基于批判性思维的高中物理课堂教学设计探讨——对“电容”概念引入片段的审视

(南京师范大学附属中学，江苏 南京 210003)

《普通高中物理课程标准(2017年版)》将批判性思维列入课程目标，要求学生“具有批判性思维的意识”“能基于证据大胆质疑，从不同角度思考问题，追求科技创新”。要培养学生有批判性思维，首先就要有能够进行批判性思维的教师，即教师在教学过程中必须客观地、冷静地审视自己的思维，发现并及时修正思维谬误。笔者基于批判性思维能力的培养目标，从青年教师基本功大赛的一道试题入手，对目前“电容”概念引入的几种做法进行审视，以期提升我们自己和学生的思维品质。

试题：有教师为了引入电容概念，制作了以下动画课件。如图1所示，电容器通过单刀双掷开关分别与电源和静电计相连，当开关S接到1时，电源对电容器充电；当S接到2时，静电计显示电容器两端电势差的大小。

图1

播放课件可见：用不同的电源对电容器充电，电容器所带电荷量大小不同，电容器放电后静电计两端电势差也不同。当电容器带一个单位电荷Q时，静电计的示数为U；当电容器带两个单位电荷2Q时，静电计示数为2U，当电容器带三个单位电荷3Q时，静电计示数为3U，……

(1) 指出该教学过程中存在的问题；

(2) 对电容概念引入过程进行教学设计。

本题的命题意图是考查教师的批判性思维水平，但选手的答案大多浅尝辄止，仅仅停留在用课件取代实验上。应该怎样从批判性思维方面来审视这个概念引入的片段？笔者认为可从寻找逻辑谬误与价值判断两个视角进行审视。

1 寻找教学设计中的逻辑谬误

1.1 课件设计中的逻辑错误：循环论证

值得商榷的是：课件中并没有测量电容器电荷量的仪器，怎么知道电容器所带的电荷量是几个单位？

有教师会说电容器两端的电势差等于电源电动势，电容器所带电荷量大小与电源电动势大小成正比，所以可以用电源电动势大小表征电容器所带电荷量的大小。这个结论是正确的，但是存在两个问题。

(1) 什么情况下电容器两端的电势差等于电源电动势？构建电容器充电电路模型如图2所示。当充电结束时，充电电路中电阻R上有阻无流，电容器两端电势差与电源电动势相等。但是这与电容器所带电荷量有什么关系？

图2

图3

(2) 当单刀双掷开关S接到2后，电容器将对静电计放电，这时电容器两极板所带的电荷量q不再等于CE，这个电荷量应是多少呢？

显然，只有当C≫C1，即电容器电容C远大于静电计电容C1时，才有q=qm=CE。

1.2 实验设计中的逻辑错误

(1) 循环论证

图4

(2) 不当类比

(3) 前提失当

有选手利用电容器放电电流驱动石英钟来设计实验，认为石英钟走动的时间与电容器容纳的电荷量成正比，并以此验证电容器两极板电势差相同时电容器电荷量与电容成正比，同一电容器所带电荷量与电势差成正比。然而这个前提是否妥当却值得商榷！

比较以上这些做法，可以发现不论是用等效法，还是用类比法，都没有用实验来直接测量电荷量的大小。所以为了用实验引入电容概念，必须直接测量出的电容器所带的电荷量大小，而测量方法似乎也只能选择“利用电流传感器得到i-t图像，再求积分了”。

批判性思维不仅是技能与能力，更重要的是支撑这些技能与能力的心智特征，质疑的意识与胆略正是这种心智特征的重要方面。本文所涉及的课件曾长期流行于网络上，本文所列举的几种实验引入方法也曾发表在权威期刊上，教师往往为追求新颖而使用，但对课件和实验本身的逻辑性甚至科学性缺乏深刻的思考，这是不可取的。批判性思维要求我们不要盲目相信自己，也不要盲目相信他人甚至权威，要从形式或非形式逻辑上乃至统计逻辑上对自己或他人的结论提出质疑，并在获取证据、分析推理的基础上做出正确的判断与选择。

2 对教学设计方案进行价值判断与选择

对于电容概念的引入，一般有两种方案：

一种是实验法，即用不同的电源对电容器充电，然后利用DIS实验系统画出电容器放电的i-t图像，通过“积分”功能计算出电荷量Q。同时，用数字式电压表获取放电时电容器两极板间的最大电压U，发现对给定的电容器电荷量Q与电压U的比是个定值，而不同的电容器这个比值不同，所以这个比值与电荷量、电压无关，只与电容器本身有关，反映了电容器自身的性质，称为电容。

另一种是类比法，即将电容器与水容器相类比，其教学过程如下。

师：将两个底面积不同(分别为S1、S2)的柱形水容器，均放入高为h的水(如图5)，请计算其水容量(所装水的质量)。

图5

生：M=ρSh。

生：对于给定的水容器，这个比值是一个定值(与装水的多少无关，只由水容器自身的性质决定)；对不同的容器，这个比值不同。比值越大，即容器的底面积越大，它容纳水的本领越强。所以这个比值反映了水容器容纳水的本领。

师：gh在物理学中叫重力势差，它反映了重力场自身的性质。在引入重力势差概念后，你认为电容器容纳电荷的本领应该怎样描述？

学生：电容器——柱形水容器，电荷量Q——水容量M，电势差U——重力势差gh。

生：电容是表示电容器容纳电荷本领的物理量。它的大小与带电荷量多少以及电容器两端电势差的大小无关，只由电容器自身的性质决定。

师：我们用类比法得到了电容的概念，但是这只是一种假设，电容器带电荷量与两极板间的电势差的比值究竟是不是一个定值，这是需要实验验证的(实验验证过程略)。

两种做法的价值取向不同。第一种做法强调实验探究，因为实验是物理学的基础；第二种做法强调理论探究，培养了学生的类比思维。哪个方法更好？如果让笔者选择，更倾向于后者。一是因为在实验前你怎么会想到要测量电荷量与电势差；二是用电流传感器传递电容器放电电流信息，并用DIS系统“积分”功能计算电荷量，这是近年来科技发展的成果。而电容概念产生于十八世纪，那时对电荷量的测量还很不成熟，因此第二种做法可能更符合物理学史，也更有利于培养学生的创造性思维。