不一样的立场 不一样的精彩——关于2017、2018年江苏高考物理卷对电容器考查的思考

夏季云

(南京市第一中学,江苏 南京 210001)

1 高考真题再现

图1

(2017年江苏高考题)如图1所示,三块平行放置的带电金属薄板A、B、C中央各有一小孔,小孔分别位于O、M、P点.由O点静止释放的电子恰好能运动到P点.现将C板向右平移到P′点,则由O点静止释放的电子

(A) 运动到P点返回.

(B) 运动到P和P′点之间返回.

(C) 运动到P′点返回.

(D) 穿过P′点.

图2

(2018年江苏高考题)如图2所示,水平金属板A、B分别与电源两极相连,带电油滴处于静止状态.现将B板右端向下移动一小段距离,两金属板表面仍均为等势面,则该油滴

(A)仍然保持静止.

(B)竖直向下运动.

(C)向左下方运动.

(D)向右下方运动.

2 教师的固有认知与迷茫

2017年暑期的一次教学活动中,一位资深教师这样问我:“夏老师,我觉得今年江苏高考物理卷第4 题是一个超纲的题目,因为3块金属板已经构成2个电容器,它已涉及到电容器的联接或高斯定理的相关知识,你怎么看?”．

2018年高考结束刚结束,一位高三物理任课教师就对该题指出：“由于平板电容器只要求学习两板平行的情况,不平行的两块金属板组成的电容器从来没有遇到过,学生一定不知如何去解决?”

对于上述教师的看法应该具有普遍性,符合较多教师的认知特征,这也是教师对教学内容认知固化的典型例证．当下教辅材料有关电容器的学习或考查内容中涉及的总是单个电容器且两板一定平行,解决问题的思路千篇一律,造成了不会有其他情况的印象,笔者认为上述教师认知的形成与教辅和考试有很大的关联．

3 从教师的教找寻学生困惑的成因

对第一位教师的问题,笔者并没有直接回答他是与否,先请教同行在教平板电容器间场强这个知识点时是如何实施教学的．他这样回答:新授课首先按照教材演示的要求进行了实验,在电荷量一定的前提下,分别是改变正对面积、板间距离、插入介质,通过静电计观察两端电势差的变化,让学生体验影响电容器大小的因素,进而给出了平板电容器的公式;接下来通过具体事例对板间场强进行了进一步讨论．

图3

例.如图3示,平行板电容器的电容C,两极板间电压为U,两板间场强E和带电荷量Q,在下列情况下怎样变化?(填写:增大、减小、不变)

(1) 保持两板与电源相连,只增大两板间距离,则C________,U________,Q________,E________.

(2) 给电容器充电后与电源断开,再减小电容器极板间距离,则C________,U________,Q________,E________.

板间电场变化的问题解决主要依据电容定义式、匀强电场公式及平板电容器电容公式,换言之,即直接利用相关公式进行推理,学生也自然认可并接受．分析过程大致如下.

(1) 如果电容两极板与电源并未断开,此时电容两极板之间的电压将保持不变,即U为一个常数,此时直接利用式E=U/d，便可知d变大E减小．

(2) 中电容器充电后已经与电源断开,也就是此时电容器两极板所带电荷量已经固定,Q是常数．当两极板之间距离增大时,由于电容的大小与基板之间的距离是成反比的(C=εS/4πkd),对电容器有Q=CU,板间场强可看作匀强电场,所以有E=U/d,公式变换后发现E与d无关,因而板间场强不变．

该教师的上述做法基本是目前高中物理教学实践中的“标配”,当然也有很多人只是讲实验而非真正做实验,对该老师教学有如下的反思．

首先,按照他的教学思路,学生要去寻找板间场强规律,他自然会联想到运用电容定义式、匀强电场公式及平板电容器电容公式,这就会涉及到电容器连接问题,更高层面会涉及高斯定理的相关知识,学生不会做那是必然结果,进一步讲按照这一思路该题确实是“超越了教学要求”,算得上“超纲”．

其次,从学科规律立场的视角．物理概念的建立遵循基本一致的规律,即物理概念提出的背景、意义、定义、单位、适用条件、运用．实验发现,带电体会对靠近的物体有力的作用,这是一种超距作用,说明带电体周围有场存在,不同的位置作用力有区别,但同一位置不同物体受到的力与电荷量的比值不变,基于物理学科规律,从力的角度运用比值定义便是水到渠成,为了形象描述分布引入场线也是物理学的习惯做法．

