基于STEM理念的綜合實(shí)踐活動(dòng)教學(xué)設(shè)計(jì)
——以“電容器的電容””為例

楊曉梅 韓 薇

（寧夏大學(xué)物理與電子電氣工程學(xué)院，寧夏 銀川 750021）

2017年教育部頒布的《普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)》提出：中學(xué)教育培養(yǎng)的學(xué)生不僅僅能夠進(jìn)行理論方面的推演和探究，還有能力實(shí)際動(dòng)手操作，發(fā)現(xiàn)并主動(dòng)應(yīng)用知識(shí)和技術(shù)解決遇到的現(xiàn)實(shí)問(wèn)題.［1］我國(guó)教育長(zhǎng)期受“應(yīng)試教育”的桎梏，往往過(guò)于注重科學(xué)與數(shù)學(xué)，忽視技術(shù)與工程教育，學(xué)生的創(chuàng)造力和實(shí)踐能力較為薄弱，將STEM教育理念融入物理教學(xué)非常必要.

科學(xué)、數(shù)學(xué)、技術(shù)和工程被稱(chēng)作是STEM教育的“元學(xué)科”，這個(gè)過(guò)程不是將各學(xué)科的知識(shí)簡(jiǎn)單疊加，而是強(qiáng)調(diào)在分散的學(xué)科內(nèi)容之間找到融合的平衡點(diǎn)，整合形成有機(jī)整體.［2］作為偏重實(shí)踐與創(chuàng)新的物理教學(xué)不應(yīng)該拘泥于理論知識(shí)，而要在學(xué)科中合理地滲透技術(shù)、工程與數(shù)學(xué)，納別水之址以厚己，讓STEM教育成為我國(guó)培育創(chuàng)新型、實(shí)踐型人才的沃土.

綜上，以人教版高中物理選修3-1第1章第8節(jié)“電容器的電容”一節(jié)教學(xué)設(shè)計(jì)為例，展現(xiàn)STEM理念在物理教學(xué)中的拓展應(yīng)用.

1 “電容器的電容”教學(xué)設(shè)計(jì)

1.1 教學(xué)流程圖

基于STEM教學(xué)理念進(jìn)行“電容器的電容”綜合活動(dòng)的教學(xué)設(shè)計(jì)，其流程圖如圖1所示.

圖1 教學(xué)流程圖

1.2 教學(xué)過(guò)程

1.2.1 情境引入——科學(xué)：物理與化學(xué)學(xué)科結(jié)合

（1）“電解水”現(xiàn)象，引入電容器概念.

創(chuàng)設(shè)情境：透明塑料罐中加入硫酸鈉與酚酞混合溶液，罐上下端皆設(shè)鋁箔為電極板，接入16 V電源，觀察到罐中的接入負(fù)極一端電極板附近的溶液逐漸變紅，如圖2所示.

圖2 “電解水”引入實(shí)驗(yàn)

引導(dǎo)：為什么接入電源后，接入負(fù)極一端電極板附近溶液變紅？

知識(shí)再認(rèn)：因?yàn)榻尤胴?fù)極附近溶液得電子，電解出OH-，OH-遇酚酞變紅.

提出問(wèn)題：如果此時(shí)兩電極之間不是導(dǎo)體，而是絕緣體，那么電極板上的電子還會(huì)移動(dòng)到溶液中嗎？帶著這個(gè)問(wèn)題，我們一起進(jìn)入今天的課程——電容器的電容.

（2）設(shè)計(jì)意圖.

從理科學(xué)科化學(xué)出發(fā)，讓學(xué)生對(duì)電容器的結(jié)構(gòu)以及充電時(shí)的電荷分布情況有一個(gè)初步的認(rèn)識(shí)，通過(guò)化學(xué)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象與物理新課之間的聯(lián)系引入知識(shí)點(diǎn)，不止局限于單個(gè)學(xué)科的內(nèi)部，而是進(jìn)行跨學(xué)科、跨領(lǐng)域的融合與交流，選擇一個(gè)特定的研究對(duì)象，利用不同學(xué)科相關(guān)的知識(shí)進(jìn)行探究與思考，符合STEM教育理念.

