陳偉孟

(中國人民大學(xué)附屬中學(xué) 北京 100080)

張玉峰

(北京教育科學(xué)研究院 北京 100036)

學(xué)習(xí)進階強調(diào)學(xué)生對某一主題的概念學(xué)習(xí)需要分階段進行，每一階段對該概念的學(xué)習(xí)都是在前一階段的基礎(chǔ)上進行加深或延展，先學(xué)的知識成為后續(xù)學(xué)習(xí)知識的基礎(chǔ)．“階”的確定不只是基于知識的邏輯結(jié)構(gòu)，而是由學(xué)習(xí)者和知識主客體共同決定的．依據(jù)進階理論進行教學(xué)設(shè)計，讓學(xué)生所學(xué)知識之間的內(nèi)在聯(lián)系更加緊密且層級結(jié)構(gòu)清晰，有利于教師根據(jù)學(xué)生的實際水平設(shè)計符合學(xué)生思維發(fā)展的教學(xué)過程．同時，為了學(xué)生從整體上對物理知識體系的把握，教師在教學(xué)設(shè)計時，應(yīng)將知識進行整合優(yōu)化，讓學(xué)生從整體上認識物理學(xué)科體系．教學(xué)整合和進階能有效促進學(xué)生核心素養(yǎng)與關(guān)鍵能力的發(fā)展，提高課堂教學(xué)的有效性．

在此，對以整合和進階為主線促進核心素養(yǎng)發(fā)展的“電容器的電容”進行例析．

1 教學(xué)要求與教學(xué)目標(biāo)

1.1 課程標(biāo)準(zhǔn)的教學(xué)要求

教育部《普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)》(2017年版)對電容器的電容的要求是：“觀察常見電容器，了解電容器的電容，觀察電容器的充、放電現(xiàn)象．能舉例說明電容器的應(yīng)用．”并給出相應(yīng)例題：“查閱資料，了解電容器在照相機閃光燈電路中的作用．”給出的活動建議：“通過觀察、查閱資料等方式，了解并分析電容器應(yīng)用的實例，撰寫研究報告．”

1.2 教學(xué)目標(biāo)

(1)知道電容器充放電的本質(zhì)，了解電荷量和能量的轉(zhuǎn)化，有助于能量觀念的形成；

(2)理解電容的概念及定義式；

(3)通過學(xué)生對實驗的觀察和研究，培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)探究能力和抽象思維能力；

(4)知道平行板電容器電容的決定式，通過科學(xué)探究加強認識，促進科學(xué)思維的生成；

(5)了解常見電容器，理解科學(xué)·技術(shù)·社會·環(huán)境的關(guān)系，強化科學(xué)態(tài)度與責(zé)任．

1.3 教學(xué)重點

(1)電容的定義式；

(2)探究分析電容器充、放電的過程和本質(zhì)；

(3)平行板電容器電容的決定式．

1.4 教學(xué)難點

(1)電容器充放電過程的分析和能量轉(zhuǎn)化；

(2)電容的定義及其物理意義．

1.5 電容在靜電場單元的進階路徑

電容在靜電場單元的進階路徑如圖1所示.

圖1 電容器的電容進階路徑

2 學(xué)生情況分析

2.1 學(xué)生已有的經(jīng)驗概念和方法

(1)生活經(jīng)驗

電容器雖然在日常電器中應(yīng)用廣泛，但是學(xué)生缺乏直接感受．通過書本的預(yù)習(xí)后，還需要結(jié)合實驗來強化認識．

(2)概念儲備

1)電荷量、電勢差等概念；

2)學(xué)生初中學(xué)過一些基本的電路性質(zhì)．

(3)物理方法

1)通過場強、電勢等概念的學(xué)習(xí)，知道比值定義的物理方法；

2)通過庫侖定律一節(jié)的學(xué)習(xí)，了解了物理量減半研究的方法，以及蘊含的對稱和守恒的思想．

2.2 學(xué)生認識的階段

(1)預(yù)習(xí)達成的認識

1)了解了電容器的構(gòu)成，知道了一些生活中的電容器；

2)定性了解了電容器的充放電過程；

3)知道了電容的定義式和平行板電容器的決定式．

(2)需要解決的問題

1)對電容器的認識還是間接的，沒有直觀認識和感知；

2)對電容器的充放電過程還沒有準(zhǔn)確的認識，需要實驗來增強認識；

3)對電容的比值定義需要實驗來加深印象；

4)對平行板電容器的決定式需要更為直觀的實驗的結(jié)合來強化認識．

2.3 學(xué)習(xí)困難產(chǎn)生的原因

(1)電容器屬于生活中常用但是不“常見”的儀器，學(xué)生很少能將電容器從電器中孤立出來，了解其性質(zhì)；

(2)電容定義，屬于比值定義物理方法在新情境中的運用．

2.4 學(xué)生建構(gòu)電容概念的過程

學(xué)生建構(gòu)的電容概念的過程如圖2所示.

