鄧鐵橋

(中南大學(xué)第一附屬中學(xué),湖南 長(zhǎng)沙 410083)

任務(wù)分析法是通過(guò)對(duì)主題活動(dòng)內(nèi)容和活動(dòng)對(duì)象分析,確立活動(dòng)目標(biāo),并對(duì)主題活動(dòng)結(jié)果分類(lèi),再根據(jù)所得結(jié)果,確定活動(dòng)順序、使能目標(biāo)和學(xué)生活動(dòng)起點(diǎn)的方法.[1]任務(wù)分析法有程序化、邏輯性和啟發(fā)性強(qiáng)的特點(diǎn),使主題活動(dòng)積極有序地進(jìn)行,使疑難問(wèn)題迎刃而解,學(xué)生易接受、樂(lè)參與,是動(dòng)手動(dòng)腦學(xué)物理的有效途徑. 物理主題活動(dòng)是綜合實(shí)踐活動(dòng)的重要組成部分,內(nèi)涵豐富,但鑒于千校一面的教學(xué)模式,教學(xué)效果并不理想.文章通過(guò)主題活動(dòng)課——改進(jìn)平行板電容器演示實(shí)驗(yàn),探尋任務(wù)分析法在物理主題活動(dòng)課(以下簡(jiǎn)稱(chēng):活動(dòng))教學(xué)中的應(yīng)用方法,[2]以期利用主題活動(dòng)的方式,提高學(xué)生的實(shí)驗(yàn)?zāi)芰妥灾鲃?chuàng)新的能力.

1 活動(dòng)對(duì)象和活動(dòng)方法

1.1 活動(dòng)對(duì)象

高中二年級(jí)(1)班(35人).

1.2 活動(dòng)方法

圖1 平行板電容器實(shí)驗(yàn)裝置

采用人教版普通高中課程標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)教科書(shū)物理選修3-1(第30頁(yè))實(shí)驗(yàn):“研究影響平行板電容器電容大小的因素”,原實(shí)驗(yàn)裝置如圖1所示,用靜電計(jì)監(jiān)測(cè)已經(jīng)充電的平行板電容器極板間電勢(shì)差的變化,判斷電容器的電容與相關(guān)因素間的變化關(guān)系.靜電演示實(shí)驗(yàn)很難收到預(yù)期效果,實(shí)驗(yàn)時(shí)靜電計(jì)指針擺動(dòng)幅度很小,中、后排學(xué)生觀察不到現(xiàn)象,嘗試用活動(dòng)的方式由學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)加以改進(jìn).

活動(dòng)主要考察學(xué)生對(duì)帶電方法的分析與改進(jìn);對(duì)實(shí)驗(yàn)裝置的分析與改進(jìn).通過(guò)學(xué)生分析摩擦起電與感應(yīng)起電的實(shí)例,了解影響物體帶電荷量多少的因素;通過(guò)學(xué)生觀察靜電計(jì)指針擺動(dòng)幅度的變化,分析引起電勢(shì)差變化的原因.通過(guò)學(xué)生動(dòng)手實(shí)驗(yàn),了解學(xué)生實(shí)際應(yīng)用控制變量法的情況,發(fā)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)裝置的操作不便之處,最終逐一解決實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)的問(wèn)題.

2 活動(dòng)任務(wù)分析

2.1 活動(dòng)動(dòng)機(jī)激發(fā)的任務(wù)分析

活動(dòng)內(nèi)容屬于靜電場(chǎng)學(xué)習(xí)的難點(diǎn),要對(duì)此實(shí)驗(yàn)進(jìn)行改進(jìn)就更具挑戰(zhàn)性.學(xué)生參加這種主題活動(dòng)難免有畏難情緒,活動(dòng)中教師要鼓勵(lì)學(xué)生,讓學(xué)生增強(qiáng)學(xué)習(xí)的信心,同時(shí)創(chuàng)設(shè)新的問(wèn)題情景,如為什么用感應(yīng)起電機(jī)給電容器帶電實(shí)驗(yàn)效果也不明顯?除了平行板電容器以外還有萊頓瓶,引出實(shí)驗(yàn)裝置中還存在多個(gè)等效電容的問(wèn)題,由此激發(fā)學(xué)生的好奇心.

