徐立海

(浙江省臺州附中，浙江 臺州 318020)

在學(xué)科核心素養(yǎng)背景下,知識似乎變得不再重要,事實上,如若沒有知識學(xué)習(xí)的過程,沒有掌握必要學(xué)科知識,核心素養(yǎng)就無從談起,如同無源之水,無本之木,學(xué)科核心素養(yǎng)就是在知識學(xué)習(xí)的過程中孕育發(fā)展的．學(xué)科核心素養(yǎng)并沒有淡化了對知識學(xué)習(xí)的要求,而是對知識學(xué)習(xí)提出了更高的要求,不僅僅是關(guān)注“冰山”位于水面之上占小部分的學(xué)術(shù)形態(tài)的知識(對應(yīng)知識的表層意義),而更加關(guān)注隱藏在水面以下占大部分的教育形態(tài)的知識(揭示的是知識的深層意義),即蘊含在知識背后的思維方式和價值取向,如學(xué)習(xí)興趣、真實體驗、思維方式、探究能力、創(chuàng)新意識、價值觀念、科學(xué)與人文精神、審美情感、人文社會責(zé)任等主體性知識．如何挖掘知識的深層意義呢?深度學(xué)習(xí)是必由選擇,它是指在教師指導(dǎo)下,學(xué)生基于真實的主題情境,圍繞著具有挑戰(zhàn)性的核心問題,積極地全身心參與分析、設(shè)計、探究、論辯、互評等學(xué)習(xí)活動,從而體驗成功樂趣、獲得進(jìn)階發(fā)展的有意義的學(xué)習(xí)過程．通過深度學(xué)習(xí),知識不再是簡單的符號知識,而是已被學(xué)生感知、內(nèi)化了的文化知識,是已附著了情感體驗的本我知識,已轉(zhuǎn)化成學(xué)生的智能,繼而凝練、發(fā)展成為學(xué)生的核心素養(yǎng)．本文就以“電容器的電容”這一課為例,從以下6個方面就指向深度學(xué)習(xí)的物理教學(xué)路徑進(jìn)行探析．

1 基于學(xué)生需要,創(chuàng)設(shè)趣味實驗,激發(fā)探究熱情

需要是指人們?nèi)狈δ硸|西而產(chǎn)生的一種“想得到”力求獲得滿足的心理傾向．每一位學(xué)生走進(jìn)物理課堂,內(nèi)心都駐扎著求知、求趣、求實、求索、求成、求真、求美等心理需要．只有當(dāng)講課內(nèi)容、方法切合學(xué)生的這些心理需要時,才會引起學(xué)生快樂的情緒,激起學(xué)生內(nèi)在強勁的學(xué)習(xí)動力．考慮到學(xué)生對電容器非常陌生,缺乏感性認(rèn)識,為此筆者運用生活中很常見的金屬盆和礦泉水瓶制作“土電容”實驗,這些實驗簡易化、生活化,很容易拉近物理和生活的距離,激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣,使學(xué)生深切感受到科學(xué)的真實性．具體過程設(shè)計如下.

(1) 啟發(fā)講解．這只礦泉水瓶是用作盛水的容器,那么,它是否可以用來儲存電荷呢?如果將這只瓶子稍作改變,在外面貼了一層錫箔紙,瓶子的里面盛有食鹽水,瓶子的中央插有一根金屬絲,它能裝電嗎?

(2) 實驗觀察．將感應(yīng)起電機的兩個電極分別錫箔紙與金屬絲連接,搖動起電機,一段時間后停下,然后將兩電極斷開,等待一會兒后,再把金屬絲的一根引線與錫箔紙相接觸,此時聽到“啪”的放電聲響,同時看到閃光．再用兩只金屬臉盆之間隔著一層絕緣材料構(gòu)成自制電容器,采用與上面相似的方法,同樣也看到了閃光、聽到了放電聲響．

(3) 提出問題．以上兩種容器都能儲存電荷,那么,在結(jié)構(gòu)上,它們具有什么共同的特征呢?

