核心素养导向下的学生实践意识提升的案例分析与思考——以人教版3-1“电容器的电容”为例

施 坚

(江苏省梁丰高级中学，江苏 张家港 215600)

核心素养导向下的学生实践意识提升的案例分析与思考
——以人教版3-1“电容器的电容”为例

施 坚

(江苏省梁丰高级中学，江苏 张家港 215600)

高中物理对“电容”多采用类比水容器安排教学,但电荷的“看不见,摸不着”的特点常常让学生对电容仍保留着一丝神秘和距离感．笔者积极践行校本实验创新开发,从而助推学生实践意识的有效提升．

实践意识;实验;电容

核心素养导向的新一轮高中物理课堂教学改革要求从物理观念、科学思维、实验探究、科学态度与责任等4个方面全面提升学生的物理学科素养.笔者发现这4个方面都无不渗透着实践意识.下面就笔者的理解进行简要阐述．

1 实践意识的含义

实践意识是指客观存在的实践情景在人们头脑中的反射和能动的反映．它反映了把理论或文字符号跟实践情景相联系的意愿和能力．在高中物理学习和解决问题中,实践意识体现了把物理知识和实践情景相关联的水平以及把文字符号转化为实践情景的自觉性．具体落实到物理学科素养层面,表现为物理观念的形成和应用都起源或需要结合实践情境,物理思维中的模型建构和应用需要思考实践情境的特点,科学探究常来自于对实践情境的观察、质疑和分析,科学态度与责任则体现在结论最终要接受实践的检验和尊重．

那么在高中物理实际教学中如何真正有效地落实学生实际意识的培养和提升?笔者以人教版3-1“电容器的电容”一节做了相关尝试,从实践效果看,无论是教师的创新性校本实验开发,还是师生思维的可视化呈现和进阶,都得到了较为显著的彰显．

2 “电容器的电容”教学设计的改进路径

电容器具有储存电容的本领,但电荷“看不见,摸不着”的特点常常让学生对电容仍保留着一丝神秘和距离感．鉴于此,通过生活器具来开发校本实验,引入课题,让学生切身感受电容的这种特有能力显得必要而必须．

2.1 水杯→莱顿瓶,生活器具→实验器材转型中提升实践经验

在引入新课时,笔者出示一个外面包了一层铝箔纸的普通玻璃水杯,模仿中央电视台“是真的吗?”节目，投影探究1:水杯也能用来储存电荷,是真的吗?

图1

演示实验1(教师演示，1名学生配合演示):如图1,教师一手把该玻璃水杯里外分别靠紧手摇起电机的两个起电球,一手摇起电机3～4圈后取下水杯并转交到某学生手上,让该学生另一手触碰杯内壁,学生明显感觉到电击．

演示实验2:教师出示一个成品电解电容器,让它的正负极分别搭接6节串联后的9 V铝电池完成充电,短接电容器两引线,产生强烈的火花和电击声．

图2

演示实验3:教师出示上述水杯的内外结构,即杯子内外各有一层围成一圈且紧贴着杯体的铝箔纸,中间即为玻璃材质的杯体．然后对比出示上述成品电容的实物拆解体——两层铝箔之间夹有一层浸润过电解液的绝缘纸,如图2．

教师引导学生给出电容器的定义:在两个相距很近的平行金属板中间夹上一层绝缘物质——电介质,就形成了电容器．

教师出示两块铝质圆盘平行放置(中间空气),并请学生理解这也构成了电容器．

设计意图:物理来源于生活,起始于实验．物理史上最原始的电容器就是莱顿瓶,让学生观察用水杯简化后的莱顿瓶实验和结构,既是一次从生活到实验的物理学科过渡,也是对电容器历史的溯源,而且可以结合成品电容器火花的声视冲击和拆解体带给学生难忘的“电容器能储存电荷及其结构”实践经验,强化了学生“电容器”的物理观念．

