新课标下高中物理实验改进的教学实践

摘" "要：在高中物理“电容器 电容”的教学内容基础上，对教材原型实验进行改进创新，设计出了可定量探究的“电容器 电容”探究实验，并在教学应用中进行实证研究。通过比较实验班与对照班在解决电容器相关试题所表现的能力差异，发现“电容器 电容”探究实验下的物理教学对培养学生解决真实物理问题的能力有显著的提升作用，能够培养学生的质疑创新思维和科学探究能力。

关键词：电容器；创新实验；实验教学；实证研究

以往教师在“电容器 电容”的教学中，基本是将电容器充、放电的现象和电容器极板所带电荷量与两极板间的电势差的关系直接告诉学生并要求学生记住，缺少电容这一物理概念的建立过程。学生缺乏直观的感知体验，很难理解电容器的充、放电现象和电容这一物理概念。因此，笔者针对电容器充、放电现象和电容概念的教学，设计出了“电容器 电容”创新实验，实验原理如图1所示。该实验的创新之处包括：利用发光二极管亮度的变化反映电容器充、放电时电路中电流强度的变化；利用数字电压表直接测量电容器两极板间的电势差；利用二极管的单向导通性判断电路中电流的方向；利用几个完全相同的电容器并联平分电荷量的方法实现电荷量的间接测量。

1" 基于“电容器 电容”探究实验的实验教学

1.1" 观察电容器的充、放电现象

教师介绍电容器探究实验仪的结构和主要功能，并演示电容器的充、放电实验，学生在观察演示实验的基础上思考讨论，引导学生回答以下问题，从而直观感受到电容器充、放电过程中电流、电压的变化情况。

问题1" 闭合S1，将单刀双掷开关S2掷于1处，观察到与电容器C1并联的数字电压表示数如何变化？充电完成，电容器与电源保持连接，电容器两极板间的电压是否变化？

互动总结：观察到与电容器C1并联的数字电压表[[V][○]]的示数逐渐增大，说明电容器在充电过程中两极板间的电压逐渐增大；当数字电压表[[V][○]]的示数不再增加时，红色发光二极管D1熄灭，电容器C1充电完毕。

问题2" 与电容器C1串联的红色发光二极管D1亮度如何变化？说明了什么？充电过程中电流方向是怎样的？电容器上下两极板带电性质是什么？

互动总结：红色发光二极管D1发光且亮度逐渐变暗直到熄灭，说明电容器C1的充电电流逐渐减小到0；根据二极管的单向导通性判断充电时电流从电源正极流回负极，电容器上极板带正电，下极板带负电。

问题3" 将单刀双掷开关S2掷于2处，观察到与电容器C1并联的数字电压表[[V][○]]的示数如何变化？放电完毕，电压表示数为多少？

互动总结：观察到数字电压表[[V][○]]的示数逐渐减小，说明电容器放电时两极板间的电压逐渐变小；当电容器C1放电完毕时，绿色发光二极管D2熄灭，数字电压表[[V][○]]的示数减小为0。

问题4" 与电容器C1串联的绿色发光二极管D2亮度如何变化？说明了什么？放电过程中电流方向是怎样的？

互动总结：绿色发光二极管发光且亮度逐渐变暗直到熄灭，说明电容器C1的放电电流逐渐减小到0；放电过程中电流从电容器的正极板流回负极板。

上述活动通过电容器的充、放电演示实验，引导学生观察电容器充、放电现象，小组讨论并解释原因，以此培养学生实验观察、小组合作、解释交流的能力，学生通过本环节的学习知道了电容器在充、放电过程中电流、电压的变化规律，对电容器进一步深入的了解。

1.2" 探究电容器两极板间的电势差与电荷量的关系

教师先引导学生设计如下的实验步骤：对电容器C1充电，直到与电容器C1并联的数字电压表[[V][○]]的示数为16 V时，停止充电，设此时电容器C1所带电量为Q。将单刀双掷开关S3掷于3处，由于电容器C3与电容器C1是完全相同的两个电容器，因此电容器C3与电容器C1将均分电荷量，电荷量都变为Q/2，读出此时数字电压表[[V][○]]的示数。然后将单刀双掷开关S3掷于4处，电容器C3被短路放电。再次将单刀双掷开关S3掷于3处，电容器C3与电容器C1再次均分电荷量，电荷量都变为Q/4，读出数字电压表[[V][○]]的示数。重复上述实验，可测得更多组的数据。学生按照实验步骤进行实验，并记录数据到表1中。

表 1" 探究电容器两极板电势差与电荷量的关系实验数据

接着小组讨论，结合实验探究规律，总结归纳出电容器极板所带电荷量与两极板间的电势差成正比的关系，为电容概念的学习埋下伏笔。

上述活动中通过测出电容器在不同状态下两极板间的电压，并进行了数据处理，学生建立起了对电容器与电容的直观感受，有利于理解电容的概念，同时能培养学生收集证据、解释交流的科学探究能力和严谨细致的科学态度和研究精神。

2" “电容器 电容”探究实验的实证研究

实证研究的主要目的在于评估创新实验在实际教学中的效果，笔者将某普通高中两个同层次班分为实验班和对照班，进行对比实验。

（1）实验环境控制

两个班所使用的教材、学案以及前后测试卷等完全相同，学生的知识基础和学习能力大致相同。对照班主要采用常规教学流程，课堂中通过动画演示电容器充、放电过程，不含实验探究过程，直接将知识点传授给学生；实验班则基于前文的“电容器 电容”创新实验的教学设计开展教学，注重在情境中发现问题，从实验探究中构建概念。

