基于核心素养发展的物理概念教学改进

李宝才 田成良 冯波

摘 要：2017版新课标颁布了学科核心素养，倡导学科育人，教师应注重培养学生的能力和品格.概念是物理学的基石，它能深刻地反映事物的共同特征和本质属性;在概念教学中，教师常把重点放在知识的传授上，强化教学的结果，忽视了概念建立的过程，如何在概念教学中落实核心素养是广大物理教师必须面对的问题.

关键词：优化过程;建立概念;核心素养

文章编号：1008-4134（2020）01-0051 中图分类号：G633.7 文献标识码：B

作者简介：

李宝才（1975-），男，河北唐山人，本科，中学高级教师，研究方向：高中物理学科教学;

田成良（1974-），男，山东泗水人，本科，中学高级教师，物理特级教师，硕士生导师，研究方向：物理过程教学、物理科学方法教育、课堂教学艺术等;

冯波（1965-），男，湖南郴州人，本科，中学高级教师，北京市特级教师，研究方向：中学物理课堂教学.

对于物理概念的教学，过去多把侧重点放在知识的传授上，强调的是讲清概念的内涵、外延以及与相关概念的联系与区别.至于对概念的来龙去脉，对它形成与发展的过程，则轻描淡写，甚至一笔带过.这种“斩头去尾烧中间”的做法，强化了教学的结果，而忽视了教学的过程，其結果不仅减弱了概念教学本身，而且也有碍于学生能力的培养.

在新课改理念的指导下，笔者探索优化建立概念的过程，并在概念建立的过程中落实学科核心素养.本文以“电容器的电容”为例进行教学设计.

1 经历电容器发明的过程

教师出示一个盛水的塑料杯（内外壁附有锡箔纸，如图1所示），问学生：“这个杯子能装水，它能否装电呢？”学生摇头，表示不信，教师用起电机给杯子充电，然后找三名同学手牵手，让其中一同学的手分别触摸杯子的内、外壁，三名同学被电得大叫，其他同学发出惊讶的声音，这个杯子为什么能装电呢？教师进一步展示杯子的结构，其实塑料杯、锡箔纸组合成了一个新的元件——电容器.它具有储存电荷的本领，我们称之为电容器——电荷容纳的仪器（类似水杯——容纳水的容器），然后用多媒体动画解释电容器储电荷的原理.

最早的电容器，又称为莱顿瓶，它是1746年，荷兰莱顿大学的教授马森布罗克在做电学实验时无意中发明的，这种装置可把电储存起来.原始的莱顿瓶是一个玻璃瓶，瓶里瓶外分别贴有锡箔，瓶里的锡箔通过金属链跟金属棒连接，棒的上端是一个金属球，这就构成以瓶子玻璃为电介质的电容器.后来研究发现，只要把“双层金属膜（铝箔）+绝缘体（塑料）”组合即可将电荷存储起来，其模型简化为“两个金属板+电介质”，从而完成模型建构的过程.最后出示电路中常用电容器，并认识其结构（如图2）.认识了电容器后，让学生现场制作：将两张烤箱用的锡箔纸中间夹上一层保鲜膜，用熨斗熨平，紧密压在一起，并利用静电起电机的莱顿瓶让学生亲身体验电容器的充放电过程.

评析 本环节通过学生活动，亲身体验“触电”，从问题的起点开始，带领学生经历电容器发明的过程，并利用物理学史认识电容器的结构，了解莱顿瓶的发明过程，感悟前人敢于攀登科学高峰的精神，渗透了科学精神.通过制作电容器，亲身体验，学生非常有成就感，不仅对电容器结构和作用有了更深刻的认识，还会对这个神奇的电容器产生探究的欲望.

2 认识电容器的作用

首先设计学生活动，让电容器与电源相连，充电后将两极板短路，产生放电火花.在实验中，让学生感知电容器能够容纳和释放电荷，同时定性感知电压不同存储的电荷量也不同，为后面的学生分组探究实验做铺垫.

然后用电源对同一电容器充电、放电，如图3所示，注意观察电流计指针偏转的方向、偏角的大小及灯泡亮度变化，感受电容器充电和放电过程，体会电容器的功能.并让学生在电容器充放电的过程中，解释Q、U、E以及电场能的变化情况.利用理论分析，在电容充放电的过程中建立能量的观念.

评析 在认识了电容器的结构后，利用学生活动亲身体验电容器充、放电的过程，观察实验现象，激发了学习兴趣，体验到电容器的神奇功能，认识了其功能和价值，为后面建立电容的定义奠定了基础.

3 探究电容器容纳电荷量与电势差的关系

通过前面的电容器充、放电实验，我们发现用不同的电源给同一个电容器充电，电容器所带的电荷量并不同.

师：你认为电容器容纳电荷量的多少与什么因素有关？

生：电势差.

师：为研究同一个电容器容纳电荷的多少，我们如何设计实验呢？

生：控制电容器不变，改变电势差的大小.

师：如何定量测量电势差和电荷量呢？

生：电势差可用电压表测量，电荷量怎样测量？

师：电势差容易测量，电荷量虽不易定量测量，能否间接测量呢？

生：利用Q与I、t的关系，理论上可以实现.

