新課標下高中物理實驗改進的教學實踐

摘" "要：在高中物理“電容器 電容”的教學內(nèi)容基礎上，對教材原型實驗進行改進創(chuàng)新，設計出了可定量探究的“電容器 電容”探究實驗，并在教學應用中進行實證研究。通過比較實驗班與對照班在解決電容器相關試題所表現(xiàn)的能力差異，發(fā)現(xiàn)“電容器 電容”探究實驗下的物理教學對培養(yǎng)學生解決真實物理問題的能力有顯著的提升作用，能夠培養(yǎng)學生的質(zhì)疑創(chuàng)新思維和科學探究能力。

關鍵詞：電容器；創(chuàng)新實驗；實驗教學；實證研究

以往教師在“電容器 電容”的教學中，基本是將電容器充、放電的現(xiàn)象和電容器極板所帶電荷量與兩極板間的電勢差的關系直接告訴學生并要求學生記住，缺少電容這一物理概念的建立過程。學生缺乏直觀的感知體驗，很難理解電容器的充、放電現(xiàn)象和電容這一物理概念。因此，筆者針對電容器充、放電現(xiàn)象和電容概念的教學，設計出了“電容器 電容”創(chuàng)新實驗，實驗原理如圖1所示。該實驗的創(chuàng)新之處包括：利用發(fā)光二極管亮度的變化反映電容器充、放電時電路中電流強度的變化；利用數(shù)字電壓表直接測量電容器兩極板間的電勢差；利用二極管的單向?qū)ㄐ耘袛嚯娐分须娏鞯姆较颍焕脦讉€完全相同的電容器并聯(lián)平分電荷量的方法實現(xiàn)電荷量的間接測量。

1" 基于“電容器 電容”探究實驗的實驗教學

1.1" 觀察電容器的充、放電現(xiàn)象

教師介紹電容器探究實驗儀的結構和主要功能，并演示電容器的充、放電實驗，學生在觀察演示實驗的基礎上思考討論，引導學生回答以下問題，從而直觀感受到電容器充、放電過程中電流、電壓的變化情況。

問題1" 閉合S1，將單刀雙擲開關S2擲于1處，觀察到與電容器C1并聯(lián)的數(shù)字電壓表示數(shù)如何變化？充電完成，電容器與電源保持連接，電容器兩極板間的電壓是否變化？

互動總結：觀察到與電容器C1并聯(lián)的數(shù)字電壓表[[V][○]]的示數(shù)逐漸增大，說明電容器在充電過程中兩極板間的電壓逐漸增大；當數(shù)字電壓表[[V][○]]的示數(shù)不再增加時，紅色發(fā)光二極管D1熄滅，電容器C1充電完畢。

問題2" 與電容器C1串聯(lián)的紅色發(fā)光二極管D1亮度如何變化？說明了什么？充電過程中電流方向是怎樣的？電容器上下兩極板帶電性質(zhì)是什么？

互動總結：紅色發(fā)光二極管D1發(fā)光且亮度逐漸變暗直到熄滅，說明電容器C1的充電電流逐漸減小到0；根據(jù)二極管的單向?qū)ㄐ耘袛喑潆姇r電流從電源正極流回負極，電容器上極板帶正電，下極板帶負電。

問題3" 將單刀雙擲開關S2擲于2處，觀察到與電容器C1并聯(lián)的數(shù)字電壓表[[V][○]]的示數(shù)如何變化？放電完畢，電壓表示數(shù)為多少？

互動總結：觀察到數(shù)字電壓表[[V][○]]的示數(shù)逐漸減小，說明電容器放電時兩極板間的電壓逐漸變小；當電容器C1放電完畢時，綠色發(fā)光二極管D2熄滅，數(shù)字電壓表[[V][○]]的示數(shù)減小為0。

問題4" 與電容器C1串聯(lián)的綠色發(fā)光二極管D2亮度如何變化？說明了什么？放電過程中電流方向是怎樣的？

互動總結：綠色發(fā)光二極管發(fā)光且亮度逐漸變暗直到熄滅，說明電容器C1的放電電流逐漸減小到0；放電過程中電流從電容器的正極板流回負極板。

上述活動通過電容器的充、放電演示實驗，引導學生觀察電容器充、放電現(xiàn)象，小組討論并解釋原因，以此培養(yǎng)學生實驗觀察、小組合作、解釋交流的能力，學生通過本環(huán)節(jié)的學習知道了電容器在充、放電過程中電流、電壓的變化規(guī)律，對電容器進一步深入的了解。

