賈澤皓 申亞琴 張 萍

(北京師范大學(xué)物理學(xué)系,北京 100875)

在針對(duì)概念轉(zhuǎn)變(Conceptual Change)的科學(xué)教學(xué)中,教師為促使學(xué)生實(shí)現(xiàn)概念轉(zhuǎn)變,首先必須要了解學(xué)生已有概念(Pre-instructional Conceptions),[1]以此為出發(fā)點(diǎn),教師設(shè)計(jì)情境,使學(xué)生產(chǎn)生認(rèn)知沖突(Cognitive Conflict),并適時(shí)引出科學(xué)概念(Scientific Conceptions),幫助學(xué)生解決認(rèn)知沖突,實(shí)現(xiàn)概念轉(zhuǎn)變.[2]教師面對(duì)的挑戰(zhàn)是如何設(shè)計(jì)問題、實(shí)驗(yàn)以及教學(xué)支架(Scaffolding),有效地組織教學(xué).針對(duì)教學(xué)目標(biāo)以及學(xué)生特有的錯(cuò)誤概念,教師必須開發(fā)更具創(chuàng)意性的策略,這種教學(xué)不僅需要教師有豐富的物理學(xué)科知識(shí),同時(shí)需要有針對(duì)學(xué)生錯(cuò)誤概念設(shè)計(jì)概念教學(xué)的技能及經(jīng)驗(yàn).

針對(duì)人教版“電容器的電容”一節(jié)內(nèi)容,教學(xué)研究多集中在平行板電容器的內(nèi)容.[3,4]我們的研究是針對(duì)教材中紙質(zhì)圓柱形電容器的內(nèi)容,開發(fā)設(shè)計(jì)一個(gè)制作紙質(zhì)圓柱形電容器的教學(xué)活動(dòng),引導(dǎo)學(xué)生深度參與,在學(xué)生活動(dòng)中暴露學(xué)生的錯(cuò)誤概念.我們有針對(duì)性地設(shè)計(jì)教學(xué)支架,讓學(xué)生在小組討論中產(chǎn)生認(rèn)知沖突,通過合作共同解決問題,從而使學(xué)生深度理解電容器概念的本質(zhì),取得很好的教學(xué)效果.

1 問題提出

在高中物理選修3-1[5]的電容器一章中主要是以平行板電容器為例進(jìn)行電容器相關(guān)概念的教學(xué),同時(shí)包含下面兩個(gè)公式

(1)

(2)

教材在“常用電容器”標(biāo)題的相關(guān)內(nèi)容中,有一段文字描述:“紙質(zhì)電容器在兩層鋁箔間夾入石蠟中浸過的紙,然后再卷成一個(gè)圓柱體形狀的電容器”.針對(duì)該部分內(nèi)容,教師通常使用講述的方式給出比教材更詳細(xì)的解釋:由公式(2)可知平行板電容器電容與極板面積成正比,但是面積太大不適用于真實(shí)電路,因此在實(shí)際應(yīng)用中將其卷起,以減小其占用的空間.在閱讀這樣的教材內(nèi)容并聽到教師的講授之后,大多數(shù)學(xué)生確信自己完全理解其中的內(nèi)容.然而我們的研究表明,學(xué)生對(duì)于紙質(zhì)圓柱形電容器的構(gòu)造和其中的物理原理存在著錯(cuò)誤概念,這些錯(cuò)誤概念在下面的教學(xué)活動(dòng)中會(huì)外顯出來.

2 制作紙質(zhì)圓柱形電容器的活動(dòng)設(shè)計(jì)

該活動(dòng)任務(wù)內(nèi)容為3項(xiàng).

(1) 要求學(xué)生按照教材中“紙質(zhì)電容器在兩層鋁箔間夾入石蠟中浸過的紙,然后再卷成一個(gè)圓柱體形狀的電容器”的說法親自制作該紙質(zhì)圓柱形電容器.

(2) 已知平行板電容器電場(chǎng)線分布如圖1,嘗試分析其卷成圓柱體形狀后內(nèi)部的電場(chǎng)線分布,畫出草圖.

圖1 平行板電容器的相關(guān)物理量與電場(chǎng)分布

(3) 分析相比于平行板電容器,將其卷成圓柱形后電容大小的變化.

