以科学方法引领物理核心知识的深度学习①——以人教版“电容器的电容”教学为例

(江苏省太仓高级中学，江苏 太仓 215411)

1 科学方法的教育价值

科学方法是人们在认识和改造客观世界的实践活动中总结出来的思维方式和行为方式，科学方法不仅是中学物理教学的重要内容，还是获取物理核心知识的重要手段，更是培养学生关键能力的重要途径。

首先，科学方法具有同化价值，掌握科学方法能更好地获取、理解物理知识。其次，科学方法具有建构价值，能帮助学生建立知识结构，使知识体系化和观念化。再次，科学方法具有实用价值，是解决问题的有效工具。

2 物理核心知识的深度学习

核心知识是知识中的关键部分，是形成核心概念和关键能力不可或缺的基石。从生活中的物理现象到核心知识，到物理核心概念，再到物理观念的构建是一个曲折和螺旋上升的过程，主要包括三个过程、四个要素：从物理现象到物理核心知识的体验和感悟过程、从物理核心知识到物理核心概念的整合和联结过程、从物理核心概念到物理观念的提炼和升华过程(如图1)。

图1

因此必须实现对物理核心知识的深度学习，深刻把握核心知识的丰富内涵和多维意义，才能发展学生的物理学科核心素养。深度学习强调对知识本质的理解和对学习内容的批判性吸收与利用，追求有效的学习迁移和真实问题的解决，属于以高阶思维为主要认知活动的高投入、有意义学习。

3 以科学方法引领核心知识的深度学习

深度学习追寻知识与思想方法、情感、逻辑、意义、价值的整合建构，以科学方法为主线组织教学，充分发挥科学方法的教育价值是实现核心知识深度学习的有效途径。“电容器的电容”教学中蕴含着丰富的思想方法，以下就以本节教学为例，谈谈具体教学实践过程和策略。

3.1 认识电容器

电容器的构造和作用是本节课的一个核心知识，可以借助观察法和分析推理法实现深度学习。

3.1.1 观察法

观察法是科学研究的基础方法，观察什么？如何观察？需要指导学生。

观察1：借助投影展示拆开的纸质电容器，引导学生观察它的内部构造。

电容器有两片锡箔(导体)，中间用浸过油的纸(绝缘体)隔开，每片锡箔上引出一个电极，两个彼此绝缘又相互靠近的导体可以看成一个电容器。

观察2：展示如图2所示的充、放电路图，接下来呈现笔者自制的实物线路板(如图3)，让学生仔细观察电容充、放电时电流表和电压表的指针偏转情况。

图2

图3

引导学生观察：(1)开关K掷向1时有什么实验现象？(2)K掷向2时有什么实验现象？

当K掷向1时，学生观察到：电流表指针向右偏转后摆回“0”刻度，电压表指针向右摆动到某个值后不动；当K掷向2时，学生观察到：电流表指针向左偏转后又摆回“0”刻度，电压表指针摆回“0”刻度。

3.1.2 分析推理法

分析推理是帮助学生深度理解知识的重要方法，学生在自主分析推理的基础上才能建构知识的意义。针对学生观察到的现象，通过问题驱动与学生深度对话，帮助学生认识电容器的作用。