1.2" 探究電容器兩極板間的電勢差與電荷量的關系

教師先引導學生設計如下的實驗步驟：對電容器C1充電，直到與電容器C1并聯(lián)的數(shù)字電壓表[[V][○]]的示數(shù)為16 V時，停止充電，設此時電容器C1所帶電量為Q。將單刀雙擲開關S3擲于3處，由于電容器C3與電容器C1是完全相同的兩個電容器，因此電容器C3與電容器C1將均分電荷量，電荷量都變?yōu)镼/2，讀出此時數(shù)字電壓表[[V][○]]的示數(shù)。然后將單刀雙擲開關S3擲于4處，電容器C3被短路放電。再次將單刀雙擲開關S3擲于3處，電容器C3與電容器C1再次均分電荷量，電荷量都變?yōu)镼/4，讀出數(shù)字電壓表[[V][○]]的示數(shù)。重復上述實驗，可測得更多組的數(shù)據(jù)。學生按照實驗步驟進行實驗，并記錄數(shù)據(jù)到表1中。

表 1" 探究電容器兩極板電勢差與電荷量的關系實驗數(shù)據(jù)

接著小組討論，結合實驗探究規(guī)律，總結歸納出電容器極板所帶電荷量與兩極板間的電勢差成正比的關系，為電容概念的學習埋下伏筆。

上述活動中通過測出電容器在不同狀態(tài)下兩極板間的電壓，并進行了數(shù)據(jù)處理，學生建立起了對電容器與電容的直觀感受，有利于理解電容的概念，同時能培養(yǎng)學生收集證據(jù)、解釋交流的科學探究能力和嚴謹細致的科學態(tài)度和研究精神。

2" “電容器 電容”探究實驗的實證研究

實證研究的主要目的在于評估創(chuàng)新實驗在實際教學中的效果，筆者將某普通高中兩個同層次班分為實驗班和對照班，進行對比實驗。

（1）實驗環(huán)境控制

兩個班所使用的教材、學案以及前后測試卷等完全相同，學生的知識基礎和學習能力大致相同。對照班主要采用常規(guī)教學流程，課堂中通過動畫演示電容器充、放電過程，不含實驗探究過程，直接將知識點傳授給學生；實驗班則基于前文的“電容器 電容”創(chuàng)新實驗的教學設計開展教學，注重在情境中發(fā)現(xiàn)問題，從實驗探究中構建概念。

（2）量表：“電容器 電容”前、后測試題。

（3）實施：兩個班在完成預習任務之后進行前測，同一天中對實驗班和對照班進行教學，教學完成后立即進行后測，最后使用Winstep軟件、Excel軟件對學生試題得分進行相關分析。

3" 教學效果對比分析

3.1" 整體分析

筆者對前、后測數(shù)據(jù)進行分析，計算得出對照班與實驗班在單選題、多選題以及錨題（前后測中同時出現(xiàn)的題）的平均分，結果如表2所示。

從前測結果可以看出，對照班和實驗班在單選題、多選題以及錨題的平均分幾乎相等，說明學生課前預習的知識水平和自學能力水平大致相當。實驗班采用創(chuàng)新實驗教學，對照班采用動畫演示、知識傳授的常規(guī)流程式教學。從后測結果可以看出，實驗班的學生在解決電容器相關問題的能力水平明顯高于對照班。尤其反映在錨題上，在前測得分幾乎相等的前提下，后測中實驗班得分提升更多，一定程度上能說明基于創(chuàng)新實驗的課堂教學能促進學生學習水平的提升。

為了分析“電容器電容”前、后測試題的有效性，筆者使用Winstep軟件對試題進行了基于項目反應理論的成績分析，分析結果如圖2所示。

從圖中可以看出，被測學生的信度為0.88，試題信度為0.95，兩者的信度均大于0.8，說明本套試題能夠較好地區(qū)分開學生的能力和試題的難度。在學生能力和試題難度的估計中，INFIT MNSQ和OUTFIT MNSQ的值都接近于1，ZSTD都接近于0，滿足理想水平，說明本套試題得到的測量結果和基于項目反應理論的模型擬合得比較好，可以有效地反應教學效果。