2.2 活動(dòng)目標(biāo)任務(wù)分析

活動(dòng)目標(biāo)是活動(dòng)過(guò)程必須達(dá)到的終點(diǎn),同時(shí)也是教學(xué)過(guò)程的依據(jù).活動(dòng)方式的選擇,活動(dòng)進(jìn)程的安排等方面都要以活動(dòng)目標(biāo)為依據(jù)展開(kāi).活動(dòng)的教學(xué)目標(biāo)可以分為4個(gè)層面.

物理觀念:[3]建立等效電容的概念,知道電容器的并聯(lián),深入理解摩擦起電和感應(yīng)起電的本質(zhì),能根據(jù)控制變量法的經(jīng)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)裝置的不足之處.

科學(xué)思維:培養(yǎng)學(xué)生的抽象思維、形象思維、類(lèi)比聯(lián)想等能力.

科學(xué)探究:探索用于起電的材料和操作方法,對(duì)實(shí)驗(yàn)裝置作科學(xué)改進(jìn).

科學(xué)態(tài)度與責(zé)任:通過(guò)對(duì)實(shí)驗(yàn)的改進(jìn),培養(yǎng)創(chuàng)新精神和研究能力,體會(huì)物理知識(shí)的和諧美、實(shí)驗(yàn)裝置的動(dòng)態(tài)美.通過(guò)主題活動(dòng)課建立辨證唯物主義觀點(diǎn).

由于培養(yǎng)科學(xué)態(tài)度與責(zé)任貫穿活動(dòng)過(guò)程的始終,因此對(duì)活動(dòng)目標(biāo)進(jìn)行分解時(shí),只對(duì)前3項(xiàng)目標(biāo)分層設(shè)定為2個(gè)使能目標(biāo).主題活動(dòng)子目標(biāo)任務(wù)分析見(jiàn)圖2.

圖2 活動(dòng)子目標(biāo)任務(wù)分析

分析實(shí)驗(yàn)中靜電計(jì)指針擺動(dòng)幅度小的原因.這個(gè)使能目標(biāo)要進(jìn)一步拆分成2個(gè)小目標(biāo):用摩擦過(guò)的玻璃棒或橡膠棒使電容器極板帶電荷量少;用感應(yīng)起電機(jī)使電容器極板帶電時(shí)在操作過(guò)程中極板上電荷量變化小.前1個(gè)小目標(biāo)的內(nèi)容在初中階段已經(jīng)掌握,且在本學(xué)段已認(rèn)識(shí)到帶電量與表面積的關(guān)系,目標(biāo)容易實(shí)現(xiàn).而用感應(yīng)起電機(jī)使電容器極板帶電時(shí),涉及等效電容的概念和電容器的并聯(lián),在活動(dòng)中需要適當(dāng)講授.

分析實(shí)驗(yàn)裝置在操作方面的缺陷.這個(gè)使能目標(biāo)可以分為3個(gè)小目標(biāo):原來(lái)實(shí)驗(yàn)裝置改變極板間距離時(shí),靠徒手操作極板上的絕緣手柄,很難控制極板正對(duì)面積不變;同理,改變極板正對(duì)面積時(shí),很難控制極板間距離不變;在插入介質(zhì)時(shí),很難控制極板間距離和極板正對(duì)面積都不變.而控制變量法是學(xué)生已經(jīng)掌握的基本方法,學(xué)生只要在實(shí)驗(yàn)操作時(shí)多加練習(xí)即可.

2.3 活動(dòng)內(nèi)容任務(wù)分析

活動(dòng)內(nèi)容包括2個(gè)部分: 分析實(shí)驗(yàn)中靜電計(jì)指針擺動(dòng)幅度小的原因及實(shí)驗(yàn)裝置在操作方面存在的缺陷;改進(jìn)實(shí)驗(yàn)裝置和實(shí)驗(yàn)方法.其中靜電計(jì)指針擺動(dòng)幅度小的原因涉及:電勢(shì)差、電荷量及其變化、帶電體的材料、起電方法、等效電容及電容器的并聯(lián).分析實(shí)驗(yàn)裝置在操作方面的缺陷,包括控制變量法在實(shí)驗(yàn)操作中的運(yùn)用,改進(jìn)實(shí)驗(yàn)則需要?jiǎng)?chuàng)新發(fā)明.