為了材料易得,實(shí)驗(yàn)可以提供一些2 cm寬,15 cm長(zhǎng)的白色紙條和粉色紙條,并告知學(xué)生用白色紙條代替鋁箔,粉色紙條代替蠟紙,學(xué)生可以任意選取紙條按照自己的理解將它們卷繞在簽字筆上,制作出簡(jiǎn)易圓柱形電容器.

3 學(xué)生關(guān)于紙質(zhì)圓柱形電容器的錯(cuò)誤概念

錯(cuò)誤1:在任務(wù)1制作電容器的過程中,大部分學(xué)生使用兩個(gè)鋁箔(白紙)中間夾入一張蠟紙(粉紙)的方式先制作出平行板電容器,其結(jié)構(gòu)如圖2所示,我們稱之為三層結(jié)構(gòu),然后直接將其卷繞在簽字筆上制作圓柱形電容器.

圖2 “鋁箔—蠟紙—鋁箔”3層電容器結(jié)構(gòu)

錯(cuò)誤2:在任務(wù)2中,學(xué)生畫出的電場(chǎng)線中存在的錯(cuò)誤很多,其中最典型的錯(cuò)誤是將圖1中兩平行板和夾在其中的介質(zhì)與電場(chǎng)線(電場(chǎng)線被固定在介質(zhì)中)一起卷起來形成圓柱形電容器(3層結(jié)構(gòu)),電場(chǎng)線仍在介質(zhì)層中,方向從正極板沿著圓柱半徑方向指向負(fù)極板.

錯(cuò)誤3:在任務(wù)3中,多數(shù)學(xué)生認(rèn)為圓柱形電容器是由平行板電容器直接卷成,帶電面面積和介質(zhì)層厚度沒有發(fā)生變化,因此認(rèn)為兩個(gè)電容器的電容近似相等,即認(rèn)為卷起的做法不會(huì)改變電容大小.

在中學(xué)物理教師培訓(xùn)課程中,我們也用過這樣的教學(xué)活動(dòng),發(fā)現(xiàn)上述3個(gè)錯(cuò)誤概念也廣泛地存在于教師之中.

4 轉(zhuǎn)變學(xué)生錯(cuò)誤概念的教學(xué)設(shè)計(jì)

概念轉(zhuǎn)變的學(xué)習(xí)過程對(duì)學(xué)生來說是一個(gè)巨大的挑戰(zhàn),因此需要更多的支持才可以完成,支持可以來源于同伴和教師.為此我們?cè)O(shè)計(jì)的教學(xué)活動(dòng)分3個(gè)部分:學(xué)生個(gè)人嘗試、小組討論、教師講解.

首先,要求每個(gè)學(xué)生獨(dú)立完成上述3個(gè)學(xué)習(xí)任務(wù),目的是讓學(xué)生經(jīng)過思考同時(shí)暴露出錯(cuò)誤概念,如前所述.

接下來,學(xué)生進(jìn)行小組討論,合作學(xué)習(xí)并嘗試共同解決問題,在這個(gè)過程中教師可以針對(duì)每組討論情況在適當(dāng)?shù)臅r(shí)候給予事先設(shè)計(jì)好的提示,作為教學(xué)支架,詳細(xì)過程如下.

在任務(wù)1的討論中:如果沒有學(xué)生發(fā)現(xiàn)3層結(jié)構(gòu)的錯(cuò)誤,教師可以提問:3層結(jié)構(gòu)在卷繞的時(shí)候是否出現(xiàn)鋁箔和鋁箔之間相互發(fā)生接觸的情況,引導(dǎo)學(xué)生通過檢查自己繞制的3層結(jié)構(gòu)的電容器發(fā)現(xiàn)這一現(xiàn)象,并且進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)相互接觸的兩個(gè)鋁箔一個(gè)是帶正電的極板,一個(gè)是帶負(fù)電的極板.當(dāng)學(xué)生發(fā)現(xiàn)這個(gè)問題后,要求學(xué)生繼續(xù)討論解決方案,如果學(xué)生沒有思路,教師需要提示學(xué)生.事實(shí)上,因?yàn)樾〗M合作形式中學(xué)生之間互教互學(xué),因此他們很容易得出需要再加一層介質(zhì),使用兩層蠟紙兩層鋁箔的4層結(jié)構(gòu)來卷繞成柱形電容器的結(jié)論,卷繞方式如圖3所示,從而正確完成任務(wù)1.

