施 堅(jiān)

(江蘇省梁豐高級中學(xué)，江蘇 張家港 215600)

核心素養(yǎng)導(dǎo)向下的學(xué)生實(shí)踐意識提升的案例分析與思考
——以人教版3-1“電容器的電容”為例

施 堅(jiān)

(江蘇省梁豐高級中學(xué)，江蘇 張家港 215600)

高中物理對“電容”多采用類比水容器安排教學(xué),但電荷的“看不見,摸不著”的特點(diǎn)常常讓學(xué)生對電容仍保留著一絲神秘和距離感．筆者積極踐行校本實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新開發(fā),從而助推學(xué)生實(shí)踐意識的有效提升．

實(shí)踐意識;實(shí)驗(yàn);電容

核心素養(yǎng)導(dǎo)向的新一輪高中物理課堂教學(xué)改革要求從物理觀念、科學(xué)思維、實(shí)驗(yàn)探究、科學(xué)態(tài)度與責(zé)任等4個方面全面提升學(xué)生的物理學(xué)科素養(yǎng).筆者發(fā)現(xiàn)這4個方面都無不滲透著實(shí)踐意識.下面就筆者的理解進(jìn)行簡要闡述．

1 實(shí)踐意識的含義

實(shí)踐意識是指客觀存在的實(shí)踐情景在人們頭腦中的反射和能動的反映．它反映了把理論或文字符號跟實(shí)踐情景相聯(lián)系的意愿和能力．在高中物理學(xué)習(xí)和解決問題中,實(shí)踐意識體現(xiàn)了把物理知識和實(shí)踐情景相關(guān)聯(lián)的水平以及把文字符號轉(zhuǎn)化為實(shí)踐情景的自覺性．具體落實(shí)到物理學(xué)科素養(yǎng)層面,表現(xiàn)為物理觀念的形成和應(yīng)用都起源或需要結(jié)合實(shí)踐情境,物理思維中的模型建構(gòu)和應(yīng)用需要思考實(shí)踐情境的特點(diǎn),科學(xué)探究常來自于對實(shí)踐情境的觀察、質(zhì)疑和分析,科學(xué)態(tài)度與責(zé)任則體現(xiàn)在結(jié)論最終要接受實(shí)踐的檢驗(yàn)和尊重．

那么在高中物理實(shí)際教學(xué)中如何真正有效地落實(shí)學(xué)生實(shí)際意識的培養(yǎng)和提升?筆者以人教版3-1“電容器的電容”一節(jié)做了相關(guān)嘗試,從實(shí)踐效果看,無論是教師的創(chuàng)新性校本實(shí)驗(yàn)開發(fā),還是師生思維的可視化呈現(xiàn)和進(jìn)階,都得到了較為顯著的彰顯．

2 “電容器的電容”教學(xué)設(shè)計(jì)的改進(jìn)路徑

電容器具有儲存電容的本領(lǐng),但電荷“看不見,摸不著”的特點(diǎn)常常讓學(xué)生對電容仍保留著一絲神秘和距離感．鑒于此,通過生活器具來開發(fā)校本實(shí)驗(yàn),引入課題,讓學(xué)生切身感受電容的這種特有能力顯得必要而必須．

2.1 水杯→萊頓瓶,生活器具→實(shí)驗(yàn)器材轉(zhuǎn)型中提升實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)

在引入新課時,筆者出示一個外面包了一層鋁箔紙的普通玻璃水杯,模仿中央電視臺“是真的嗎?”節(jié)目，投影探究1:水杯也能用來儲存電荷,是真的嗎?

圖1

演示實(shí)驗(yàn)1(教師演示，1名學(xué)生配合演示):如圖1,教師一手把該玻璃水杯里外分別靠緊手搖起電機(jī)的兩個起電球,一手搖起電機(jī)3～4圈后取下水杯并轉(zhuǎn)交到某學(xué)生手上,讓該學(xué)生另一手觸碰杯內(nèi)壁,學(xué)生明顯感覺到電擊．

演示實(shí)驗(yàn)2:教師出示一個成品電解電容器,讓它的正負(fù)極分別搭接6節(jié)串聯(lián)后的9 V鋁電池完成充電,短接電容器兩引線,產(chǎn)生強(qiáng)烈的火花和電擊聲．

圖2

演示實(shí)驗(yàn)3:教師出示上述水杯的內(nèi)外結(jié)構(gòu),即杯子內(nèi)外各有一層圍成一圈且緊貼著杯體的鋁箔紙,中間即為玻璃材質(zhì)的杯體．然后對比出示上述成品電容的實(shí)物拆解體——兩層鋁箔之間夾有一層浸潤過電解液的絕緣紙,如圖2．