2.2 二极管发光实验,操作体验丰富学生实践经历

上述的演示实验其实已经展现了电容器的充放电过程,但这种体验是间接的,因此笔者安排每2位学生一组进行分组实验．

学生实验(电容器充放电实验):9 V铝电池1枚、10 V耐压值电解电容1个、红蓝发光二极管1个,并说明电解电容和发光二极管长正短负的引脚特征．

学生阐述实验现象:二极管发光会持续一段时间,但亮度会越来越微弱．

教师说明:亮度变弱即电流越来越小．

设计意图:从实践意识视角来审视物理教学,学生能进行操作体验肯定要比观察演示实验更具效果,因为这是学生主动的参与,是一种具生认知过程．虽然仅是一个简短的“搭搭碰碰”,但学生对电容器的充放电过程有了更深的体会,而且有了更为深入的发现:放电过程的电流会越来越小．这也为后续深入研究电容器的充放电作了铺垫．

2.3 充放电定量演示仪,完成电容器充放电过程的理论和实验剖析

前面多个实验,已让学生对电容器充放电有了较为丰富的体验,但由于电容器的充放电的电学变化特征一直是学生理解上的难点,仅是理论分析往往让学生如鲠在噎,难以下咽．因此,笔者投影图3(a)图并出示自制教具“电容器充放电定量演示仪”[图3(b)图]来完成“探究2:电容器的充放电过程”．

演示实验:把单刀双掷开关分别打向1充电、2放电,两边学生分别观察毫安表和电压表的示数变化,并注意毫安表的指针偏转方向．

图3

实验现象:充电过程中,毫安表先突然向右偏转,然后慢慢减小并回到0,电压表逐渐增大直到电压表示数等同于稳压电源电压(LED显示屏数字);放电过程中,毫安表先突然向左偏转,然后慢慢减小并回到0,电压表逐渐减小直到电压表示数变为0．

到此,请学生结合实验现象思考充放电过程中电容器的带电量、板间电压、电场的变化特征,以及能量转化特点．

学生分析得出:充电过程,带电量Q增加,板间电压U增加,场强E增加,电源的电能→电容器中的电场能;放电过程,带电量Q减少,板间电压U减小,场强E减小,电容器中的电场能→其他形式的能量．

教师补充:当充电结束时,电压等于电容器两端电压,充电电流消失;当放电结束时,正、负极板所带电荷全部中和,放电电流消失．而且,电容器两极板所带电荷量一定相等,电容器所带电量只统计其中任一极板的带电量．

设计意图:电学,一直是高中生相对难学一块内容,其原因之一是相关知识的抽象和规律的多维理解．因此,用真实而可视化的实验过程来弥补上述不足显然是不二的选择,电表的偏转也让相关电学量变化特征的解释显得水到渠成．

2.4 定量探究电容器带电量与充电电压关系,建构“电容”的定义过程

人教版3-1教材上关于电容定义式的得出利用了与水杯截面积的类比得出的,但在很多一线教师课堂常能看到学生难以实现电容与截面积的思维跳跃.笔者认为这可能与教材的教学思路没有充分地体现电容定义的建构过程有关．因此,笔者尝试了自制教具“电容器充放电定量演示仪”结合传感器来定量突破“探究3:电容器带电量与充电电压的关系”．

演示实验:首先把“探究2”中的毫安表、电压表替换为电流、电压传感器,采用数据采集器分别采集6个不同充电电压情况下的电流-时间(i-t)图像,如图4,并记录LED显示的电压数值．

图4

图5

启发学生思考得出:在v-t图像中,图线与坐标轴围成的面积代表位移,这是因为位移x=vt,那么i-t图像中,根据Q=it得出i-t图线与坐标轴所围面积应表示电荷量Q,如图5．

教师提示并演示,图像面积在数学上可以理解为积分,而这可以通过传感器软件图线积分功能来实现,如图4中的阴影部分的i-t图线所围面积．

教师引导:一次充电电压对应一次电容器的带电量,两者的关系如何直观的体现?(学生普遍想到了图像法)

教师借助EXCEL完成数据的输入和Q-U图线的得出,如图6．

图6

教师引导学生思考:图像显示,在误差允许范围内,一条过原点的倾斜直线,体现了电容器带电量与充电电压成正比关系,该比例常数,即图线的斜率应该体现了该电容器(下文称电容器1)某种特殊的物理性质,那么是不是存储电荷本领的性质呢?

