回归“现象”意义的教学设计案例——以“电容器的电容”教学为例

陈栋梁

(吴江盛泽中学,江苏 苏州 215228)

物理学是研究自然规律的科学,物理教学应当教授观察物理现象,分析物理现象,解决物理问题的知识和能力,但是教学实际的过程往往直接给出物理知识和定律,而缺少观察和分析实际问题的过程.必须探寻一种有效的教学形式,让学生在获得知识的同时,也能用他们来观察现实世界、分析现实世界,提出和解决现实世界中的问题,从而对解决“实际问题”不再陌生.而从“现象”出发,直接以“现象”为学习对象,是值得尝试的一种有效教学方式——现象教学.虽然许多物理知识具有抽象的特点,但是抽象的物理知识所指代的却是生动直观的某种物理现象,可以通过观察、分析发现这些现象的物理内涵,探究现象的规律,从现象中发现或重现其中的物理规律.

本文以人教版选修3-1第1章第8节“电容器的电容”新授课为例,阐述“新课引入”、“教学重点”和“教学难点”的现象教学设计.

1 “电容器的电容”现象教学设计案例

1.1 “新课引入”的设计

新课引入,着眼于知识的教学往往以告诉结果为目的;着眼于情境的教学,会在设趣激疑上下功夫,目的在于引起学生对问题的注意;着眼于现象的教学,提供的是现象,目的在于让学生自己提出问题并设计解决的方案.

(1) 知识教学.

直接告诉学生,电容器是电子电路中的一个重要元件,同时图片展示部分电容器元件,如图1所示,并告诉学生们两个彼此绝缘又相互靠近的导体就可以构成一个电容器,它即可以充电,又可以放电,我们今天就来学习一下这个重要元件.

图1

(2) 情境教学.

步骤1:实物展示键盘,并演示,按下按钮,打出字,并提出问题:电脑如何知道我按了哪个按钮呢?实物展示手机,手指接触手机屏幕,对应的APP开始运行,同样提出问题:手机如何判断我手指按在哪里呢?通过今天的学习,同学们就可以知道其原理.

步骤2:实物展示可拆式电容器,用剪刀将其剪开,并展示给学生看其结构:塑料,铝箔间隔夹在一起,并卷起来;引导学生得出电容器的基本结构,同时向学生介绍即将要学习的最基本的电容器——平行板电容器.

步骤3:用FLASH动画模拟演示平行板电容器的充放电过程.

(3) 现象教学.

图2

教师:展示如图2所示电容器,这是一个实用的电器元件,请问同学们认识这个元件吗?它很像是电源,能确定它是电源吗?

学生:不认识.不是电源.

教师:我们一起来看看它有什么用途.

教师:展示一个没有装干电池的钟,钟的指针未动,然后将元件的两个导线端直接与钟背后装电池的两个金属片接触,结果钟的指针没动.

学生:……(以为实验失败了).

教师:将元件的两个导线端先与12 V学生电源接触十几秒,分开后将元件的两个导线端直接与钟背后装电池的两个金属片接触,结果发现钟的指针动了.

学生:鼓掌!

教师:指针动了,说明什么?

学生:有电流流过钟.

教师:为何这个元件要先与电源接触十几秒,然后再与钟接触才能使钟正常工作?说明了什么?

学生:说明元件与电源接触,可以储存电荷,再与钟连接,可以将储存的电荷释放出来,即这个元件有储存电荷的能力.

教师:非常好.有没有办法用先进的仪器来显示这个元件的充电和放电过程呢?

引导学生用电流传感器,连接如图3所示电路,显示电容器充放电过程中,电流随时间变化的图像.(如图4为充电电流随时间变化的图像)

图3

图4

点评: 从知识的达成和价值的追求角度看，3种教学设计都希望学生知道电容器的重要用途、知道电容器的结构特点以及电容器能够储存电荷的特性(能够充电和放电);知识教学,教师将书本上的关于电容器这3方面的知识直接告之学生,对于学生而言,就是纯粹记住电容器这3方面的知识,没有兴趣和直接感受;情境教学,教师在实际情境和实物基础上,引导学生知道电容器这3方面的知识,对于学生而言,有了实物的形象,对于电容器的结构和充放电有了一定的了解,会引起学生学习欲望和兴趣;现象教学,教师将电容器的结构特征和功能通过实际模型的应用,将应用整个操作过程全部展现给学生,会大幅度提高学生学习电容器知识的兴趣,以及主动探究的欲望.