教師引導(dǎo)學(xué)生給出電容器的定義:在兩個相距很近的平行金屬板中間夾上一層絕緣物質(zhì)——電介質(zhì),就形成了電容器．

教師出示兩塊鋁質(zhì)圓盤平行放置(中間空氣),并請學(xué)生理解這也構(gòu)成了電容器．

設(shè)計(jì)意圖:物理來源于生活,起始于實(shí)驗(yàn)．物理史上最原始的電容器就是萊頓瓶,讓學(xué)生觀察用水杯簡化后的萊頓瓶實(shí)驗(yàn)和結(jié)構(gòu),既是一次從生活到實(shí)驗(yàn)的物理學(xué)科過渡,也是對電容器歷史的溯源,而且可以結(jié)合成品電容器火花的聲視沖擊和拆解體帶給學(xué)生難忘的“電容器能儲存電荷及其結(jié)構(gòu)”實(shí)踐經(jīng)驗(yàn),強(qiáng)化了學(xué)生“電容器”的物理觀念．

2.2 二極管發(fā)光實(shí)驗(yàn),操作體驗(yàn)豐富學(xué)生實(shí)踐經(jīng)歷

上述的演示實(shí)驗(yàn)其實(shí)已經(jīng)展現(xiàn)了電容器的充放電過程,但這種體驗(yàn)是間接的,因此筆者安排每2位學(xué)生一組進(jìn)行分組實(shí)驗(yàn)．

學(xué)生實(shí)驗(yàn)(電容器充放電實(shí)驗(yàn)):9 V鋁電池1枚、10 V耐壓值電解電容1個、紅藍(lán)發(fā)光二極管1個,并說明電解電容和發(fā)光二極管長正短負(fù)的引腳特征．

學(xué)生闡述實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象:二極管發(fā)光會持續(xù)一段時間,但亮度會越來越微弱．

教師說明:亮度變?nèi)跫措娏髟絹碓叫。?/p>

設(shè)計(jì)意圖:從實(shí)踐意識視角來審視物理教學(xué),學(xué)生能進(jìn)行操作體驗(yàn)肯定要比觀察演示實(shí)驗(yàn)更具效果,因?yàn)檫@是學(xué)生主動的參與,是一種具生認(rèn)知過程．雖然僅是一個簡短的“搭搭碰碰”,但學(xué)生對電容器的充放電過程有了更深的體會,而且有了更為深入的發(fā)現(xiàn):放電過程的電流會越來越?。@也為后續(xù)深入研究電容器的充放電作了鋪墊．

2.3 充放電定量演示儀,完成電容器充放電過程的理論和實(shí)驗(yàn)剖析

前面多個實(shí)驗(yàn),已讓學(xué)生對電容器充放電有了較為豐富的體驗(yàn),但由于電容器的充放電的電學(xué)變化特征一直是學(xué)生理解上的難點(diǎn),僅是理論分析往往讓學(xué)生如鯁在噎,難以下咽．因此,筆者投影圖3(a)圖并出示自制教具“電容器充放電定量演示儀”[圖3(b)圖]來完成“探究2:電容器的充放電過程”．

演示實(shí)驗(yàn):把單刀雙擲開關(guān)分別打向1充電、2放電,兩邊學(xué)生分別觀察毫安表和電壓表的示數(shù)變化,并注意毫安表的指針偏轉(zhuǎn)方向．

圖3

實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象:充電過程中,毫安表先突然向右偏轉(zhuǎn),然后慢慢減小并回到0,電壓表逐漸增大直到電壓表示數(shù)等同于穩(wěn)壓電源電壓(LED顯示屏數(shù)字);放電過程中,毫安表先突然向左偏轉(zhuǎn),然后慢慢減小并回到0,電壓表逐漸減小直到電壓表示數(shù)變?yōu)?．

到此,請學(xué)生結(jié)合實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象思考充放電過程中電容器的帶電量、板間電壓、電場的變化特征,以及能量轉(zhuǎn)化特點(diǎn)．

學(xué)生分析得出:充電過程,帶電量Q增加,板間電壓U增加,場強(qiáng)E增加,電源的電能→電容器中的電場能;放電過程,帶電量Q減少,板間電壓U減小,場強(qiáng)E減小,電容器中的電場能→其他形式的能量．

教師補(bǔ)充:當(dāng)充電結(jié)束時,電壓等于電容器兩端電壓,充電電流消失;當(dāng)放電結(jié)束時,正、負(fù)極板所帶電荷全部中和,放電電流消失．而且,電容器兩極板所帶電荷量一定相等,電容器所帶電量只統(tǒng)計(jì)其中任一極板的帶電量．