教师说明,一个电容器的带电量与充电电压成正比关系也许还不够充分说明电容器某种特殊的物理性质,不妨换用一个电容器(下文称为电容器2)再次完成上述实验并作图对比,投影教师课前已实验获取的如图7EXCEL表格．

图7

教师取下“电容器充放电定量演示仪”上的电容器,让学生读取电容器1的电容值 “1000 μF”并结合EXCEL体现的比例常数进行验证:1.466 mC/1.4 V≈1000 μF,再次说明电容这一物理量的引入的确是为了量化储存电荷的本领．

设计意图:借助自制教具和DIS传感器实现数据的采集过程,继而电容器充电电压与带电量的正比关系在EXCEL表格中一目了然,而直线斜率来体现某一物理量,这是学生再熟悉不过的．显然这样的教学处理,定性到定量,更为尊重学生的认知规律,是一次非常成功的教材二次开发,更是一次成功的物理概念建构过程．

2.5 定性、定量两种方案实验探究电容的影响因素,助推物理思维进阶

电容器的电容体现了储存电荷的本领,不随带电荷量和充电电压而改变,那么电容有哪些因素来决定?投影探究4:影响平行板电容器电容的可能因素．

教师引导学生猜测可能因素,比如:两平行板的板间距离、正对面积和插入的电介质等,并得出实验方法:控制变量法．并提示电容的测定有两种方案:间接测量和直接测量．

图8

实验器材:平行板电容器(边缘贴有一圈绝缘胶布)、手摇起电机、静电计(又称电势差计,张角α对应电势差U)、暖风机、导线两根,如图8．

教师说明和演示:首先解释本方案中增加暖风机和平行板电容器边缘胶布的用意,因为苏南地区4月清明期间空气潮湿,若是阴雨天漏电更为严重,而这6个改进措施可以非常有效地在电容器周围形成干燥的空气环境,确保实验的成功,即使是在下大雨的天气里．投影空白实验表格,依次控制两个不变量,演示某一物理量与电容的关系,观察张角的变化,从而确定电容的变化．

表1

根据表格所填内容,教师启发学生得出结论:平行板电容器的电容与电介质、正对面积成正相关关系,与极板间距离成反相关关系．那么是不是与相关可能因素成对应正比和反比关系?即提示学生需要进行定量研究．

方案2:直接测量．利用数宇电容表探究平行板电容器的电容的影响因素,如图．

图9

实验器材:两块完全相同的电子制作线路板(铜板且含有两根引线),4块两块完全相同的泡沫板,数字电容表一个,如图9．

教师引导学生结合实验器材思考和得出控制变量法下的倍量实验方案,后续投影教师课前已完成的实验数据和图像,如图10．

图10

教师引导学生思考得出该定量探究方案的可能误差来源:两根引线间的电容、铜板间泡沫板形成的空隙距离、空气的潮湿程度,等等．

图11

教师结合实物展示和说明不同的电介质做成的成品电容,正对面积的改变做成可变电容,并对标注的电压值说明是电容器的额定电压．结合空调外机的线路版(如图11)、照相机闪光灯、键盘、触摸屏展现电容器在实际生活中的应用．