从教学方式角度看，知识教学,教师只是一个搬运工,将电容器这3方面知识直接从书本搬运给学生记忆;情境教学,教师通过有限情境将电容器3方面的知识展现给学生,让学生有一定程度的理解和掌握;现象教学,教师通过电容器的实际应用,将电容器的结构及特性全部展现给学生,让学生自主建构.

从观念角度看，知识教学是将前人关于电容器这3方面的知识直接告之学生,让学生继承;情境教学,是将电容器结构和特点,通过实物直接展现给学生,方便学生记忆和理解;现象教学是将电容器的这3方面知识直接功能化,并将功能化的过程展现给学生,让学生自主探究,自主建构,从而提高学生问题解决的能力.甚至可以将现代化的仪器或方法融入教学过程中,例如用传感器显示电容器的充电和放电.

1.2 “教学重点”的设计

“电容器的电容”本课时的教学重点是物理量电容的比值定义以及电容的决定因素探究,尤其是电容的比值定义,是物理定义的一种非常重要的方法,值得学生掌握.

图5

(3) 现象教学.

思维引导:电容器可容纳的电荷量与哪些因素有关?

提出问题:如何测量电容器所带的电荷量?通过库仑研究“库仑定律”的物理学史料,引导学生得出用倍分法解决测量电荷量的问题.

图6

实验探究:引导学生按照以下步骤进行实验探究: (1) 用手捏住两个完全相同的电容器的接线柱,完全放电(如图6所示); (2) 用学生电源对1号电容器进行充电,断开电源,数字式多用电表测量其电压; (3) 由1号电容器对2号电容器进行充电后,测量1号的电压; (4) 将2号电容器放电,1号电容器对2号电容器进行第2次充电后,测量1号的电压; (5) 重复第4步.

实验数据及处理： 见表1.

表1 电容器电荷量与电压的关系(注:用倍分法还可以得到其他电荷量)

用EXCEL拟合图像如图7所示.

本次实验结果:在误差允许的范围内,Q与U成正比.

学生得出实验结果后告诉学生们,他们从实验探究得出的结果与科学家通过大量定量实验得到的结果相同.学生们还可以用自己设计实验去探究和验证这个结果是否符合实际,是不是电容器的普遍规律:例如新课引入实验中,用充电后的电容器对时钟放电,是否有可设计的实验?

图7 电容器电荷量与电压的关系

点评: 从知识的达成和价值的追求角度看，教学重点都是让学生理解和掌握电容C的比值定义.知识教学是直接将电容的比值定义告之学生,并训练和巩固所学知识,学生没有切身体会,只能达到短时记忆;情境教学,有情境,有类比,学生有一定的体会基础,对电容的比值定义也会有一定的理解;现象教学,从实际电容出发,用科学实验方法进行实验探究,用数据说明结果,学生不但知道了电容器的功能,同时也体会了比值定义的物理意义所在,对此规律有很大认同度,信服自己得到的正确结果,对探究过程也会产生内化体验.

从教学方式角度看，知识教学,教师直接将电容的比值定义从书本搬运给学生记忆;情境教学,通过一定的类似情境让学生体会,通过已经学过的概念,让学生进行知识迁移;现象教学,指导学生通过电容器充放电的实际实验探究,用实验数据和图像来说明电容器的比值定义的物理意义.

从观念角度看，知识教学是将前人关于电容比值定义的知识直接让学生传承和记忆;情境教学,是通过一定的情境和类比,将电容的比值定义让学生体会和思考,方便学生理解和掌握;现象教学,是将电容器比值定义的探究方法和原理教给学生,让学生自主探究,自主建构知识.后两种教学都利用了类比法,这是它们比知识教学更优越的地方.但是,情境教学类比的是知识(几个比值公式),现象教学类比的是方法(怎样衡量一个客观量).前者启动的是类比联系,后者启动的是类比想象,显然后者具有更大的引伸空间.在以后遇到新的现实问题时,方法和想象力将会更有拓展价值.

