创新实验教学设计 落实物理核心素养——以“电容器的电容”教学为例

何仕乾 李学平

（重庆市永川中学校，重庆 402160）

《普通高中物理课程标准（2017年版2020年修订）》凝练了物理学科核心素养，要求教师必须把培养物理学科核心素养作为物理教学的重要目标，将“物理观念”“科学思维”“科学探究”“科学态度与责任”等物理学科素养的培养落实于教学活动中.物理学不仅以其概念、规律揭示了自然界基本运动的诸多真理，它还在建立这种知识体系的过程中发展了科学思维和研究方法，推动了科学的进步，因此在教学中注意培养学生的科学思维是教学的关键.核心素养下的物理教学应该是：学生通过探究活动，建立概念、发现规律、形成概念、发展思维、学会方法、养成态度.本文以“电容器的电容”教学为例，通过设计“引入实验，定性实验，定量实验和拓展实验”，浅谈核心素养培养的落地生根，以期与同仁探讨，提升教学.

1 确立落实物理核心素养的教学目标

（1）为了认识电容器，明白电容器的充放电原理，教学中首先让学生在老师的指导下将矿泉水瓶改装成电容器，不仅非常直观地展示了电容器的结构，认识了电容器，而且成本低廉，体现了“小实验”换来“大智慧”的出奇效果.再通过“触电实验”和“电火花实验”带给了学生新奇和刺激性的体验，能很好地激发学生学习和研究物理的动机与情感，最后通过“充放电实验”进一步展示了电容器充放电的过程，使学生在原有的基础上得到了认知的发展，最终促进物理观念的形成和发展.

（2）为了让学生理解电容器电容的概念和定义过程，先设计“定性实验”，该实验操作简单且现象震撼学生，能够让学生快速锁定探究目标，提出猜想.为了验证猜想，设计了“定量实验”，本实验特别之处在于用“电荷量等分原理”求出电容器在不同电压下的电荷量，极大地锻炼了学生的科学推理能力.整个实验过程都在引导学生基于实验现象发现问题，形成猜想和假设，设计实验与制定方案，获取和处理信息，基于证据得出结论并作出解释，落实科学探究素养.

（3）为了让学生理解平行板电容器的电容与哪些因素有关、有什么关系，进一步熟悉控制变量法的使用，借助于数字电容表和数字万用表，设计了完全不同于教材的探究实验，极大地提高了课堂效率，使得探究的过程更加科学，探究的目的更加明确，在探究过程中落实了科学探究素养.

（4）为了让学生理解所学内容，不仅要求学生查阅资料了解电容器的重要作用，还要自己动手制作体积小而电容大的电容器.学生在自制电容器的过程中，亲身体验，亲自参与，进一步促进了物理观念的形成和发展.在制作过程中发现问题，积极思考并解决问题，落实了科学思维素养和科学探究素养，培养了实事求是的科学态度，在潜移默化中落实了科学态度和责任素养.充分体现从生活走向物理，从物理走向社会的教学理念.

2 创设探究实验落实物理核心素养

2.1 探究活动1：认识电容器

2.1.1 活动1——自制电容器（图1）

图1 自制电容器

要求：根据提供的材料，在教师的指导下完成.

制作方法：撕掉矿泉水瓶的标签，在外面裹上铝膜，并在铝膜外粘贴一根导线作为电容器的一个电极，在瓶盖上打孔并插入一根长的金属棒作为电容器的另外一个电极，最后把矿泉水瓶装满水再盖上瓶盖.

目的：认识电容器的构造.

2.1.2 活动2——体验带电

要求：（1）触电实验：用起电机对电容器充电，让学生触摸电容器金属棒的一端，体验有啥感觉.

（2）电火花实验：再次用起电机对电容器充电，用导线去靠近金属棒，观察实验现象.

目的：通过亲身体验和观察，认识到电容器是一种能够储存电荷量的容器.

2.1.3 活动3——充放电实验（图2）

图2 电容器的充放电实验

要求：观察开关在断开和闭合过程中两个发光二极管的亮暗程度的变化情况.

目的：通过2个发光二极管的亮暗程度的变化情况，不仅可以判断充放电过程中电流的方向，而且能够确定能量的转化关系.

2.2 探究活动2：电容器的电容

2.2.1 活动1——定性实验

要求：（1）多次重复电火花实验，但每次充电时间不同，观察电火花的亮暗程度.

（2）猜想电容器所带的电荷量和两极间的电压的定量关系.

目的：通过定性实验猜想：容器所带的电荷量和两极间的电压成正比，为引出定量实验做好铺垫.

2.2.2 活动2——定量实验

实验目的：设计实验验证猜想.

提示：（1）电压的测量：如果用机械式电压表接在电容器两端，电容瞬间放电完毕，无法测量其电压，但数字电压表的电阻非常大，放电很慢，就可以测出电容器的电压.

（2）电荷量的测量：目前没有直接测量电荷量的仪器，但可以借鉴“电荷平分原理”间接测量（电荷平分原理：两个完全相同的带电体相互接触时，电荷量先中和再平分）.

实验步骤：

（1）通过小组合作学习设计出电路图（图3）；

图3 探究电压与电荷量关系实验

（2）完成实验操作和记录数据；

（3）分析处理数据并得出结论（图4）.

图4 电压与电荷量关系数据分析

目的：通过实验探究得出同一电容器所带的电荷量和两级间的电压成正比.

2.2.3 活动3——质疑提升

要求：（1）不同的电容器所带的电荷量和两级间的电压成正比是否相同，并用实验证明.

（2）总结比值定义法的特点.

目的：通过实验说明，电容器所带的电荷量和两极间的电压比值反应该电容器本身的特性，当电容器改变时，比值也改变，突出比值定义法的特点.

2.3 探究活动3：平行板电容器的电容

2.3.1 活动1——自制平行板电容器

要求：（1）根据提供的材料自制平行板电容器（图5）.

图5 自制平行板电容器

（2）猜想平行板电容器的电容大小跟哪些因素有关.

目的：进一步熟悉电容器的结构，为引出探究实验做好铺垫.

2.3.2 活动2——实验探究

实验目的：设计实验验证猜想.

提示：（1）各物理量如何测量（注意：电容器的电容大小可以用数字电容表直接测量）.

（2）由于电容器的电容大小跟多个因素都有关，如何进行探究.

实验步骤：

（1）实验操作并记录数据.

（2）分析处理数据得出结论（图6，图7）

图6 电容与板间距关系数据分析

图7 电容与正对面积关系数据分析

目的：通过实验探究得出平行板电容器的电容表达式.

2.4 探究活动4：课外探究

要求：（1）查阅资料，了解电容器的重要作用.

（2）自制容量大且体积小的电容器.

目的：让学生进一步地认识电容器，培养学生的动手能力.

3 教学设计反思

本案例设计了4个探究活动，每一探究活动对培养学生核心素养的重点各不相同.探究活动1让学生从物质观念和能量观念两方面来认识电容器，形成物理观念.探究活动2让学生经历了科学推理、科学论证、质疑提升的过程，重在培养学生的科学思维能力.探究活动3让学生经历了提出问题、形成猜想和假设、设计实验与制定方案、获取和处理信息、基于证据得出结论的过程，重在培养学生的科学探究能力.探究活动4让学生认识科学本质，培养科学态度和社会责任感，重在培养学生的科学态度与责任.通过这些探究活动，让学生学习了科学知识、发展了科学思维、形成了科学态度，培养了学科核心素养，落实了立德树人的根本目的.