以上利用生活化器具構(gòu)造成的電容器,學(xué)生在視覺、觸覺體驗中感知電荷被儲存的真實,一起感受到了物理學(xué)習(xí)帶給他們的快樂．在此感性認(rèn)識的基礎(chǔ)上再提出問題,引導(dǎo)學(xué)生格物致知,可以很好地激發(fā)學(xué)生的探究熱情．

2 基于問題情境,豐富物理表象,促進(jìn)意義建構(gòu)

建構(gòu)主義學(xué)習(xí)理論認(rèn)為,學(xué)習(xí)過程是人的認(rèn)知思維活動的主動建構(gòu)的過程．在意義建構(gòu)進(jìn)程中,真實情境可以為學(xué)生提供的一個完整、真實的問題背景,以及豐富的物理表象,以此為支撐促進(jìn)知識的意義建構(gòu)．事實表明,學(xué)習(xí)情境越真實,學(xué)生構(gòu)建的知識就越可靠、越深刻,就越容易在真實的學(xué)習(xí)、生活中得到運用．物理的問題情境主要包括物理與日常生活、生產(chǎn)、科技聯(lián)系的情境,以及物理學(xué)術(shù)情境．只有將學(xué)生置身于真實的、復(fù)雜的、不可預(yù)測的物理情境中,才能培養(yǎng)學(xué)生的物理核心素養(yǎng)．在本課,學(xué)生還沒有深入學(xué)習(xí)過電流,電流又是抽象的,所以學(xué)生對電容器充放電過程中暫態(tài)電流的形成過程及其工作原理的理解,將會產(chǎn)生一定的認(rèn)知困難．為此,筆者設(shè)置了兩個實驗情境,通過以下過程開展教學(xué)．

(1) 提出問題．電容器為什么能儲存電荷?是如何充上電荷的,又是如何放出電荷的?在充放電過程中,電流隨時間是如何變化的?這些問題,需要借助實驗進(jìn)行分析解答．

圖1

(2) 實驗觀察．電路如圖1所示,通過小燈泡來反映短暫的充電電流和放電電流．當(dāng)電鍵拔到1位置,觀察到小燈炮閃亮了一下就熄滅;然后把電鍵拔到空擋,等待一會兒;再把電鍵拔到2位置,觀察到小燈泡也閃亮了一下就熄滅．

(3) 分析推理．引導(dǎo)學(xué)生分析充電、儲存、放電的工作原理,如圖2所示．

圖2

(4) 模型建構(gòu)．如圖3所示,使用DIS數(shù)字實驗系統(tǒng)實時監(jiān)測電路中的電流與電壓,進(jìn)一步呈現(xiàn)在電容器的充放電過程中,電流與電壓隨時間暫態(tài)變化的圖像,如圖4所示．由圖可知,在電容器充電時,隨著電容器儲電量的增加,電容器兩端的電壓逐漸變大,直至不變,而電流在接通瞬間即為最大,隨后逐漸減小為0;在電容器放電時,隨著電容器儲電量的減少,電容器兩端的電壓逐漸減小為0,而電流在放電瞬間即為反向最大,隨后逐漸減小為0．

圖3

圖4

以上教學(xué)中,先利用問題啟發(fā)學(xué)生思考,然后通過觀察分析小燈泡發(fā)光的淺層現(xiàn)象,由表及里,引導(dǎo)學(xué)生運用已有知識從理論上分析充電、儲存、放電的工作原理,最后通過DIS實驗深入到電流和電壓的變化圖像．這一過程非常符合學(xué)生的認(rèn)知過程,從現(xiàn)象到本質(zhì),從科學(xué)推理到科學(xué)實證,展現(xiàn)知識的形成與發(fā)展,全方面、多層次地建構(gòu)了充放電物理模型．