师：通过i-t图像如何能知道电荷量呢（如图4所示）？

生：面积.

师：为什么啊？你们是怎么想的呢？

生：我们之前学过v-t图像的面积表示位移.根据公式Q=it，所以这个面积应该是电荷量.

师：同学们太棒了！能够迁移，学会了类比.这就是学习的基本方法.由于图像直观，高中阶段处理数据最常用的方法就是图像法.

评析 以上环节，首先明确主题，有利于开展探究实验，并在设计过程中，利用控制变量和极限思想进行科学方法教育，发展了学生的科学思维.利用图像解决电荷量测量问题，培养了学生的创新能力，发展了学生的核心素养.

3.1 技术辅助，创设问题情境

如图5所示，利用DIS实验测绘出电容器的充放电i-t图像.各组同学分别用不同规格的电容器，探究同一电容器在不同电压下的充放电i-t图像.

介绍先进实验仪器——电流传感器，如图5所示.测定充放电电流-时间图像（i-t图像）借助计算机画图，如图6所示，可以得出什么结论？

3.2 抽象加工 建立电容概念

实验结束后，引导学生分析论证，思考：

（1）从图像中你能观察到什么？

（2）电流变化的特点是什么？说明了什么？

（3）i-t图象下面所围成的“面积”表示什么？

生：同一个电容器，Q与U成正比，Q与U的比值不变，也就是图像中的斜率不变.

师：不同小组用同样的方法测出了另外两个电容器的Q-U图像，对比三个图像，请同学们观察并思考，有什么发现？ 在不同的电容器放电的过程中，我们看到了什么现象？

生：灯泡亮的时间不一样，有的持续时间长，有的很短.

生：同一个电容器Q与U成正比，Q/U的比值不变.不同的电容器Q与U的比值不同.

师：以上现象说明了什么？Q/U意味着什么？有怎样的实际物理意义？

生：有的电容器带的电荷量多，有的少.

引导学生共同归纳，Q/U的比值不变在物理学当中有特殊意义，它表示不同电容器的特性不同，为了认识不同电容器带电的本领不同，为了描述不同电容器的Q/U不同，我们把Q/U的比值定义为一个新的物理量——电容，它表示电容器带电的本领，即比值大表示容纳电荷本领大，反之本领小.

评析 本环节，利用信息技术手段，测量了实验数据和图像，创设了不同电容器有不同的图像（斜率）的情境，引导学生分析图像，总结结论，建立概念，整个过程始终体现学生主体，自主建构知识，不仅培养了探究能力，还发展了科学思维，认识了电容的本质.

3.3 利用变式 巩固深化概念

建立了电容的定义后，为使学生真正掌握其物理意义，可以利用以下问题，进行变式训练.用不同的电压给电容器充电，电容大小变化吗？电容的大小与Q、U有关吗？学生已经懂得，R=U/I，但与U、I无关;Φ=EP/q，与EP 、q无关……，所以利用学生已经掌握的知识，进行迁移，有利于突破难点.

通过前面的实验，引导学生认识到不同电容器带电的本领不同，就像不同的水杯装水的本领不同，不同的物质吸热本领不同.电容器容纳电荷的本领不同，这个不同仅由电容器本身决定，与外界的电压和和电荷量无关.最后让学生回顾，利用比值定义建立概念的还有哪些物理量？共同总结电场强度、电势、密度、压强、加速度等概念，都用了类似的方法.

评析 科学探究能够培养学生设计方案的能力和获取证据的能力，利用各种科技手段和方法收集信息、处理信息，解释实验结论和评估交流，在这个过程中，不仅发展了科学思维，还着重培养了学生对实验数据的处理能力.经过分析论证，从而得出斜率不变可能预示着某个特殊含义，进而得出电容的概念，这种建立概念的过程，更符合学生的认知规律，有利于学生突破学习难点.

3.4 学以致用，培养实践意识

通过联想电脑主板、小米音响功放、闪光灯、美的电饭锅、海尔洗衣机、长虹液晶电视、格力变频冰箱等等，让学生认识到电容应用广泛，类型众多，如图8所示.最后，利用自制的安检仪，现场检测瓶装水和瓶装油，让学生把一瓶液体放入箱子中，如图9所示，教师都能很快地鉴别出是什么物质，学生发出惊讶的声音.教师引导学生从电容的角度，思考其中奥妙，安检仪就是一个大电容，放入液体，就是改变了电容器的电容.这个游戏不仅为后面学习影响电容大小的因素奠定了基础，还激发了学生的学习兴趣.

评析 通過电容器的实际应用和发展，使学生体会到学习是有用的.教育的根本目的就是学以致用.新课程标准的理念是：在内容上注重与生产生活、现代社会及科技发展的联系，反映当代科学技术发展的重要成果和科学思想，同时关注物理学的技术应用带来的社会问题，培养学生的社会参与意识和社会责任感.

参考文献：

[1]田成良.遵循知识形成过程 突破思维障碍[J].中学物理教学参考，2015（10）：14-16.

（收稿日期：2019-10-06）