基于核心素养导向的高中物理教学案例分析——以《电容器的电容》第一课时教学设计为例

董 新

（杭州第四中学，浙江 杭州 311100）

0 引言

物理核心素养是学生在接受物理教育过程中逐步形成的适应个人终身发展和社会发展需要的必备品格和关键能力，包括物理概念，科学思维，科学探究，科学态度与责任四部分[1]。通过对物理课堂活动的多层次设计，充分调动学生的感官，让学生在故事的讲解中，实验演示中，还有亲自动手做的过程中，完成对知识的加工，消化与吸收，并在此基础上通过介绍电容式触摸屏原理，激发学生对知识运用的兴趣，从而真正发展和培养学生的核心素养，体现教育以人为本的思想。

1 教学设计流程

1.1 引入电容器

问题1：水可以用容器储存起来，电荷也可以用一个容器“储存”起来，我们称它为电容器，那么电容器的内部构造又是怎样的？

在普通的饮料瓶外面包一层铝箔纸，瓶子里面盛满盐水，这样就形成了彼此靠近又相互绝缘的两个导体。瓶盖上打一个孔，插入钉子，钉子的下端浸入盐水。钉子与盐水构成电容器的一极，外面的铝箔纸构成电容器另一极。这就是一个简单的自制电器。用感应起电机给电容器充电，然后让学生一只手握住外面的铝箔纸，另外一只手触碰钉子，学生将明显感受到电击，该电击不会对学生造成危险。用导线的一端连接锡箔纸，另一端（细而尖）靠近钉子，会听到“噼啪”声，能观察到轻微的火花放电。教师引导学生认识电容器，即两个彼此绝缘又相距很近的导体，就构成了电容器。

设计思想：物理知识是形成物理学科素养的载体，而物理情境则是学习物理知识的载体，物理知识要转化成学生素养，离不开情境的参与[2]。电荷看不见，摸不着，电容器却能够“储存”电荷，如何形象地将这一特征体现出来？这里通过两个演示实验，让学生从触觉，视觉，听觉去感受电容器的这一奇特本领，学生一定会印象深刻。

1.2 历史追溯

18 世纪出现了最早的电容器—莱顿瓶，其构造与自制电容器非常类似。莱顿瓶在欧洲引起了强烈的反响，科学家们不仅利用它们做了大量的实验，而且还有极为壮观的示范表演。

风筝实验：1752 年富兰克林在费城进行了震惊世界的电风筝实验：在雷电交加的情况下，利用风筝将闪电收集到莱顿瓶中，使其充电，由此证明了他所提出的“闪电和静电的同一性质”的设想。该实验破除了迷信，揭示了自然力的真实性质。

设计思想：对历史的追溯，一方面为后面电容器的教学进行了必要的情景铺垫，能激发学生学习的兴趣；另一方面也是培养学生科学态度与责任的重要载体。

2 介绍平行板电容器与电解电容器

平行板电容器，最简单的电容器。教师出示两块金属铝板，中间是空气，让学生理解这就是一种电容器并介绍电容器的符号，然后展示在接下来的学生实验中要用到的电解电容器，并说明其内部结构。

2.1 电容器的充电

分组实验一（如图1 所示）。二人一组，器材：发光二极管，100 欧姆的电阻，学生电源，电容器2200μF，导线若干，万用电表。教师简要说明发光二极管的单向导通性以及长正短负的引脚特征。