3 基于真實任務(wù),參與具身體驗,提升探究能力

具身認(rèn)知理論強調(diào)身體在認(rèn)知過程中起關(guān)鍵作用,認(rèn)為認(rèn)知是包括大腦在內(nèi)的身體的認(rèn)知,身體的生理結(jié)構(gòu)、活動方式、感知覺和運動體驗共同決定了我們認(rèn)識世界的內(nèi)容、方式和結(jié)果,可以說認(rèn)知是通過身體的體驗及其活動方式塑造出來的．物理是一門以實驗為基礎(chǔ)、以探究為手段的學(xué)科,因此物理的學(xué)習(xí)更應(yīng)該強調(diào)身心一并融入物理情境,既動腦又動手,強調(diào)身體活動與學(xué)習(xí)內(nèi)容、學(xué)習(xí)需求有機的結(jié)合起來．這要求教師要引導(dǎo)學(xué)生在參與互動中學(xué)習(xí),在體驗和探究中學(xué)習(xí),在親自操作和實踐活動中學(xué)習(xí)．“如何讓電容器帶上電,如何檢驗它帶電,以及如何讓電容器儲上不等的電荷量,如何檢測帶電量的多少”對于這些問題,如若學(xué)生都沒能經(jīng)歷實際的具身體驗,那么對后續(xù)關(guān)于電容器儲電性質(zhì)的學(xué)習(xí)和理解就會造成一定程度上阻隔．為此,筆者設(shè)置了3個探究性任務(wù),通過以下過程開展教學(xué)．

(1) 提出任務(wù)．給每組提供以下器材,電容器3只(兩只相同為A,另一只為B)、干電池2只、發(fā)光二極管1只、電壓表1只、導(dǎo)線4根．請大家完成以下3個任務(wù)： ① 讓一只電容器儲上電荷,并證明其存上了電?② 讓兩只相同的電容器A、A帶上不同的電荷量,并證明之．③ 用相同的電池給兩只不同的電容器A、B充電,并比較帶電量．

(2) 方案設(shè)計．在教師的引導(dǎo)下,學(xué)生形成以下方案的設(shè)計．任務(wù)1： 讓1只干電池并聯(lián)在電容器兩極一段時間后拿開,然后將電容器的兩極與發(fā)光兩極管或電壓表并聯(lián),可以觀察到兩極管發(fā)光,電壓表指針偏轉(zhuǎn)后讀數(shù)逐漸減?。蝿?wù)2： 用1節(jié)干電池和2節(jié)串連干電池分別給2只電容器充電;或是用相同的電池給2只電容充電后,將其中1只通過對電容器B或二極管放電一部分．任務(wù)3,電容器A、B充電后,分別接二極管發(fā)光,發(fā)現(xiàn)亮度不同,或是接電壓表偏轉(zhuǎn),發(fā)現(xiàn)讀數(shù)不同．

(3) 實驗操作．每組學(xué)生按照自己的方案設(shè)計進(jìn)行操作,邊做邊思．

(4) 交流評估．各組派代表匯報本組的方案設(shè)計及操作辦法．教師組織對不同的方案和操作展開交流、評價．由上述實驗可知電容器儲存的電量是由哪些因素決定的?教師基于以上實驗成果,引導(dǎo)學(xué)生共同分析得出,電容器儲存電量的多少是由電容器兩端電壓U和電容器本身某性質(zhì)共同決定的．

以上通過3個任務(wù)的學(xué)習(xí)驅(qū)動,讓學(xué)生進(jìn)入到具身學(xué)習(xí)的狀態(tài)中．經(jīng)歷任務(wù)1的思考與操作過程,讓學(xué)生學(xué)會了如何給一個電容器充電,如何檢測電容器是否帶電．任務(wù)2和任務(wù)3可以讓學(xué)生真切感知到電容器的儲電量是由兩端電壓和電容器本身性質(zhì)共同決定的．在以上操作與探究過程中,學(xué)生需要全身心投入,在不斷試錯中,反復(fù)經(jīng)歷任務(wù)分析、方案設(shè)計、動手操作、提出質(zhì)疑、問題解決、作出解釋、交流評估等探究活動.這樣的過程可以讓學(xué)生體會到自主探究的艱辛,在具身實踐中收獲探究能力的提升．

4 基于核心問題,引領(lǐng)科學(xué)探究,發(fā)展思維品質(zhì)

