核心素养视角的整合与进阶教学例析*——以“电容器的电容”为例

陈伟孟

(中国人民大学附属中学 北京 100080)

张玉峰

(北京教育科学研究院 北京 100036)

学习进阶强调学生对某一主题的概念学习需要分阶段进行，每一阶段对该概念的学习都是在前一阶段的基础上进行加深或延展，先学的知识成为后续学习知识的基础．“阶”的确定不只是基于知识的逻辑结构，而是由学习者和知识主客体共同决定的．依据进阶理论进行教学设计，让学生所学知识之间的内在联系更加紧密且层级结构清晰，有利于教师根据学生的实际水平设计符合学生思维发展的教学过程．同时，为了学生从整体上对物理知识体系的把握，教师在教学设计时，应将知识进行整合优化，让学生从整体上认识物理学科体系．教学整合和进阶能有效促进学生核心素养与关键能力的发展，提高课堂教学的有效性．

在此，对以整合和进阶为主线促进核心素养发展的“电容器的电容”进行例析．

1 教学要求与教学目标

1.1 课程标准的教学要求

教育部《普通高中物理课程标准》(2017年版)对电容器的电容的要求是：“观察常见电容器，了解电容器的电容，观察电容器的充、放电现象．能举例说明电容器的应用．”并给出相应例题：“查阅资料，了解电容器在照相机闪光灯电路中的作用．”给出的活动建议：“通过观察、查阅资料等方式，了解并分析电容器应用的实例，撰写研究报告．”

1.2 教学目标

(1)知道电容器充放电的本质，了解电荷量和能量的转化，有助于能量观念的形成；

(2)理解电容的概念及定义式；

(3)通过学生对实验的观察和研究，培养学生的科学探究能力和抽象思维能力；

(4)知道平行板电容器电容的决定式，通过科学探究加强认识，促进科学思维的生成；

(5)了解常见电容器，理解科学·技术·社会·环境的关系，强化科学态度与责任．

1.3 教学重点

(1)电容的定义式；

(2)探究分析电容器充、放电的过程和本质；

(3)平行板电容器电容的决定式．

1.4 教学难点

(1)电容器充放电过程的分析和能量转化；

(2)电容的定义及其物理意义．

1.5 电容在静电场单元的进阶路径

电容在静电场单元的进阶路径如图1所示.

图1 电容器的电容进阶路径

2 学生情况分析

2.1 学生已有的经验概念和方法

(1)生活经验

电容器虽然在日常电器中应用广泛，但是学生缺乏直接感受．通过书本的预习后，还需要结合实验来强化认识．

(2)概念储备

1)电荷量、电势差等概念；

2)学生初中学过一些基本的电路性质．

(3)物理方法

1)通过场强、电势等概念的学习，知道比值定义的物理方法；

2)通过库仑定律一节的学习，了解了物理量减半研究的方法，以及蕴含的对称和守恒的思想．

2.2 学生认识的阶段

(1)预习达成的认识

1)了解了电容器的构成，知道了一些生活中的电容器；

2)定性了解了电容器的充放电过程；

3)知道了电容的定义式和平行板电容器的决定式．

(2)需要解决的问题

1)对电容器的认识还是间接的，没有直观认识和感知；

2)对电容器的充放电过程还没有准确的认识，需要实验来增强认识；

3)对电容的比值定义需要实验来加深印象；

4)对平行板电容器的决定式需要更为直观的实验的结合来强化认识．

2.3 学习困难产生的原因

(1)电容器属于生活中常用但是不“常见”的仪器，学生很少能将电容器从电器中孤立出来，了解其性质；

(2)电容定义，属于比值定义物理方法在新情境中的运用．

2.4 学生建构电容概念的过程

学生建构的电容概念的过程如图2所示.

图2 电容概念的建构过程

3 教学过程

3.1 环节一：电容器

活动设计：

简要演示电容器的功能和结构：一个简易直观的电容器功能的呈现——充电后的电容器让挂钟走动，或者让小灯泡发亮等，如图3(a)、(b)所示；内部结构的拆分——拆解纸质电容器，分析了解其内部结构，并进行生活中常用电容器的举例，如图4(a)、(b)所示．

图3 电容器的功能演示

图4 电容器展示和实物拆解

设计意图：通过真实情境和真实物体，学生对电容器充、放电具有直观体会，发展学习和探究兴趣，巩固了解电容器的功能和结构．学生也通过放电时长感知不同的电容器容纳电荷和电能的本领不一样的特点．

3.2 环节二：电容器的充电和放电过程

活动设计：

(1)分析预习内容，对充放电现象进行物理分析，解决学生的问题.

1)充、放电过程有没有电流？

2)充、放电过程中电荷是怎样移动的？

3)充、放电过程中两极间电压是如何变化的？

4)为什么电容器的带电荷量是一个板所带电荷量的绝对值？

根据示意图(图5)分析讨论：把一个极板所带电荷量的绝对值叫电容器的所带电荷量Q．这样的规定并非权宜之计，而是电源将电荷真正从一个极板移动到另一极板的就是Q．

图5 电容充、放电的示意图

(2)按图分析和连接电路，引导学生在实验前先预测现象．

(3)用传感器记录实验现象，与预测进行比较，分析原因．

实验所得图像如图6和图7所示.