图1 发光二极管逐渐熄灭

该实验根据二极管的单向导通性可以显示电流的方向，100 欧姆的电阻用来延长充放电的时间。

实验现象：连接电路，打开电源，发光二极管发光，亮度越来越弱，最终熄灭。

师：为什么亮度越来越弱，直至熄灭？

生：可能二极管坏了。

师：难道所有小组的发光二极管都坏了？

生：……

师：打开电源，二极管发光，说明什么？

生：有电流流经二极管。

师：亮度减弱，最终熄灭，说明什么？

生：电流越来越小。

师：联系串联在一起的电容，想想为什么电流会变小。

生：根据二极管的单向导通性，正电荷不断在电容器的正极板积累，负电荷在负极板积累。电荷在不断积累的过程中，对电流的阻碍逐渐增大。

师：这个过程中，电容器两极板的电压会有什么变化？

生：发光二极管亮度减弱，说明分担电压减小，电容器两极板的电压应该逐渐增大。

师：当二极管熄灭时，电容器两端的电压应该等于多少？

生：电源电压。

实验检验：将万用表调到直流20V 档位，测量电容器两端的电压。学生通过测量，发现电容器两端的电压与学生电源电压几乎相等。

至此，请学生结合电容器充电过程，分析电容器的两极板间电场的变化及能量转化特点，并预测电容器放电过程中，两极板的电量，极板间的电压，电场及能量转化特点。

设计思想：让学生对发光二极管亮度逐渐减弱的原因进行思考，逐步深入，最后再通过实验来检验，这对于发挥学生的主观能动性，培养学生的核心素养有着重要的作用。

2.2 电容概念的建立

电容概念的建立是本节培养学生核心素养的重要载体。

提出问题：电容器两极板间的电压增大时，极板所带的电荷量也在增加，那么两者之间是否存在某种定量关系。

分组实验二（如图2 所示）：二人一组，测量在某一电压下电容器充电后所储存的电荷。器材：学生电源（2-10 V 的档位按小组分配），电阻（5000 Ω），电容器1：2200 μF，电容器2：1500 μF电容器（按小组分配），导线若干，万用表，方格纸。

图2 建立电容的概念

注：全班一半的小组使用电容器1，另一半使用电容器2。规定每一小组的充电电压，避免重复。

要求：用学生电源给电容器充电，然后将充电后的电容器与电阻，万用表串联起来，记录电流随时间变化直至为0 的数据。在方格纸上描点并画出平滑的曲线。通过计算曲线与时间轴的面积，从而得到电容器在该电压下所储存的电荷。

教师根据小组结果，记录电容器1 在不同电压下所储存的电荷（见表1），并用Excel 描点，作出最佳直线（如图1 所示）。

表1 电容器1 实验记录表

师：从图像中你们发现了什么特点？

生：一条过原点的直线，体现了电容器所带电量与电压成正比例变化的关系。

师：是不是所有电容器都有这个比例关系？

生：……

师：一组数据不足以说明问题，记录电容器2 的有关数据（见表2）并作图（如图3）。

表2 电容器2 实验记录表

图3 电容器1，电容器2 的数据及Q-V 图

师：把两个电容的图像放在一张表格里，大家得到什么结论？

生：对于同一电容器，带电量与充电电压成正比例关系。

生：通过比较两条直线的斜率，可以发现在相同的电压下，电容器1 比电容器2 储存的电荷量大。

师：我们把Q/U的比值定义为电容，它能反映不同电容器储存电荷的本领大小。

设计思想：电容器储存的电荷通过放电实验的I-t 图来计算。不管是放电数据的采集，还是描点画曲线图，对于学生来说都有一定的难度。但正如第斯多惠所说：“发展与培养不能给予人或传播给人。谁要享有发展和培养，就必须用自己内部的活动和努力去获得。”经验都是从“做”中得来的。表一表二的数据是集全班每组同学的数据最终得到的，要求每一组同学都要认真去对待。

3 结语

学科核心素养的提出，意味着学科教育模式和学习方式的根本变革[3]。教师正是学科核心素养形成的主要条件，通过精心设计的教学活动，让学生在活动中体验科学探究的过程，培养他们严谨的科学态度。把课堂交给学生，就是要充分发挥学生的主观能动性，多渠道地激发学生的科学思维，让他们去经历物理概念的生成过程，只有这样核心素养的培养才能落到实处。