培育學(xué)生科學(xué)探究的習(xí)慣,提升學(xué)生的思維品質(zhì),這是物理課程的核心任務(wù),也是落實物理學(xué)科核心素養(yǎng)的著力點．科學(xué)探究的素養(yǎng)是在科學(xué)探究的實踐中形成與發(fā)展的,教師應(yīng)以核心問題為導(dǎo)向,引領(lǐng)學(xué)生經(jīng)歷與科學(xué)家相似的科學(xué)探究過程,學(xué)著像科學(xué)家一樣思考問題,在學(xué)習(xí)與思索中,形成對客觀事物的本質(zhì)屬性、內(nèi)在規(guī)律的認(rèn)識與理解,將物理中蘊含的大量科學(xué)思維方法內(nèi)化為自身的思維方式,在潛移默化中發(fā)展思維品質(zhì)．“電容器的Q與U的具有什么定量關(guān)系?本課以此作為探究的核心問題．對于這個問題的解決,在探究方式上,學(xué)生可以同時經(jīng)歷理論和實驗兩種探究方式;在科學(xué)思維上,學(xué)生可以經(jīng)歷猜想、推理、設(shè)計、論證、倍增與倍減法、圖像法等思維方式．其探究活動過程設(shè)計如下.

(1) 提出問題.

既然電容器儲存的電量是由電容器兩端電壓U和電容器本身某性質(zhì)共同決定的?那么,如何來探究這種儲電性質(zhì)呢?方法是先要去探究“Q與U的定量關(guān)系”,然后在定量關(guān)系中找出隱含著的這種性質(zhì)．

(2) 理論推導(dǎo).

如圖5所示,由于電荷量Q與電壓U不好直接建立關(guān)系,為此引入中間量場強E作為聯(lián)接的紐帶．圖(b)中可以看出,如果電容器的帶電量從Q變成2Q,那么兩極板間的場強就從E變成2E,從而導(dǎo)出E∝Q;再根據(jù)U=Ed可導(dǎo)出U∝E;綜上兩式可得Q∝U．

圖5

(3) 實驗驗證.

自制恒流源,內(nèi)部電路如圖6所示,用恒定電流對電容器進(jìn)行線性充電,設(shè)計成實驗電路,如圖7所示．圖中mA表用來測量充電過程中的恒定電流,用電壓表或電壓傳感器來顯示充電過程中電容器電壓的變化．為延長充電時間,方便測量,電容器要選用大電容的．

圖6

圖7

向?qū)W生介紹實驗原理,因是恒定電流,所以Q∝t,則只要記錄下時間即可表示電容器帶電量的多少．這樣,測出電容器充到0.5 V、1.0 V、1.5 V、2.0 V…的時間,就可以得到Q、U的關(guān)系．

圖8

把班級學(xué)生分成幾個小組,每個小組學(xué)生,每人都拿著一只秒表,都負(fù)責(zé)記錄一項數(shù)據(jù),如電壓到達(dá)1.0 V時對應(yīng)的時間．采集到數(shù)據(jù)后,讓學(xué)生畫出Q-U圖像(如圖8所示),自行發(fā)現(xiàn)實驗規(guī)律．

(4) 質(zhì)疑創(chuàng)新.

教師向?qū)W生提出,如果沒有恒流源,只給你提供1個6 V穩(wěn)壓源、1只電壓表、4只相同的電容器、兩根導(dǎo)線,那么如何來證明Q與U成正比．類比庫侖實驗的思想,雖無法測出電量Q的具體數(shù)值,可以用倍減法的方法,用倍率來計量電量的大小．然后,引導(dǎo)學(xué)生提出實驗設(shè)想:先用穩(wěn)壓源給0號電容器充電,然后0號電容器先后分別與1號、2號、3號電容器(如圖9所示)并聯(lián)一段時間后移開,這樣1號、2號、3號電容器就分別帶上了Q/2、Q/4、Q/8的電量,教師演示學(xué)生的設(shè)想,獲得成功．