再次,从学生学习规律的视角．教材的安排是遵循学生的认知规律,电场强度概念的建立是在学习库仑定律之后,结合实验现象,利用类比万有引力的方法,运用比值定义法给出了电场强度的定量计算(定义式),对真空中的点电荷结合库仑定律得出了特定的场强公式,由于电场的抽象性,为形象描述电场分布引进了电场线．这一认知过程强化了学生大脑中点电荷周围电场强度与距离的关系认知结构,再加上大量涉及点电荷的一些定量运算起到了再度强化功能．

为了体现严谨,我们的教学习惯从结论到结论,总喜欢用公式定量去推导,过度数学化,结果产生了对物理概念本真的忽视．前面所述的惯用教法就是把平板电容器场强变成了一个独立的内容,它的建立脱离了电场概念的基本属性,完全是建立在结论基础上的数学推理(3个公式)．没有从物理学科规律出发,即没有从知识的生长来进行教学;没有从学生认知规律出发,即没有考虑在学生已有知识储备、思维习惯,情景在头脑中最先呈现的是什么等．在训练强度达不到一定水准时,通常情况学生不会立即想到用公式推导场强的变化规律也是情理之中．

我们都知道,对于问题(2)中的场强变化规律,学生总是出错,为什么总是出错呢?通过调查与交流发现,由于点电荷场强公式学生掌握很牢固,对距离越大,场强越小几乎已形成条件反射,因而对带电荷量一定的平板电容器,当板间距离增大时,电场变小,学生觉得天经地义,根本就不会怀疑,也不会想了从电容、场强规律去推导．[1]

4 从科学思维的视角学习平板间的电场

从物理学视角对客观事物的本质属性、内在规律及相互关系的认识方式,是基于经验事实建构理想模型的抽象概括过程;是分析综合、推理论证等科学思维方法的内化;是基于事实证据和科学推理对不同观点和结论提出质疑、批判,进而提出创造性见解的能力与品格．“科学思维”主要包括模型建构、科学推理、科学论证、质疑创新等要素．[2]

为了让学生更好的学习,实现真学习,科学思维得到真正的培养．笔者认为必须转变3个观念,即从碎片化浅层学习向系统学习的深度学习转变,从直接接受知识过程向知识生长的过程转变,从技能训练向思维培养转变.这种教学理念的转变会极大地改变学生的学习感情、学习态度、学习效果．

从科学思维的视角看,物理学习重在对客观事物的本质属性、内在规律的掌握,所有带电体周围电场分布应当遵循同样的规律,平板电容器之间的电场分布也不例外．平板电容器间的电场分布它只是众多电场中的一种,或者说是特殊的一种.教学中在讲电容器板间场强时,先回归到场强描述的基本立场上来就顺理成章.在回顾前期学习过的用电场线描述电场分布的基础上,把运用电场线描述场强分布进一步挖掘和提炼,进一步明确在标准一定的条件下,每个电荷发出的电场线条数应是一定且相等,电场线在空间不会相交,电场线的疏密程度反映了场强大小.教师不直接告知平板电容器间电场线分布图,引导学生从定性的立场构建平板电容器之间可能的电场线分布图,有效避免了让学生囫囵吞枣的接受平板电容器之间的电场分布.这种教学实施体现了从直接接受知识过程向知识生长的过程转变．在此基础上再引导学生从定量角度去探究平板电容器之间的电场,回忆已学习相关定量研究的内容并试图找到他们的内在联系,最后再运用3个公式来推导,得出它的定量表达．这种教学实施体现了从技能训练向思维培养转变．从总的学习过程来说,有效的体现了从碎片化浅层学习向系统学习的深度学习转变.

如果学生有了这样的学习认知经历,面对2017年第4题这样的问题,他就会想到,由于考题是一种定性分析类题目,便可从定性的角度尝试去解决．C板向右平移带电荷量不变,导致电场线总条数不变,电场分布的空间区域没有变化,因而板间场强不发生变化,从这个角度而言这一高考题的求解就是极其简单．上述求解根本不需要涉及电容器联接或高斯定理的知识,它有利于引导中学物理的科学教学,是对单一题海战的有力回击,因而我认为该题应当是一道考查体现学科、体现学生认知规律的一道好题．面对2018年第5题这样的问题,学生从定性的角度,分析电量的变化导致电场线密度变化也能找到答案．其实关于电容器考查还可以创新,如两板带电量不等、带电量不变的前提下,让其中一块倾斜等．

从科学思维的视角设计教学更加符合学科规律、学习规律,知识的习得就不会显得唐突,有利于学生更全面系统掌握该知识,有利于落实核心素养发展的目标．