圖2 電容概念的建構(gòu)過程

3 教學(xué)過程

3.1 環(huán)節(jié)一：電容器

活動設(shè)計：

簡要演示電容器的功能和結(jié)構(gòu)：一個簡易直觀的電容器功能的呈現(xiàn)——充電后的電容器讓掛鐘走動，或者讓小燈泡發(fā)亮等，如圖3(a)、(b)所示；內(nèi)部結(jié)構(gòu)的拆分——拆解紙質(zhì)電容器，分析了解其內(nèi)部結(jié)構(gòu)，并進行生活中常用電容器的舉例，如圖4(a)、(b)所示．

圖3 電容器的功能演示

圖4 電容器展示和實物拆解

設(shè)計意圖：通過真實情境和真實物體，學(xué)生對電容器充、放電具有直觀體會，發(fā)展學(xué)習(xí)和探究興趣，鞏固了解電容器的功能和結(jié)構(gòu)．學(xué)生也通過放電時長感知不同的電容器容納電荷和電能的本領(lǐng)不一樣的特點．

3.2 環(huán)節(jié)二：電容器的充電和放電過程

活動設(shè)計：

(1)分析預(yù)習(xí)內(nèi)容，對充放電現(xiàn)象進行物理分析，解決學(xué)生的問題.

1)充、放電過程有沒有電流？

2)充、放電過程中電荷是怎樣移動的？

3)充、放電過程中兩極間電壓是如何變化的？

4)為什么電容器的帶電荷量是一個板所帶電荷量的絕對值？

根據(jù)示意圖(圖5)分析討論：把一個極板所帶電荷量的絕對值叫電容器的所帶電荷量Q．這樣的規(guī)定并非權(quán)宜之計，而是電源將電荷真正從一個極板移動到另一極板的就是Q．

圖5 電容充、放電的示意圖

(2)按圖分析和連接電路，引導(dǎo)學(xué)生在實驗前先預(yù)測現(xiàn)象．

(3)用傳感器記錄實驗現(xiàn)象，與預(yù)測進行比較，分析原因．

實驗所得圖像如圖6和圖7所示.

圖6 充、放電過程中電流的變化

圖7 充、放電過程中i和u的變化

(4)就充、放電圖像進行分析和提升，深化對電容器充電、放電過程的認識和理解．

設(shè)計意圖：基于學(xué)生預(yù)習(xí)的內(nèi)容，對充放電現(xiàn)象的物理分析，解決學(xué)生的問題，同時遷移類比，拓展圖像面積的物理意義，可提如下問題：

(1)充、放電過程有沒有電流？有瞬時電流．

(2)充、放電過程中電荷是怎樣移動的？有助于物質(zhì)觀念的形成．

(3)充、放電過程中兩極間電壓是如何變化的？鼓勵猜想、質(zhì)疑和探究．

3.3 環(huán)節(jié)三：電容概念和模型的建構(gòu)

活動設(shè)計1：

創(chuàng)設(shè)任務(wù)，通過閱讀教材上關(guān)于電荷量平分內(nèi)容(圖8)，引導(dǎo)學(xué)生探討如何定量研究電壓和電量間的關(guān)系.

方案：將相同的帶電的電容器與不帶電電容器兩極分別接觸多次，電荷量逐級減半．通過電壓表測量電容器兩極間電壓．做出電荷量與電壓的關(guān)系圖像，分析圖像發(fā)現(xiàn)二者的正比關(guān)系．

圖8 教科書中關(guān)于平分電荷的對稱和守恒思想

要求學(xué)生設(shè)計實驗，獲得電荷量和電壓的相關(guān)數(shù)據(jù)，并探究它們的關(guān)系．

連接實驗電路，學(xué)生觀察實驗現(xiàn)象并做數(shù)據(jù)記錄如表1所示.

表1 探究電荷量與電壓關(guān)系數(shù)據(jù)記錄表

得出電荷量與電勢差的關(guān)系并與v-t關(guān)系類比，如圖9所示.