設(shè)計(jì)意圖:電學(xué),一直是高中生相對難學(xué)一塊內(nèi)容,其原因之一是相關(guān)知識的抽象和規(guī)律的多維理解．因此,用真實(shí)而可視化的實(shí)驗(yàn)過程來彌補(bǔ)上述不足顯然是不二的選擇,電表的偏轉(zhuǎn)也讓相關(guān)電學(xué)量變化特征的解釋顯得水到渠成．

2.4 定量探究電容器帶電量與充電電壓關(guān)系,建構(gòu)“電容”的定義過程

人教版3-1教材上關(guān)于電容定義式的得出利用了與水杯截面積的類比得出的,但在很多一線教師課堂常能看到學(xué)生難以實(shí)現(xiàn)電容與截面積的思維跳躍.筆者認(rèn)為這可能與教材的教學(xué)思路沒有充分地體現(xiàn)電容定義的建構(gòu)過程有關(guān)．因此,筆者嘗試了自制教具“電容器充放電定量演示儀”結(jié)合傳感器來定量突破“探究3:電容器帶電量與充電電壓的關(guān)系”．

演示實(shí)驗(yàn):首先把“探究2”中的毫安表、電壓表替換為電流、電壓傳感器,采用數(shù)據(jù)采集器分別采集6個不同充電電壓情況下的電流-時間(i-t)圖像,如圖4,并記錄LED顯示的電壓數(shù)值．

圖4

圖5

啟發(fā)學(xué)生思考得出:在v-t圖像中,圖線與坐標(biāo)軸圍成的面積代表位移,這是因?yàn)槲灰苮=vt,那么i-t圖像中,根據(jù)Q=it得出i-t圖線與坐標(biāo)軸所圍面積應(yīng)表示電荷量Q,如圖5．

教師提示并演示,圖像面積在數(shù)學(xué)上可以理解為積分,而這可以通過傳感器軟件圖線積分功能來實(shí)現(xiàn),如圖4中的陰影部分的i-t圖線所圍面積．

教師引導(dǎo):一次充電電壓對應(yīng)一次電容器的帶電量,兩者的關(guān)系如何直觀的體現(xiàn)?(學(xué)生普遍想到了圖像法)

教師借助EXCEL完成數(shù)據(jù)的輸入和Q-U圖線的得出,如圖6．

圖6

教師引導(dǎo)學(xué)生思考:圖像顯示,在誤差允許范圍內(nèi),一條過原點(diǎn)的傾斜直線,體現(xiàn)了電容器帶電量與充電電壓成正比關(guān)系,該比例常數(shù),即圖線的斜率應(yīng)該體現(xiàn)了該電容器(下文稱電容器1)某種特殊的物理性質(zhì),那么是不是存儲電荷本領(lǐng)的性質(zhì)呢?

教師說明,一個電容器的帶電量與充電電壓成正比關(guān)系也許還不夠充分說明電容器某種特殊的物理性質(zhì),不妨換用一個電容器(下文稱為電容器2)再次完成上述實(shí)驗(yàn)并作圖對比,投影教師課前已實(shí)驗(yàn)獲取的如圖7EXCEL表格．

圖7

教師取下“電容器充放電定量演示儀”上的電容器,讓學(xué)生讀取電容器1的電容值 “1000 μF”并結(jié)合EXCEL體現(xiàn)的比例常數(shù)進(jìn)行驗(yàn)證:1.466 mC/1.4 V≈1000 μF,再次說明電容這一物理量的引入的確是為了量化儲存電荷的本領(lǐng)．

設(shè)計(jì)意圖:借助自制教具和DIS傳感器實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集過程,繼而電容器充電電壓與帶電量的正比關(guān)系在EXCEL表格中一目了然,而直線斜率來體現(xiàn)某一物理量,這是學(xué)生再熟悉不過的．顯然這樣的教學(xué)處理,定性到定量,更為尊重學(xué)生的認(rèn)知規(guī)律,是一次非常成功的教材二次開發(fā),更是一次成功的物理概念建構(gòu)過程．

2.5 定性、定量兩種方案實(shí)驗(yàn)探究電容的影響因素,助推物理思維進(jìn)階

電容器的電容體現(xiàn)了儲存電荷的本領(lǐng),不隨帶電荷量和充電電壓而改變,那么電容有哪些因素來決定?投影探究4:影響平行板電容器電容的可能因素．

教師引導(dǎo)學(xué)生猜測可能因素,比如:兩平行板的板間距離、正對面積和插入的電介質(zhì)等,并得出實(shí)驗(yàn)方法:控制變量法．并提示電容的測定有兩種方案:間接測量和直接測量．