（2）量表：“电容器 电容”前、后测试题。

（3）实施：两个班在完成预习任务之后进行前测，同一天中对实验班和对照班进行教学，教学完成后立即进行后测，最后使用Winstep软件、Excel软件对学生试题得分进行相关分析。

3" 教学效果对比分析

3.1" 整体分析

笔者对前、后测数据进行分析，计算得出对照班与实验班在单选题、多选题以及锚题（前后测中同时出现的题）的平均分，结果如表2所示。

从前测结果可以看出，对照班和实验班在单选题、多选题以及锚题的平均分几乎相等，说明学生课前预习的知识水平和自学能力水平大致相当。实验班采用创新实验教学，对照班采用动画演示、知识传授的常规流程式教学。从后测结果可以看出，实验班的学生在解决电容器相关问题的能力水平明显高于对照班。尤其反映在锚题上，在前测得分几乎相等的前提下，后测中实验班得分提升更多，一定程度上能说明基于创新实验的课堂教学能促进学生学习水平的提升。

为了分析“电容器电容”前、后测试题的有效性，笔者使用Winstep软件对试题进行了基于项目反应理论的成绩分析，分析结果如图2所示。

从图中可以看出，被测学生的信度为0.88，试题信度为0.95，两者的信度均大于0.8，说明本套试题能够较好地区分开学生的能力和试题的难度。在学生能力和试题难度的估计中，INFIT MNSQ和OUTFIT MNSQ的值都接近于1，ZSTD都接近于0，满足理想水平，说明本套试题得到的测量结果和基于项目反应理论的模型拟合得比较好，可以有效地反应教学效果。

3.2" 锚题分析

锚题：

某电容器在充电过程中，其电压U与所带电荷量Q之间的关系是（" " ）

如图3所示的前、后测都出现的锚题，考查的概念是电容器充电现象，学生需要通过预习知道电容器能够储存电荷，在电容器充电过程中两极板间的电势差会随着极板所带电荷量的增加而增大，从而能够准确选出B选项。

从图4可以看出，对照班和实验班仅通过预习就选出正确答案的人数相同，选择错误选项的人数也大致相等，说明两个班级学生的原有知识水平和学习能力等大致相同。

从图5可以看出实验班比对照班多7人选出了正确选项B，更少的学生选择A或者C，说明实验班的学生经历了电容器两极板间的电势差与电荷量关系的探究实验后，对U与Q的关系理解更加深刻。对照班直接讲述电容的概念，给出电容的定义式，学生对U与Q的关系理解不够到位。

3.3" 后测试题分析

锚题：

据国外媒体报道，科学家发明了一种新型超级电容器，能让手机几分钟内充满电。某同学假日登山途中，用该种电容器给手机电池充电，下列说法正确的是（" " "）。

A. 该电容给手机电池充电时，电容器的电容变大。

B. 该电容给手机电池充电时，电容器存储的电能变少。

C. 该电容给手机电池充电时，电容器所带的电荷量可能不变。

D. 充电结束后，电容器不带电，电容器的电容为零。

本题考查的是学生根据所学知识对现实生活中的工程应用做出解释的能力，学生首先需要将问题的工程背景聚焦到电容器的放电现象中，意识到电容器给手机充电时对应着电容器的放电过程，还需要知道电容是电容器本身属性，反映电容器容纳电荷本领的大小，电容的大小与电容器是否带电无关，从而选择出正确的B选项。

如图6所示，实验班超半数学生都选择了正确选项，正选人数明显高于对照班。对照班有更多学生错选A、D选项，说明学生对电容的概念本质理解还不到位，虽然课堂都讲述过“电容是电容器的本身属性，反映电容器容纳电荷本领，与所带电荷量以及两极板间的电势差无关”，但学生没有经历电容概念的构建过程，无法感受电容这一概念的内涵。而实验班学生是在经历探究电容器两极板间的电势差与电荷量关系的实验之后，猜想并总结出电容这一新的物理概念，教学过程中不断激发学生学习物理概念的内动力和面对物理规律时的探索欲望。

相较于实验班绝大多数学生都能得分的情况，对照班学生超过半数的学生得0分，说明对照班部分学生缺乏运用所学知识对实际情境进行分析的意识和将分析过程描述出来的能力，即便是能够有意识地将学过的电容的知识与现实情境关联起来，也缺乏运用知识进一步的解释和预测的能力，而实验班的绝大多数学生都能将电容的知识与现实情境整合到一起，并做出进一步的解释。总的来说，在基础水平相差无几的情况下，实验班学生的整体能力提升值高于对照班学生，即实验班的学生解决物理问题的能力优于对照班，说明了基于创新实验的物理教学对培养学生解决试题的能力有比较明显的促进作用。

4" 总结及教学建议

基于以上分析，实验班解决试题的能力要好于对照班，具体表现为将实际情境与学过的知识进行关联、整合的能力更强，能够将所学知识运用在情境中把解决实际问题的过程比较清晰地表述出来。因此可以认为，在经历一段时间的学习之后，基于创新实验开展教学的实验班学生在学习成绩上的提升会优于对照班，创新实验的教学对学生的解决真实问题的能力有明显促进作用。总之，建议教师在“电容器 电容”教学中积极开展“观察电容器充、放电现象”和“定量探究电容器两极板间的电势差与电荷量的关系”实验教学，把定量探究实验放在电容概念之前，有效降低学生学习电容概念的难度，在实验教学过程中落实培养学生科学探究能力和质疑创新思维的目标。