1.3 “教学难点”的设计

图8

(3) 现象教学.步骤1:结合平行板电容器的实际结构,让学生猜想,电容C的影响因素有哪些?

步骤2:通过书本上的演示实验,定性验证学生的猜想.同时,为使实验现象明显,实验时应注意以下几点: (1) 实验时,两板间距要尽量小一点; (2) 用重复摩擦起电的方式逐步增加平行板电容器的电荷量,初始张角在15°左右为宜; (3) 为防止漏电,摩擦时两手带塑料手套,将验电器和铁架台放在平整的泡沫上.

步骤3:利用自制的如图9所示装置进行定量探究.

图9

主要器材:两块有机玻璃板(30 cm×50 cm,两张同大小的薄铝箔贴在有机玻璃板上,并在有机玻璃板左右两侧固定毫米刻度尺,引出两根引线,引线一端与铝箔接触),4块同样大小的云母板,一个数字式多用电表.

主要实验步骤:

(1) 保持正对面积不变,研究电容C与板间距d的关系.两块有机玻璃板中间插4块同样大小的云母板,全部重合对齐并压紧;将数字式多用电表调至“nF”挡位,让两支表笔与铝箔接触的引线连接,记录此时数字式多用电表的读数C1,即为此时两平行板电容器的电容;然后依次抽掉1块云母板,2块云母板,3块云母板,重复上面的测量,分别记录数字式多用电表的读数为C2、C3、C4.

(2) 保持两板间距不变,电容C与两板正对面积S的关系.在上述实验基础上,即两块有机玻璃板中间压紧一块云母板,然后将贴有铝箔的有机玻璃板沿刻度移出10 cm,即将电容器两铝箔板的正对面积变为原来的2/3,记录此时数字式多用电表的读数C5;将贴有铝箔的有机玻璃板沿刻度再次移出10 cm,即将电容器两铝箔板的正对面积变为原来的1/3,记录此时数字式多用电表的读数C6.

(3) 数据记录和处理.

表2 保持正对面积不变,电容C与板间距d的关系(假设每块云母板厚度为d0)

表3 保持两板间距不变(d0),电容C与两板正对面积S的关系

图10 电容与板间距倒数的关系

图11 电容与正对面积的关系

(4) 实验结果:在误差允许范围内,电容与板间距成反比,与正对面积成正比.

点评: 从知识的达成和价值的追求角度看，教学重点都是让学生理解和掌握电容C的决定式.知识教学是直接告诉学生前辈物理学家已经研究得到了电容的决定式,学生只有接受并短时记忆;情境教学,有视频录像的定性探究过程,学生有一定的认识基础,对电容的决定式也有一定程度的理解和信服;现象教学,从科学探究出发,先猜想,再用书本实验定性证明猜想,最后又定量实验证明,用数据说明结果,有很大信服力,学生不但理解和掌握了电容的决定式,同时也掌握了科学探究的方法.

从教学方式角度看，知识教学,教师直接将电容的决定式从书本搬运给学生记忆;情境教学,通过跟随视频实验探究,让学生体会,并理解电容与其他物理量的定性关系;现象教学,指导学生科学探究,使学生在自主探究中发现电容器电容的决定式.

从观念角度看，知识教学是将前人关于电容决定式的知识直接让学生传承和记忆;情境教学,是通过视频教学,引导学生实验探究,定性理解电容的比值定义式,方便学生理解和掌握;现象教学,是将电容决定式的探究方法教给学生,让学生自主探究,自主建构知识.

2 结语

知识教学、情境教学、现象教学三者之中,现象教学的目标定位和教学实施最符合核心素养教育的要求,最值得给予关注.当学生提出设想、设计了实验以后,在得到一个或多个结论的同时还体验到了研究现象的方式与方法.那些结论或许会被忘记,但是对现象的探究设计过程和方法将成为学生的研究经验,成为他们的终身素养.这也许就是现象教学与核心素养教育在最终目标上的一致性.