设计意图:平行板电容器电容影响因素定性探究实验常受困于天气条件,漏电最本质的问题是空气潮湿,因此常用的方法是用吹风机吹平行板表面,但这种方法在阴雨效果甚微．笔者发现这是因为吹风机的风口面积太小导致被烘干的空气体量太少,换用出口面积大近10倍的暖风机,立竿见影,而在平行板边缘用绝缘胶布包起来则可以尽量避免边缘漏电．笔者也曾考虑过使用数字电容计来探究平行板电容器电容影响因素,但考虑到这样的实验方案距离教材可能有点过远了,而且从定性→定量探究过程更符合学生的认知规律．考虑到课时的限制,笔者在启发学生定量探究方案之后投影了课前已完成的探究数据,让学生在数据中体会电容的决定式,实现在方案视角转换中完成物理思维的进阶和科学态度的提升．

2.6 结合原始物理问题,问题解决中完成知识应用和责任认同

物理知识与规律的学习,最终指向应该是学以致用,为人类的生产、生活服务,在问题的解决中提升学生的科学责任意识．因此,若能结合相关原始物理问题,提供实际物理情境,实践意识的提升就有了良好的运行载体．

笔者考虑到平行板电容器电容影响因素定量探究实验中仅是投影了测定电容的图片,因此若能在实际情境应用中加以实际测定,既可以让电容决定式得到应用,又能弥补前面的不足．鉴于此,笔者安排思考与应用如下.

图12

王师傅是某校的一名水电工,他一天要检查自来水水塔里水位好几次,水塔很高,如图12,他想如果有个能自动测定水位高度的仪器就轻松多了!

若把自来水视作绝缘体,你能应用学习的电容器的知识帮助他设计一下吗?

教师引导学生观察验电计其实也是一个电容,电介质为空气,而且可以通过数字电容计测定,加以借鉴应用,即可把自来水当电介质,并在水塔外表和中央创设两个电极,形成随着水位高度变化而电容变化的电容器．

图13

演示实验:使用饮料瓶加一个出水管来模拟水塔用水,在饮料瓶外部裹上一层铝箔纸,瓶中央插上一根细细的铜棒形成两个电极,如图13,连接数字电容计探究放水时水位变化导致电容的变化,发现某一确定的水位对应一个电容值,随着水位的下降,水面上方的电介质更替为空气,电容值不断减小．

设计意图:这个思考题,源于生活实际问题,但这个演示实验既让学生对电容器的决定式学以致用,又让学生体会了物理就在身边,就在生活中,就在你的创新和创意中．实验器材都是我们司空见惯的东西,能用来在课堂上呈现和应用物理规律比起高大上的仪器显然更能贴近学生,更能强化学生的科学责任的学科认同．

2.7 研究性作业延伸学术性学习过程,实现科学态度的端正和强化

课堂简短的总结后,并不是相关学习的结束,加以合理的作业布置可以有效地延伸课堂时空,让学习继续进行．鉴于此,安排作业如下.

(1) 请利用学校实验室配备的电容测量仪完成以下两个研究性学习.

① “平行板电容器电容的影响因素”的定量探究,并分析引起误差的可能因素;

② 水塔模拟器的水位高度与电容值对应表．

(2) 网上查阅电容器在生产、生活中典型应用．

物理的学习,应该从生产、生活中来,最终还是要回到为生产、生活服务,这就要求学生有科学的研究态度,而完成课后的研究性学习显然是一个绝佳的载体,从研究方案的确定、数据采集,到研究报告的撰写无不可以发挥这样功效．

实验情境的校本开发的生命力在于应用到课堂中去,把物理现象和规律更好地展现在学生面前,真正指向学生实践意识的有效提升,实现教材的二次开发和思维的可视化．当然,一次次或大或小实验情境的校本开发或者改进,常常需要教师为了实验的成功一而再,再而三的尝试和修正,因此主动和积极创新意识不可或缺．

本文系江苏省教育科学“十二五”规划2015年度重点课题“核心素养导向的高中物理图景教学实践研究”(编号:B-b/2015/02/133)和江苏省中小学教研2015年度立项课题“新课程高中物理试题探究能力考查的应用研究”(2015JK11-L085)阶段性成果之一．

2017-04-12)