圖8

實(shí)驗(yàn)器材:平行板電容器(邊緣貼有一圈絕緣膠布)、手搖起電機(jī)、靜電計(jì)(又稱電勢差計(jì),張角α對應(yīng)電勢差U)、暖風(fēng)機(jī)、導(dǎo)線兩根,如圖8．

教師說明和演示:首先解釋本方案中增加暖風(fēng)機(jī)和平行板電容器邊緣膠布的用意,因?yàn)樘K南地區(qū)4月清明期間空氣潮濕,若是陰雨天漏電更為嚴(yán)重,而這6個改進(jìn)措施可以非常有效地在電容器周圍形成干燥的空氣環(huán)境,確保實(shí)驗(yàn)的成功,即使是在下大雨的天氣里．投影空白實(shí)驗(yàn)表格,依次控制兩個不變量,演示某一物理量與電容的關(guān)系,觀察張角的變化,從而確定電容的變化．

表1

根據(jù)表格所填內(nèi)容,教師啟發(fā)學(xué)生得出結(jié)論:平行板電容器的電容與電介質(zhì)、正對面積成正相關(guān)關(guān)系,與極板間距離成反相關(guān)關(guān)系．那么是不是與相關(guān)可能因素成對應(yīng)正比和反比關(guān)系?即提示學(xué)生需要進(jìn)行定量研究．

方案2:直接測量．利用數(shù)宇電容表探究平行板電容器的電容的影響因素,如圖．

圖9

實(shí)驗(yàn)器材:兩塊完全相同的電子制作線路板(銅板且含有兩根引線),4塊兩塊完全相同的泡沫板,數(shù)字電容表一個,如圖9．

教師引導(dǎo)學(xué)生結(jié)合實(shí)驗(yàn)器材思考和得出控制變量法下的倍量實(shí)驗(yàn)方案,后續(xù)投影教師課前已完成的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和圖像,如圖10．

圖10

教師引導(dǎo)學(xué)生思考得出該定量探究方案的可能誤差來源:兩根引線間的電容、銅板間泡沫板形成的空隙距離、空氣的潮濕程度,等等．

圖11

教師結(jié)合實(shí)物展示和說明不同的電介質(zhì)做成的成品電容,正對面積的改變做成可變電容,并對標(biāo)注的電壓值說明是電容器的額定電壓．結(jié)合空調(diào)外機(jī)的線路版(如圖11)、照相機(jī)閃光燈、鍵盤、觸摸屏展現(xiàn)電容器在實(shí)際生活中的應(yīng)用．

設(shè)計(jì)意圖:平行板電容器電容影響因素定性探究實(shí)驗(yàn)常受困于天氣條件,漏電最本質(zhì)的問題是空氣潮濕,因此常用的方法是用吹風(fēng)機(jī)吹平行板表面,但這種方法在陰雨效果甚微．筆者發(fā)現(xiàn)這是因?yàn)榇碉L(fēng)機(jī)的風(fēng)口面積太小導(dǎo)致被烘干的空氣體量太少,換用出口面積大近10倍的暖風(fēng)機(jī),立竿見影,而在平行板邊緣用絕緣膠布包起來則可以盡量避免邊緣漏電．筆者也曾考慮過使用數(shù)字電容計(jì)來探究平行板電容器電容影響因素,但考慮到這樣的實(shí)驗(yàn)方案距離教材可能有點(diǎn)過遠(yuǎn)了,而且從定性→定量探究過程更符合學(xué)生的認(rèn)知規(guī)律．考慮到課時的限制,筆者在啟發(fā)學(xué)生定量探究方案之后投影了課前已完成的探究數(shù)據(jù),讓學(xué)生在數(shù)據(jù)中體會電容的決定式,實(shí)現(xiàn)在方案視角轉(zhuǎn)換中完成物理思維的進(jìn)階和科學(xué)態(tài)度的提升．

2.6 結(jié)合原始物理問題,問題解決中完成知識應(yīng)用和責(zé)任認(rèn)同

物理知識與規(guī)律的學(xué)習(xí),最終指向應(yīng)該是學(xué)以致用,為人類的生產(chǎn)、生活服務(wù),在問題的解決中提升學(xué)生的科學(xué)責(zé)任意識．因此,若能結(jié)合相關(guān)原始物理問題,提供實(shí)際物理情境,實(shí)踐意識的提升就有了良好的運(yùn)行載體．

筆者考慮到平行板電容器電容影響因素定量探究實(shí)驗(yàn)中僅是投影了測定電容的圖片,因此若能在實(shí)際情境應(yīng)用中加以實(shí)際測定,既可以讓電容決定式得到應(yīng)用,又能彌補(bǔ)前面的不足．鑒于此,筆者安排思考與應(yīng)用如下.