圖9 描繪U與Q的關(guān)系圖像，適時類比拓展

設(shè)計意圖：通過分組實驗，讓學(xué)生對電容器的電容概念，由感性認識達到理性認識．讓學(xué)生經(jīng)歷假設(shè)猜想、實驗設(shè)計、數(shù)據(jù)收集、得出結(jié)論的一系列活動，提升學(xué)生分析解決問題的能力，同時認識物理概念建立的一般過程，了解研究物理問題的一般方法．增加切身體驗，體會物理思想的傳承與創(chuàng)新．鋪設(shè)思維臺階，通過類比思維和功能關(guān)系，學(xué)習(xí)和分析電容器的能量問題；關(guān)注能量觀念的形成．

活動設(shè)計2：

圖10 充、放電過程中i-t圖的面積

知識整合：此處I-t圖像和U-Q面積是否有物理意義？通過與速度-時間圖像、彈簧彈力-伸長量圖像進行類比遷移，引導(dǎo)學(xué)生主動思考圖像及其面積的物理意義，實現(xiàn)知識整合和學(xué)習(xí)能力提升，形成對電荷量和電勢能概念的深入理解，不斷深化物理觀念和能量觀念．

3.4 環(huán)節(jié)四：平行板電容的科學(xué)探究

活動設(shè)計：

電容器的電容與極板間的電壓、極板所帶的電荷量無關(guān)，那與什么因素有關(guān)呢？按圖連接電路，提示學(xué)生注意觀察實驗現(xiàn)象．

設(shè)計意圖：明確電容器的電容與Q和U無關(guān)后，討論影響電容的相關(guān)因素時，讓學(xué)生進行猜想，以平行板電容器為例，關(guān)注兩極板間距、正對面積、介質(zhì)材料與電容大小可能存在的關(guān)系．

在探究影響平行板電容的因素時，教科書采用了如圖11所示的實驗裝置，通過調(diào)節(jié)正對面積、兩極板間距或板間電介質(zhì)等，觀察靜電計張角的變化，進一步推導(dǎo)出電容的變化規(guī)律．這個實驗優(yōu)點是讓學(xué)生清晰地看到當(dāng)極板正對面積、極板間距、極板間電介質(zhì)發(fā)生變化時，兩極板間電勢差的變化情況．然而，這種通過電勢差間接推導(dǎo)的變化關(guān)系不直觀，難以讓學(xué)生形成深刻的印象，可作為拓展內(nèi)容學(xué)習(xí)．

圖11 影響平行板電容器電容大小的因素演示

圖12 常用電介質(zhì)的介電常數(shù)

圖13 檢測平行板電容器的介電常數(shù)

圖14 數(shù)字式多用電表演示和檢測平行板電容的影響因素

3.5 環(huán)節(jié)五：電容器的應(yīng)用

活動設(shè)計：

微視頻播放我國在超級電容器研發(fā)和應(yīng)用方面的相關(guān)視頻(圖15)，拓展超級電容器的相關(guān)知識．通過了解電容器的廣泛應(yīng)用，學(xué)生增強了將物理知識應(yīng)用于生產(chǎn)和生活的意識，青年一代感受對技術(shù)進步的責(zé)任感，培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)態(tài)度與社會責(zé)任感，進一步凸顯物理課程和物理課堂的育人功能．

圖15 電容電車

設(shè)計意圖：深化理解概念基礎(chǔ)上，進一步促進電容能量觀念的形成，同時通過常規(guī)課堂融合學(xué)科教學(xué)立德樹人目標(biāo)，強化科學(xué)態(tài)度與責(zé)任．

4 拓展作業(yè)設(shè)計

例：探究性任務(wù)作業(yè)．如圖16所示，電腦主板板材是較為理想的平行板電容器研究對象，利用數(shù)字式多用電表(能夠測量電容)、直尺、數(shù)顯游標(biāo)卡尺或螺旋測微器(能測量厚度)來測量該板材參數(shù)，如圖17所示，計算板材電介質(zhì)的介電常數(shù)．同時，搜索查詢相關(guān)信息，將測量結(jié)果和與該材料標(biāo)準(zhǔn)值對比，并分析誤差原因．

圖16 電腦主板板材

圖17 測量板材參數(shù)

設(shè)計意圖：設(shè)置有梯度的作業(yè)，滿足學(xué)生多樣化的學(xué)習(xí)需求，實現(xiàn)評價、鞏固和拓展并舉．充分利用教材，鞏固和提升知識；注重新學(xué)知識的應(yīng)用，理論聯(lián)系實際，把學(xué)習(xí)延伸到課外，培養(yǎng)科學(xué)精神；利用具體實驗分析實驗誤差(如厚度測量等)，理解平行板電容器理想模型建構(gòu)的條件．?dāng)?shù)顯游標(biāo)卡尺或螺旋測微器原理也是電容知識的具體應(yīng)用，為后面電容的拓展和常規(guī)游標(biāo)卡尺、螺旋測微器的使用做好鋪墊．