態(tài)度與責(zé)任.通過這些探究活動，讓學(xué)生學(xué)習(xí)了科學(xué)知識、發(fā)展了科學(xué)思維、形成了科學(xué)態(tài)度，培養(yǎng)了學(xué)科核心素養(yǎng)，落實了立德樹人的根本目的.