圖12

王師傅是某校的一名水電工,他一天要檢查自來水水塔里水位好幾次,水塔很高,如圖12,他想如果有個能自動測定水位高度的儀器就輕松多了!

若把自來水視作絕緣體,你能應(yīng)用學(xué)習(xí)的電容器的知識幫助他設(shè)計(jì)一下嗎?

教師引導(dǎo)學(xué)生觀察驗(yàn)電計(jì)其實(shí)也是一個電容,電介質(zhì)為空氣,而且可以通過數(shù)字電容計(jì)測定,加以借鑒應(yīng)用,即可把自來水當(dāng)電介質(zhì),并在水塔外表和中央創(chuàng)設(shè)兩個電極,形成隨著水位高度變化而電容變化的電容器．

圖13

演示實(shí)驗(yàn):使用飲料瓶加一個出水管來模擬水塔用水,在飲料瓶外部裹上一層鋁箔紙,瓶中央插上一根細(xì)細(xì)的銅棒形成兩個電極,如圖13,連接數(shù)字電容計(jì)探究放水時水位變化導(dǎo)致電容的變化,發(fā)現(xiàn)某一確定的水位對應(yīng)一個電容值,隨著水位的下降,水面上方的電介質(zhì)更替為空氣,電容值不斷減?。?/p>

設(shè)計(jì)意圖:這個思考題,源于生活實(shí)際問題,但這個演示實(shí)驗(yàn)既讓學(xué)生對電容器的決定式學(xué)以致用,又讓學(xué)生體會了物理就在身邊,就在生活中,就在你的創(chuàng)新和創(chuàng)意中．實(shí)驗(yàn)器材都是我們司空見慣的東西,能用來在課堂上呈現(xiàn)和應(yīng)用物理規(guī)律比起高大上的儀器顯然更能貼近學(xué)生,更能強(qiáng)化學(xué)生的科學(xué)責(zé)任的學(xué)科認(rèn)同．

2.7 研究性作業(yè)延伸學(xué)術(shù)性學(xué)習(xí)過程,實(shí)現(xiàn)科學(xué)態(tài)度的端正和強(qiáng)化

課堂簡短的總結(jié)后,并不是相關(guān)學(xué)習(xí)的結(jié)束,加以合理的作業(yè)布置可以有效地延伸課堂時空,讓學(xué)習(xí)繼續(xù)進(jìn)行．鑒于此,安排作業(yè)如下.

(1) 請利用學(xué)校實(shí)驗(yàn)室配備的電容測量儀完成以下兩個研究性學(xué)習(xí).

① “平行板電容器電容的影響因素”的定量探究,并分析引起誤差的可能因素;

② 水塔模擬器的水位高度與電容值對應(yīng)表．

(2) 網(wǎng)上查閱電容器在生產(chǎn)、生活中典型應(yīng)用．

物理的學(xué)習(xí),應(yīng)該從生產(chǎn)、生活中來,最終還是要回到為生產(chǎn)、生活服務(wù),這就要求學(xué)生有科學(xué)的研究態(tài)度,而完成課后的研究性學(xué)習(xí)顯然是一個絕佳的載體,從研究方案的確定、數(shù)據(jù)采集,到研究報(bào)告的撰寫無不可以發(fā)揮這樣功效．

實(shí)驗(yàn)情境的校本開發(fā)的生命力在于應(yīng)用到課堂中去,把物理現(xiàn)象和規(guī)律更好地展現(xiàn)在學(xué)生面前,真正指向?qū)W生實(shí)踐意識的有效提升,實(shí)現(xiàn)教材的二次開發(fā)和思維的可視化．當(dāng)然,一次次或大或小實(shí)驗(yàn)情境的校本開發(fā)或者改進(jìn),常常需要教師為了實(shí)驗(yàn)的成功一而再,再而三的嘗試和修正,因此主動和積極創(chuàng)新意識不可或缺．

本文系江蘇省教育科學(xué)“十二五”規(guī)劃2015年度重點(diǎn)課題“核心素養(yǎng)導(dǎo)向的高中物理圖景教學(xué)實(shí)踐研究”(編號:B-b/2015/02/133)和江蘇省中小學(xué)教研2015年度立項(xiàng)課題“新課程高中物理試題探究能力考查的應(yīng)用研究”(2015JK11-L085)階段性成果之一．

2017-04-12)