1.2.2 電容器結(jié)構(gòu)探究——工程與科學(xué)結(jié)合

（1）基于問(wèn)題情境，探究電容器結(jié)構(gòu).

創(chuàng)設(shè)情境：展示萊頓瓶相關(guān)歷史視頻第一個(gè)萊頓瓶的誕生.讓學(xué)生觀察萊頓瓶的結(jié)構(gòu)，體會(huì)科學(xué)家探究過(guò)程中的思維、方法與態(tài)度.

建立概念：① 通過(guò)觀察萊頓瓶，了解電容器結(jié)構(gòu).如圖3所示；②PPT展示萊頓瓶結(jié)構(gòu)圖，并提供材料，輔助學(xué)生自制萊頓瓶，深入探究電容器的結(jié)構(gòu).

圖3 萊頓瓶結(jié)構(gòu)示意圖

提供材料：鋁箔紙、保鮮膜、玻璃杯、鹽水、膠帶、導(dǎo)線、多用電表，講解多用電表測(cè)電容的方法.

自制電容器：如圖4所示.

圖4 自制電容器

① 分析萊頓瓶結(jié)構(gòu)，畫(huà)出設(shè)計(jì)圖.

②制作步驟：A.玻璃杯中倒入適量鹽水；B.玻璃杯外壁包上一層鋁箔紙，用膠帶固定；C.保鮮膜覆蓋在玻璃杯口；D.將鐵釘插入保鮮膜中央，鐵釘尾部浸沒(méi)于鹽水，并用膠帶固定位置.

③用多用電表測(cè)試自制電容器的電容大小，驗(yàn)證制作是否成功.

制作要點(diǎn)：

①鐵釘盡量插在保鮮膜中央位置；

② 鹽水作為介質(zhì)，效果比純凈水好.

（2）歸納電容器的基本結(jié)構(gòu)：平行板電容器.

提出問(wèn)題：如何描述平行板電容器的結(jié)構(gòu)呢？

教師提示：引導(dǎo)學(xué)生觀察對(duì)比各種自制電容器結(jié)構(gòu)以及萊頓瓶的結(jié)構(gòu)圖，列出不同的電容器結(jié)構(gòu)上的相同點(diǎn).

歸納：① 兩金屬電極相互接近；② 電極間隔著一層絕緣介質(zhì).

整理：兩個(gè)相互接近的金屬間隔著絕緣介質(zhì)，即存在電容.若兩電極板為平行的金屬板，即為平行板電容器.嘗試?yán)L制平行板電容器結(jié)構(gòu)的示意圖，如圖5所示.

圖5 平行板電容器結(jié)構(gòu)示意圖

建立概念：在兩個(gè)相距很近的平行金屬板中間夾一層絕緣物質(zhì)——電介質(zhì)，就組成一個(gè)最簡(jiǎn)單的電容器，即平行板電容器.

教師引導(dǎo)：咱們結(jié)合同學(xué)自制的這個(gè)裝置，回憶本節(jié)課開(kāi)始時(shí)老師提出的問(wèn)題，如果兩電極之間不是導(dǎo)體，而是絕緣體，那么電極板上的電子還會(huì)移動(dòng)到溶液中嗎？

歸納：若兩電極間夾一個(gè)絕緣介質(zhì)，電極板上的電子不會(huì)移動(dòng)到溶液中，由于外接直流電源，接正極一端失電子，帶正電荷，接負(fù)極一端得電子，帶負(fù)電荷.這個(gè)裝置雖無(wú)法發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，但它卻是物理學(xué)中的重要知識(shí)點(diǎn)——電容器.

（3）展示充放電電路的電路圖，搭建實(shí)物電路.

創(chuàng)設(shè)情境：PPT展示電容器充放電電路圖，如圖6所示.