师：电流是怎么形成的？

生：自由电荷的定向运动。

师：K掷向1时，流过电流表的电荷有没有穿过电容器？为什么？

生：没有，从电容器的结构可以看出两个极板彼此绝缘。

师：那么流过电流表的电荷到哪里了？

生：储存在电容器的极板上。

师：所以电容器的作用是什么？

生：容纳电荷。

师：这个过程叫电容器的充电，电容器容纳电荷后，储存了电能，此时两极板间有电势差，它有对外做功的能力。

师：K掷向2时，流过电流表的电流为什么和K掷向1时相反？

生：此时电容器的两个极板被直接接在一起，电容器要放电，自由电荷移动的方向和充电时相反。

教学意图：在实验观察的基础上，引导学生对现象进行分析，理解电容器的充、放电现象和其在电路中的作用。

3.2 电容器电容的定义

电容器电容的定义是本节课的重难点，需要借助多种科学方法帮助学生深度建构。

3.2.1 类比法

要研究电容器容纳电荷本领的大小，就得研究电容器容纳的电荷量Q和两极板电势差U之间的关系。采用实验的方法进行研究，需测量电荷量和电势差。

师：电势差可以通过电压表测量，电荷量不好直接测量，怎么办呢？

生1：用电流的定义式I=Q/t,得到Q=It，用电流表测出电流就可以算出。

生2：这样计算的话电流必须是恒定的，但是电容器的充、放电电流是变化的。

师：很好，对于如图4所示的变化电流，如何测量Q呢？

生3：计算图像与坐标轴围成的“面积”。

师：你是怎么想到的？

生3：类似于匀变速直线运动的v-t图像的“面积”。

师：这里运用了类比方法。

图4

图5

3.2.2 实验探究法

要研究电容器容纳的电荷量Q和两极板电势差U间的定量关系，可借助DIS实验系统，用电流传感器和电压传感器进行实验。

开关K掷向1时，电脑上会显示出I-t图像(如图5)，选择充电电流与坐标轴围成的区域，点击软件“数据分析”中的“积分”选项，就可测出电容器的电荷量。对于一个电容器测5组数据，测完后再换一个电容器进行测量，将所测数据记录在表1中。

表1

3.2.3 作图法

为了形象直观反映出Q与U间的关系，让学生分别做出两个电容器的Q-U图像(如图6)。

图6

师：从图像中能得出什么结论？

生1：对于同一个电容器，Q与U成正比，即Q与U的比值不变，不同的电容器Q与U的比值不同。

师：这个比值越大说明什么？

生2：说明在相同电压下，能够容纳的电荷越多。

3.2.4 比值定义法

可以发现电容器容纳电荷的本领与两极板间电势差有关，电容器容纳电荷的本领可以用Q/U来表示，这个比值越大说明电容器容纳电荷的本领越强，把这个比值就定义为电容器的电容C，C=Q/U。

教学意图：教材中电容器电容的定义是用盛水容器来类比定义的，水和电荷之间有诸多不同，采用定量的实验探究和作图法进行比值定义更能促进学生深度理解电容概念的内涵。

3.3 研究平行板电容器的电容

对于平行板电容器电容决定式的得出，教材中表述为：“理论分析表明……”，以高中学生的知识储备和基础，对此较难理解，可以在定性探究的基础上进行适度的定量探究。

3.3.1 控制变量法

展示教学用的平行板电容器，让学生猜想平行板的电容器的电容与那些因素有关。

生1：可能与两板间的距离、绝缘介质的材料、极板的材料和正对面积有关。

师：要研究电容与这4个因素间的关系，用什么方法进行研究？

生2：控制变量法。

3.3.2 转换法

在研究影响平行板电容器电容大小的因素实验中，对于用静电计定性反映电容的变化，需要理解三个转换关系。

转换1：从电容的定义式C=Q/U出发，容易测量的是电势差U。保持Q不变，将测定电容C转换为测定电势差U。

转换2：平行板电容器的两个极板分别与静电计的金属球和金属外壳相连，它们的电势分别相等，从而将测定平行板电容器两极板间的电势差转换为测定静电计金属球和金属外壳间的电势差。

转换3：将测定静电计金属球和金属外壳间的电势差转换为测定可视化程度较高的指针的偏转角。从结构上看，静电计其实是一个非平行板电容器，一个极板为外壳，另一个极板为金属杆，它们之间会形成一个非匀强电场，由于金属杆和金属外壳间的距离不变，所以当金属杆和金属外壳间的电势差越高时，静电计内部的电场越强，静电计指针偏转的角度就越大。

图7

3.3.3 从定性到定量

借助数字化电容计，笔者在网上买了两块边长为20cm的正方形薄钢板，在其间夹入边长也为20cm的正方形的240张纸(如图7)，测量其电容大小，接下来减少80页，再测量；再减少80页，再测量(如表2)。

表2

在教学中只研究了平行板电容器的电容和纸的张数(距离)间的关系，对于其与正对面积间的关系由于边缘效应，测量数据误差较大。

教学意图：定性研究影响平行板电容器电容大小的因素的实验中蕴含着丰富的科学方法，学生很难在理论上理解平行板电容器电容的决定式，通过数字化电容计测定其与距离间的定量关系，可以帮助学生理解。

3.4 科技前沿介绍

为了让学生了解科技发展的前沿，笔者推荐学生观看CCTV10《走进科学》播出的“超级电容”内容。超级电容器是一种新型绿色环保物理储能器件，可短时间大功率输出，功率密度远高于锂电池，充放电循环次数达50万次以上，寿命达10年以上。

可以用举例法列举具体事例和数据，说明超级电容器的巨大应用前景：纯电动公交车常规充电通常要用7个小时左右，采用超级电容器供电时，充电只需要不到30秒。

4 结语

为实现物理核心知识的深度学习，需要充分挖掘科学方法的教育价值，以科学方法为主线，组织、整合物理核心知识教学，这样一方面有助于将物理核心知识凝练、升华为物理观念，另一方面有助于学生在掌握科学方法的同时发展科学思维能力，提高其物理学科核心素养。