于问题解决的物理实验教学设计——以“电容器的电容”教学为例

余冬冬

(江苏省宜兴市丁蜀高级中学 214221)

开展物理实验教学，唯有符合学生的思维特征，方能让学生真正感知到科学的发展过程，继而也有助于发展学生思维.对此，教师在实际教学前需务必掌握上述要点来为实验教学的具体开展提供参考，以此提升实验教学的效率及效果.

一、问题的提出

高中物理包含许多抽象性极强的概念，如“电容”便是其中之一.就实际教学而言，若仅是凭借人教版教材中对电容的定义来让学生理解，势必难以使其对电容概念产生正确理解.通过设计一个能给学生提供如猜想、探究、设计以及问题解决的实验机会，如此不仅能加深学生对电容概念的认知深度，且能促进学生的思维进阶，继而让学生之物理核心素养得到提升.至于具体的实验教学设计，教师可由电容器的特征入手，通过对电容器特征的展示，让学生能从多角度探究到电容与各大影响因素之间的关系，包括电荷、电压及平行板电容器电容等.如此在不断解决问题的过程中，学生的物理概念模型也将悄然成型.

二、实验呈现及设计评估

1.巧设演示实验，探究电容器电荷量与电压关系

针对电容器电荷量与电压关系的探究，核心要点便在于掌握该如何去比较电容器的存储电荷.解决了上述问题，学生的认知必将得到明显提升.就以图1所示之实验为例.就以下实验而言，因比之大时钟，小时钟不仅有着较小的耗电量，且频率也相对较为稳定，故在电容器充满电的情况下对小时钟放电，小时钟秒钟的走动时间也会更长，这也同步使得电容器的放电时间得到了明显延缓，学生观察也将更为方便.不仅如此，基于小时钟秒钟每走一个所需电量几乎没有差异，故在同样储电量的电容下，秒针均会停留在同样的位置，由此便可说明电容器容纳电荷的大小.接下来探究不同电压下小时钟的放电情况，此时教师可采用两个规格不同的电容，且让不同规格的电容处于不同电压的状态，而后将小时钟秒针所走的格数记录下来.

U/V10000μF格数2200μF格数1.02961.545102.061132.57617

当然，实验过程教师也当提出相应的问题，如基于上述两组实验，是否能由此总结出小时钟秒针所走格数的变化规律.又如，电压与电容器存储的电荷之间有着怎样的关系呢？

学生：由上述实验可以知晓，电容器的存储电荷量与电容器本身的充电电压呈正相关的关系.

教师：那么从上述实验以及实验所反馈出的数据上，你们能得到怎样的规律呢？

学生：在不考虑误差的情况下，若同样规格电容器所对应的电压相同，则小时钟秒针最终所走的格数也将保持一致.

学生：是否是电容器所带电荷越多，小时钟秒针也能走更多格数？虽然我们不能直接测量电容器的电荷量，但能否将之进行转化，比如一小时中秒针所走的格数来计算？

基于上述实验通过总结实验数据我们还能得知.电容器的ΔQ/ΔU为定值.而在整个探究过程中，学生因自主解决问题而会对此产生更加深刻的学习印象，加上教师在思维上的引导，使得学生的思维层级也将上升一个档次.

就上述实验而言，具体的实验过程需尤为关注以下几点：一是考虑到实验结果的精准性，在具体实验时需尽量选择电容较大的，如此方能让小时钟走更多格，继而提升实验结果的精准性.二是电路的连接必须准确，不能接反；三是不能使用太高的电源电压，以免烧坏小时钟.

2.巧用现代实验，用DIS精确探究电容器电荷量与电压的关系

虽然，上述实验能让学生的学习体验变得直观化，但电容器在不同电压下存储电荷多少的判断只能通过比较的方式来获得以及无法对电容器储存电荷的具体量予以精确计算等.对此，教师便可考虑引进现代化的设备，一来解决上述问题，二来则能让实验过程变得更加直观，三来则能探知到更多上述实验所无法的呈现的.诸如以Q=It来直接求解电荷量的多少、利用DIS电流传感器记录电容器放电时的I-t图象而后结合图象来计算电荷量等.

结合图2(a)将电路连好，数据采集器的一端接入电流传感器.此时的放电曲线如图2(b)所示.据此：

教师：图象中清楚的反馈出，电容器电流随着时间的延长在不断的变小并最终趋近于0.同学们，你们是否能由此对电容器存储的具体电荷量进行判断.

学生：可根据放电时间来加以判断，若电流为零时间长在代表电荷越多.反之则越少.

学生2：电荷越多说明放电的最大电流越大，因此可以从电流的最大放电量入手加以判断.

之后教师再重复同样的实验，电流大小可通过电流定义式I=Q/t来加以计算，先结合此前所学来求出电荷量Q.

学生：电荷多少可通过I-t图象的面积好求得.

教师：很好，现在同学们自主开展实验，并将所得之实验数据记录下来.

实验次数UQQ/U13V0.02993C0.00997926V0.05997C0.00999539V0.08988C0.009987412V0.11988C0.009990

对于上述过程，最核心的论点当是围绕电容器容纳电容本领与那些因素相关.而当学生能基于精准的实验数据得出问题答案时，其思维品质必将得到有效提升.

为防止出现较大波动而影响技术，故开关的闭合必须快速完成.

通过加入电阻来使放电的时间延缓，这样做的目的自然是为了让误差变小.至于实验数据的处理，不仅要让学生对具体的方法有一个全面认知，且需使其认知到何种原因能导致误差产生.这将有助于提升学生求真务实的科学精神.

对于数据的具体处理，教师需首先对图象的变化过程展开分析，继而让学生对图象面积的物理含义产生正确理解，以此方能让学生的问题分析与解决能力得到同步发展.

三、结论

总之，针对“电容器电容”的具体教学过程，教师将问题作为主线，并以促进学生的思维进阶为目标.目的不仅仅是要让学生问题思维得到有效锻炼.更为重要的是，此教学方法将完全改变传统以知识灌输为主的教育方式，这样的改变不仅更有助于提升学生的思维层次，且学生发现、思考、分析及解决问题的能力也将得到良好发展，继而在保证良好的教学效果和效率同时亦确保学生物理学科素养能得到更好的发展.