活動(dòng)的過(guò)程是師生互動(dòng)、獲取信息、處理信息、探索創(chuàng)新的過(guò)程.教師要收集掌握學(xué)生的前概念,為了確保活動(dòng)的有效性和高效性,學(xué)情分析是任務(wù)分析的重要環(huán)節(jié).活動(dòng)的學(xué)情分析除了對(duì)學(xué)生已經(jīng)掌握的知識(shí)與技能和活動(dòng)可能出現(xiàn)的錯(cuò)誤進(jìn)行分析以外,更重要的是還要分析研究學(xué)生的創(chuàng)新能力是否能順利完成活動(dòng)任務(wù).活動(dòng)學(xué)情分析見(jiàn)圖3.

圖3 活動(dòng)學(xué)情分析

研究影響平行板電容器電容的因素是選修3-1靜電場(chǎng)中的內(nèi)容,在此之前學(xué)生已經(jīng)學(xué)過(guò)相關(guān)知識(shí),對(duì)電容器及其電容有所了解,知道影響平行板電容器電容的因素.掌握電場(chǎng)強(qiáng)度和電勢(shì)差的概念,知道起電的原因是電荷的轉(zhuǎn)移,了解感應(yīng)起電機(jī)和靜電計(jì)的用途,能在實(shí)驗(yàn)中靈活運(yùn)用控制變量法.同時(shí)本校是科技創(chuàng)新特色學(xué)校,本屆學(xué)生已榮獲一項(xiàng)省級(jí)創(chuàng)新金獎(jiǎng),具備一定的創(chuàng)新實(shí)力.只要教師在活動(dòng)中引導(dǎo)得當(dāng),改進(jìn)實(shí)驗(yàn)成功的希望就很大.

2.4 活動(dòng)過(guò)程任務(wù)分析

主題活動(dòng)過(guò)程見(jiàn)圖4.

圖4 活動(dòng)過(guò)程任務(wù)分析

活動(dòng)過(guò)程中,每一個(gè)使能目標(biāo)完成時(shí)應(yīng)及時(shí)給予評(píng)價(jià)總結(jié),給學(xué)生消化整理的時(shí)間.新知識(shí)對(duì)于原有知識(shí)而言往往是上位知識(shí),在教學(xué)中采用復(fù)習(xí)提高的方式加深,因勢(shì)利導(dǎo)讓學(xué)生實(shí)現(xiàn)從舊知識(shí)到新知識(shí)的突破,有利于更上一層目標(biāo)的完成.

3 任務(wù)完成情況總結(jié)

3.1 實(shí)驗(yàn)中靜電計(jì)指針擺動(dòng)幅度小的原因

用摩擦過(guò)的玻璃棒或橡膠棒雖然能使電容器極板帶電,但棒帶的電荷量少,棒的表面積比電容器極板面積小很多,加之棒又是絕緣體,電荷在其上不容易移動(dòng),如果用接觸起電方式,只能使電容器極板帶很少的電荷量;如果用感應(yīng)起電方式,將帶電體靠近極板,用手摸一下極板后移開(kāi)帶電體,這塊極板就會(huì)帶上與帶電體相反的電荷,由于帶電體不能在極板附近形成足夠強(qiáng)的電場(chǎng),電容器極板帶電荷量也很少.