圖3 正確的4層柱形電容器結(jié)構(gòu)示意圖

在任務(wù)2的討論中,學(xué)生首先要明確柱形電容器的結(jié)構(gòu)(4層結(jié)構(gòu)),如圖4所示.該結(jié)構(gòu)包含兩層鋁箔,帶正電的一層(正極板)稱為A,帶負(fù)電的一層(負(fù)極板)稱為B;除此之外還包含兩層介質(zhì),原來夾在平行板電容器中的一層稱為Ⅰ,為了卷成圓柱形電容器時(shí)額外添加的一層稱為Ⅱ.學(xué)生原來使用3層結(jié)構(gòu)時(shí),錯(cuò)誤地認(rèn)為只有介質(zhì)層Ⅰ的存在,因此電場(chǎng)線也只存在于這層介質(zhì)中,并且其方向?yàn)檠匕霃接烧龢O板指向負(fù)極板;現(xiàn)在是4層結(jié)構(gòu),因此教師要特別提示學(xué)生討論在介質(zhì)層Ⅱ中是否存在電場(chǎng).如果討論開始時(shí)學(xué)生認(rèn)為Ⅱ?qū)咏橘|(zhì)只是起到將正負(fù)極板隔開的作用,認(rèn)為其中沒有電場(chǎng),那么教師可以提示學(xué)生考慮Ⅱ?qū)咏橘|(zhì)兩側(cè)正負(fù)極板是否存在電勢(shì)差,哪個(gè)是正極板等,從而讓學(xué)生判斷是否存在電場(chǎng).通過教師提示以及學(xué)生討論,先是少部分學(xué)生意識(shí)到在介質(zhì)層Ⅱ中存在電場(chǎng),他們會(huì)努力給小組同伴講解自己的思路,在講解和討論的過程中小組成員深入和完善相關(guān)概念和結(jié)論.最終,小組進(jìn)一步得出電場(chǎng)線方向從正極板指向負(fù)極板的結(jié)論,從而得出如圖4所示的介質(zhì)層Ⅱ中的電場(chǎng)線分布圖的正確答案.

在任務(wù)3的討論中:學(xué)生習(xí)慣使用公式(2),并認(rèn)為即使使用4層結(jié)構(gòu),兩個(gè)帶電極板的面積仍然沒有變化,同時(shí)極板間距與介質(zhì)也沒有變化,因此柱形電容器和對(duì)應(yīng)的平行板電容器的電容應(yīng)當(dāng)近似相等.此時(shí)教師可以提示學(xué)生比較圖1所示平行板電容器和圖4所示4層結(jié)構(gòu)圓柱形電容器中鋁箔層中電荷分布的異同.引導(dǎo)學(xué)生發(fā)現(xiàn):與平行板電容器極板上僅單面帶電不同,圓柱形電容器內(nèi)部每個(gè)極板都是雙面帶電,因此帶電面積增加了1倍,柱形電容器的電容也因此增加1倍,從而得出正確答案.相比任務(wù)2,這個(gè)任務(wù)對(duì)學(xué)生來說更困難,如果學(xué)生經(jīng)過討論不能得出正確答案,需要教師在下一個(gè)環(huán)節(jié)給出詳細(xì)講解.

圖4 4層柱形電容器的結(jié)構(gòu)及其內(nèi)部電場(chǎng)分布

最后,教師需要進(jìn)行梳理和總結(jié),用科學(xué)規(guī)范的語言,提供示意圖(Diagram)和公式(Equation)等多重表征形式(Multi-representation)[6]分析和解釋相關(guān)概念,轉(zhuǎn)變學(xué)生的錯(cuò)誤概念,幫助學(xué)生完善知識(shí)結(jié)構(gòu).

5 結(jié)論

大量的研究表明,學(xué)生在閱讀教材時(shí)常常只是從字面上進(jìn)行理解,很少有學(xué)生會(huì)仔細(xì)思考、深度理解課本內(nèi)容的本質(zhì).因此,教師要?jiǎng)?chuàng)造一個(gè)鼓舞學(xué)生積極思考、努力理解的學(xué)習(xí)活動(dòng)環(huán)境,并且?guī)椭麄內(nèi)谌脒@類活動(dòng)中,這樣的教學(xué)才更有效.