图6 充、放电过程中电流的变化

图7 充、放电过程中i和u的变化

(4)就充、放电图像进行分析和提升，深化对电容器充电、放电过程的认识和理解．

设计意图：基于学生预习的内容，对充放电现象的物理分析，解决学生的问题，同时迁移类比，拓展图像面积的物理意义，可提如下问题：

(1)充、放电过程有没有电流？有瞬时电流．

(2)充、放电过程中电荷是怎样移动的？有助于物质观念的形成．

(3)充、放电过程中两极间电压是如何变化的？鼓励猜想、质疑和探究．

3.3 环节三：电容概念和模型的建构

活动设计1：

创设任务，通过阅读教材上关于电荷量平分内容(图8)，引导学生探讨如何定量研究电压和电量间的关系.

方案：将相同的带电的电容器与不带电电容器两极分别接触多次，电荷量逐级减半．通过电压表测量电容器两极间电压．做出电荷量与电压的关系图像，分析图像发现二者的正比关系．

图8 教科书中关于平分电荷的对称和守恒思想

要求学生设计实验，获得电荷量和电压的相关数据，并探究它们的关系．

连接实验电路，学生观察实验现象并做数据记录如表1所示.

表1 探究电荷量与电压关系数据记录表

得出电荷量与电势差的关系并与v-t关系类比，如图9所示.

图9 描绘U与Q的关系图像，适时类比拓展

设计意图：通过分组实验，让学生对电容器的电容概念，由感性认识达到理性认识．让学生经历假设猜想、实验设计、数据收集、得出结论的一系列活动，提升学生分析解决问题的能力，同时认识物理概念建立的一般过程，了解研究物理问题的一般方法．增加切身体验，体会物理思想的传承与创新．铺设思维台阶，通过类比思维和功能关系，学习和分析电容器的能量问题；关注能量观念的形成．

活动设计2：

图10 充、放电过程中i-t图的面积

知识整合：此处I-t图像和U-Q面积是否有物理意义？通过与速度-时间图像、弹簧弹力-伸长量图像进行类比迁移，引导学生主动思考图像及其面积的物理意义，实现知识整合和学习能力提升，形成对电荷量和电势能概念的深入理解，不断深化物理观念和能量观念．

3.4 环节四：平行板电容的科学探究

活动设计：

电容器的电容与极板间的电压、极板所带的电荷量无关，那与什么因素有关呢？按图连接电路，提示学生注意观察实验现象．

设计意图：明确电容器的电容与Q和U无关后，讨论影响电容的相关因素时，让学生进行猜想，以平行板电容器为例，关注两极板间距、正对面积、介质材料与电容大小可能存在的关系．

在探究影响平行板电容的因素时，教科书采用了如图11所示的实验装置，通过调节正对面积、两极板间距或板间电介质等，观察静电计张角的变化，进一步推导出电容的变化规律．这个实验优点是让学生清晰地看到当极板正对面积、极板间距、极板间电介质发生变化时，两极板间电势差的变化情况．然而，这种通过电势差间接推导的变化关系不直观，难以让学生形成深刻的印象，可作为拓展内容学习．

图11 影响平行板电容器电容大小的因素演示

图12 常用电介质的介电常数

图13 检测平行板电容器的介电常数

图14 数字式多用电表演示和检测平行板电容的影响因素

3.5 环节五：电容器的应用

活动设计：

微视频播放我国在超级电容器研发和应用方面的相关视频(图15)，拓展超级电容器的相关知识．通过了解电容器的广泛应用，学生增强了将物理知识应用于生产和生活的意识，青年一代感受对技术进步的责任感，培养学生的科学态度与社会责任感，进一步凸显物理课程和物理课堂的育人功能．

图15 电容电车

设计意图：深化理解概念基础上，进一步促进电容能量观念的形成，同时通过常规课堂融合学科教学立德树人目标，强化科学态度与责任．

4 拓展作业设计

例：探究性任务作业．如图16所示，电脑主板板材是较为理想的平行板电容器研究对象，利用数字式多用电表(能够测量电容)、直尺、数显游标卡尺或螺旋测微器(能测量厚度)来测量该板材参数，如图17所示，计算板材电介质的介电常数．同时，搜索查询相关信息，将测量结果和与该材料标准值对比，并分析误差原因．

图16 电脑主板板材

图17 测量板材参数

设计意图：设置有梯度的作业，满足学生多样化的学习需求，实现评价、巩固和拓展并举．充分利用教材，巩固和提升知识；注重新学知识的应用，理论联系实际，把学习延伸到课外，培养科学精神；利用具体实验分析实验误差(如厚度测量等)，理解平行板电容器理想模型建构的条件．数显游标卡尺或螺旋测微器原理也是电容知识的具体应用，为后面电容的拓展和常规游标卡尺、螺旋测微器的使用做好铺垫．