3.2" 錨題分析

錨題：

某電容器在充電過程中，其電壓U與所帶電荷量Q之間的關系是（" " ）

如圖3所示的前、后測都出現(xiàn)的錨題，考查的概念是電容器充電現(xiàn)象，學生需要通過預習知道電容器能夠儲存電荷，在電容器充電過程中兩極板間的電勢差會隨著極板所帶電荷量的增加而增大，從而能夠準確選出B選項。

從圖4可以看出，對照班和實驗班僅通過預習就選出正確答案的人數(shù)相同，選擇錯誤選項的人數(shù)也大致相等，說明兩個班級學生的原有知識水平和學習能力等大致相同。

從圖5可以看出實驗班比對照班多7人選出了正確選項B，更少的學生選擇A或者C，說明實驗班的學生經(jīng)歷了電容器兩極板間的電勢差與電荷量關系的探究實驗后，對U與Q的關系理解更加深刻。對照班直接講述電容的概念，給出電容的定義式，學生對U與Q的關系理解不夠到位。

3.3" 后測試題分析

錨題：

據(jù)國外媒體報道，科學家發(fā)明了一種新型超級電容器，能讓手機幾分鐘內(nèi)充滿電。某同學假日登山途中，用該種電容器給手機電池充電，下列說法正確的是（" " "）。

A. 該電容給手機電池充電時，電容器的電容變大。

B. 該電容給手機電池充電時，電容器存儲的電能變少。

C. 該電容給手機電池充電時，電容器所帶的電荷量可能不變。

D. 充電結束后，電容器不帶電，電容器的電容為零。

本題考查的是學生根據(jù)所學知識對現(xiàn)實生活中的工程應用做出解釋的能力，學生首先需要將問題的工程背景聚焦到電容器的放電現(xiàn)象中，意識到電容器給手機充電時對應著電容器的放電過程，還需要知道電容是電容器本身屬性，反映電容器容納電荷本領的大小，電容的大小與電容器是否帶電無關，從而選擇出正確的B選項。

如圖6所示，實驗班超半數(shù)學生都選擇了正確選項，正選人數(shù)明顯高于對照班。對照班有更多學生錯選A、D選項，說明學生對電容的概念本質(zhì)理解還不到位，雖然課堂都講述過“電容是電容器的本身屬性，反映電容器容納電荷本領，與所帶電荷量以及兩極板間的電勢差無關”，但學生沒有經(jīng)歷電容概念的構建過程，無法感受電容這一概念的內(nèi)涵。而實驗班學生是在經(jīng)歷探究電容器兩極板間的電勢差與電荷量關系的實驗之后，猜想并總結出電容這一新的物理概念，教學過程中不斷激發(fā)學生學習物理概念的內(nèi)動力和面對物理規(guī)律時的探索欲望。

相較于實驗班絕大多數(shù)學生都能得分的情況，對照班學生超過半數(shù)的學生得0分，說明對照班部分學生缺乏運用所學知識對實際情境進行分析的意識和將分析過程描述出來的能力，即便是能夠有意識地將學過的電容的知識與現(xiàn)實情境關聯(lián)起來，也缺乏運用知識進一步的解釋和預測的能力，而實驗班的絕大多數(shù)學生都能將電容的知識與現(xiàn)實情境整合到一起，并做出進一步的解釋。總的來說，在基礎水平相差無幾的情況下，實驗班學生的整體能力提升值高于對照班學生，即實驗班的學生解決物理問題的能力優(yōu)于對照班，說明了基于創(chuàng)新實驗的物理教學對培養(yǎng)學生解決試題的能力有比較明顯的促進作用。

4" 總結及教學建議

基于以上分析，實驗班解決試題的能力要好于對照班，具體表現(xiàn)為將實際情境與學過的知識進行關聯(lián)、整合的能力更強，能夠?qū)⑺鶎W知識運用在情境中把解決實際問題的過程比較清晰地表述出來。因此可以認為，在經(jīng)歷一段時間的學習之后，基于創(chuàng)新實驗開展教學的實驗班學生在學習成績上的提升會優(yōu)于對照班，創(chuàng)新實驗的教學對學生的解決真實問題的能力有明顯促進作用。總之，建議教師在“電容器 電容”教學中積極開展“觀察電容器充、放電現(xiàn)象”和“定量探究電容器兩極板間的電勢差與電荷量的關系”實驗教學，把定量探究實驗放在電容概念之前，有效降低學生學習電容概念的難度，在實驗教學過程中落實培養(yǎng)學生科學探究能力和質(zhì)疑創(chuàng)新思維的目標。