用感應(yīng)起電機(jī)使電容器極板帶電,用導(dǎo)線將兩放電桿分別與電容器兩極板連接,再與靜電計(jì)并聯(lián)起來(lái).轉(zhuǎn)動(dòng)感應(yīng)起電機(jī),平行板電容器就會(huì)帶上等量的異種電荷.但是,感應(yīng)起電機(jī)集電桿、放電桿和萊頓瓶組成的等效電容C1比平行板電容器的電容C2要大得多,后者一般在30 pF以下,此外還有靜電計(jì)電容C3、電容器手柄與極板間形成電容C4、連接的導(dǎo)線間電容C5,這些電容組成并聯(lián)關(guān)系.測(cè)試表明,除C4約6 pF以外,其余C3和C5很小可忽略.由于C2不夠大,在調(diào)節(jié)C2時(shí)對(duì)總電容的影響較小,極板間電勢(shì)差變化很小,使得靜電計(jì)指針擺動(dòng)幅度變化小.[4]

3.2 原實(shí)驗(yàn)裝置在操作方面存在的不足

原來(lái)實(shí)驗(yàn)裝置在改變極板間距離時(shí),很難保證極板正對(duì)面積不變.同理,分別改變正對(duì)面積和插入介質(zhì)時(shí),也很難控制另外的變量不變.

3.3 改進(jìn)措施

3.3.1 改進(jìn)帶電方法

用有機(jī)玻璃板或光盤(pán)代替玻璃棒或橡膠棒,有機(jī)玻璃板或光盤(pán)面積大,摩擦后帶電荷量很多,能在極板附近形成足夠強(qiáng)的電場(chǎng).不使用接觸起電,改用感應(yīng)起電方法使極板帶電,先將平行板電容器的兩個(gè)極板靠近,再將摩擦起電后的有機(jī)玻璃板或光盤(pán)接近平行板電容器的一個(gè)極板,用手分別接觸一下兩個(gè)極板,這樣電容器就能帶上足夠多的電荷量.

3.3.2 改進(jìn)實(shí)驗(yàn)裝置

圖5 滑動(dòng)式平行板電容器實(shí)驗(yàn)裝置

給裝置加裝軌道和滑桿,或?qū)?shí)驗(yàn)移到光具座上進(jìn)行.如圖5所示,光具座上有軌道、滑動(dòng)底座和刻度尺,滑桿固定在滑動(dòng)底座上,兩塊極板分別安裝在滑桿上.這樣在改變極板間距離時(shí),在軌道約束下只要移動(dòng)底座,就能準(zhǔn)確控制極板正對(duì)面積不變.改變極板正對(duì)面積時(shí),底座不動(dòng),在滑桿約束下將其中一塊極板上下移動(dòng)即可.同理,插入介質(zhì)時(shí),也很容易控制另外的變量不變.

應(yīng)充分縮短作連接用的導(dǎo)線,并使兩根導(dǎo)線遠(yuǎn)離,導(dǎo)線盡量不要彎折,減少實(shí)驗(yàn)中的放電現(xiàn)象.進(jìn)一步可以將光具座鋸掉約30 cm長(zhǎng),全部器材組裝成一個(gè)演示儀，配特制的箱子以保持潔凈,箱中裝配一盞100 W的白熾燈,作干燥用.實(shí)驗(yàn)證明,改造以后演示實(shí)驗(yàn)效果非常理想.

物理主題活動(dòng)內(nèi)容不受課程標(biāo)準(zhǔn)的限制,空間和時(shí)間靈活機(jī)動(dòng),內(nèi)容豐富,促使學(xué)生動(dòng)手與動(dòng)腦學(xué)物理,實(shí)踐與探索緊密聯(lián)系起來(lái).從任務(wù)完成情況來(lái)看,學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)的改進(jìn)很成功,任務(wù)分析法推動(dòng)物理主題活動(dòng)課教學(xué)是有效的.

課堂教學(xué)能讓學(xué)生掌握一定的物理知識(shí)和研究方法,但課堂教學(xué)時(shí)間有限,不能完成教師布置的或自己想要解決的問(wèn)題.物理教學(xué)以實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ),隨著時(shí)代的發(fā)展,教學(xué)理念不斷更新,傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)需要?jiǎng)?chuàng)新.教師要引導(dǎo)學(xué)生捕捉課堂教學(xué)的不足,靈活地應(yīng)用已有的知識(shí)與技能,去解決課堂上遇到的實(shí)際問(wèn)題,即便是一個(gè)很不起眼的小問(wèn)題,去進(jìn)行新的或較深層次的思考,任務(wù)分析法可以促進(jìn)物理課堂教學(xué)的有效發(fā)展.