圖6 電容器充放電示意圖

教師講解：充電時(shí)，電容器與直流電源接通，與正極相連的金屬極板上的電荷向與電源負(fù)極相連的金屬極板運(yùn)動(dòng)，使得與電源正極相連的金屬極板失去電荷帶正電，與電源負(fù)極相連的金屬極板得到電荷帶負(fù)電（電荷大小相等，符號(hào)相反）.放電時(shí)，充電完畢的電容器位于一個(gè)無(wú)電源的閉合通路中時(shí)，帶負(fù)電的金屬極板上的電荷便會(huì)向帶正電的金屬極板運(yùn)動(dòng)，使正負(fù)電荷中和.

布置任務(wù)：根據(jù)電路圖，自行搭建電容器充放電電路.

提供材料：電容器充放電演示板、導(dǎo)線、學(xué)生電源.講解學(xué)生電源與電容器充放電演示板的使用方法.

搭建電路：如圖7所示.

圖7 搭建充放電電路

①利用導(dǎo)線，將電源與石英鐘接入電容器充放電演示板的電路.

②對(duì)電容器進(jìn)行充放電操作，觀察石英鐘的秒針是否走動(dòng)，驗(yàn)證電路搭建是否正確.

建立概念：電容器類(lèi)似于一個(gè)“蓄電庫(kù)”，電路中有電源時(shí)儲(chǔ)存“電”，電路中無(wú)電源時(shí)將儲(chǔ)存的“電”供給用電器使用.

教師提示：注意到實(shí)驗(yàn)中若充電電壓發(fā)生改變.指針走的格數(shù)也發(fā)生改變.

提出問(wèn)題：影響電容大小的因素是什么？

猜想假設(shè)：可能與電壓和電荷量有關(guān).

布置任務(wù)：課后進(jìn)行預(yù)習(xí)，查閱相關(guān)資料，為下一節(jié)課——探究電容的定義式做準(zhǔn)備.

（4）設(shè)計(jì)意圖.

技術(shù)素養(yǎng)，即對(duì)技術(shù)工程設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)過(guò)程的理解.［3］應(yīng)用于該教學(xué)中，表示為如何選擇、搭建與操作實(shí)驗(yàn)儀器.工程素養(yǎng)，即對(duì)技術(shù)工程設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)過(guò)程的理解.應(yīng)用于該教學(xué)中，指的是了解與自制實(shí)驗(yàn)器材.三者結(jié)合，表現(xiàn)在科學(xué)知識(shí)融入自制電容器以及后續(xù)一系列實(shí)驗(yàn) 探究，將理論知識(shí)與實(shí)際操作緊密結(jié)合，以科學(xué)為“基石”，使每一個(gè)操作都嚴(yán)密科學(xué)、有據(jù)可循.

2 小結(jié)

STEM教育中4門(mén)學(xué)科的教學(xué)必須緊密相連，以整合的教學(xué)方式培養(yǎng)學(xué)生掌握知識(shí)和技能，并能進(jìn)行靈活遷移應(yīng)用于解決真實(shí)世界的問(wèn)題.［4］類(lèi)似于探究性學(xué)習(xí)，STEM教育同樣傾向于建設(shè)以學(xué)生為主體的物理課堂，使學(xué)生在學(xué)習(xí)的過(guò)程中完成知識(shí)的自我建構(gòu)，形成完整的知識(shí)網(wǎng)絡(luò).STEM教育中學(xué)生活動(dòng)的自主性、探究性、互動(dòng)性為學(xué)科教學(xué)方式的轉(zhuǎn)型提供借鑒，STEM教育是落實(shí)學(xué)科核心素養(yǎng)的一條有效途徑.［5］當(dāng)學(xué)生遇到實(shí)際問(wèn)題情境時(shí)，可以提出合理而創(chuàng)新的解決方法，切實(shí)體驗(yàn)各學(xué)科融合所迸發(fā)的創(chuàng)新火花.