圖9

上述教學(xué)中,在實驗之前,先從理論上對Q與U的關(guān)系進(jìn)行科學(xué)推理,可以使學(xué)生明白知識的由來,掌握知識的來龍去脈,同時又可以促進(jìn)學(xué)生分析思維能力的提升．教材上推薦的實驗,是利用放電電流的非線性圖像,根據(jù)圖線與時間軸所圍的面積來測量Q,這種方法太過復(fù)雜,對學(xué)生的認(rèn)知水平要求過高,一般學(xué)生難以理解.上述教學(xué)中用恒定電流對電容器進(jìn)行線性充電的實驗,就可以很好地解決這一問題,而且這個實驗設(shè)計,還可提高學(xué)習(xí)的參與度和自主性．最后,通過限定實驗條件,提出更具思維挑戰(zhàn)性的問題,激發(fā)質(zhì)疑創(chuàng)新．

5 基于多維視角,引導(dǎo)多維論證,達(dá)成深度建構(gòu)

科學(xué)知識是多維的,要理解科學(xué)概念,就必須從不同的角度,運用分析的、解構(gòu)的方法才能揭示科學(xué)概念的本質(zhì)．此外,從多維視角去審視、理解同一個知識概念,把新的信息與大腦中已經(jīng)存儲的信息建立了多個鏈接,既強化了新知,也鞏固了舊識．基于多維視角,引導(dǎo)多維論證,達(dá)成深度建構(gòu),正是當(dāng)前深度學(xué)習(xí)的主要觀點．深度學(xué)習(xí)提倡將新概念與已知概念和原理聯(lián)系起來,整合到原有的認(rèn)知結(jié)構(gòu)中,同時,將對新知識的理解遷移應(yīng)用到新的不同情境中,從不同層面,不同角度加以審視,引導(dǎo)學(xué)生體驗知識與自身、與生活、社會、科技的關(guān)系,啟發(fā)學(xué)生深刻領(lǐng)會并掌握核心知識的符號意義、邏輯意義,體悟內(nèi)隱于知識最深層的意義與價值．電容是一個非常抽象的概念,要使學(xué)生對其建構(gòu)起深度理解,教學(xué)就必須是超越表層的符號,強調(diào)新舊知識整合,強調(diào)知識深度建構(gòu),對知識新信息予以多維加工、多維論證．關(guān)于電容的概念教學(xué),過程如下.

(1) 比值定義.

前面,通過理論和實驗的探究已得出Q∝U,引入比例系數(shù)C把式子變成等式Q=CU．聯(lián)系之前的結(jié)論:電容器儲存電量的多少是由電容器兩端電壓U和電容器本身某性質(zhì)共同決定的．兩者一對比,就可看出比例系數(shù)C就可以用來表示電容器本身的性質(zhì)(類比電場強度E和電勢差U的比值定義)．那么比值C=Q/U反映地是電容器的什么性質(zhì)呢?

(2) 類比分析.

如圖10(a)所示,兩電容器(C1

如圖10(b)所示,兩電容器(C1U2．類比兩只橫截面積不同的水容器灌上相同體積的水量,可以看出橫截面積大的水容器的水面上升得低,反映出儲水本領(lǐng)大．

圖10

綜上可以得出,比值C越大,電容器容納電荷的本領(lǐng)就越大,具體表現(xiàn)為相同電壓時,容納的電荷越多,儲存相同電量時,電位升得越低．

(3) 實驗論證.

展示兩個實驗用的電容器的銘牌,讀出并比較電容值,解釋擊穿電壓．為進(jìn)一步增加對電容概念的感性認(rèn)識,教師再用兩個電容器,用同一高壓電源進(jìn)行充電,然后再放電,觀察比較放電火光和聲響的差異．

(4) 聯(lián)系實際.

先向?qū)W生演示相機閃光,并介紹閃光燈的內(nèi)部結(jié)構(gòu)及工作原理,指出閃光燈的電容一般是330 V的200-400 μF的高壓電容．然后向?qū)W生介紹上海使用超級電容器作新型電車的試驗,使他們知道超過1 F的電容器也是可以實現(xiàn)的,自進(jìn)入21世紀(jì)以來,電容超過1000 F的電容器已經(jīng)大規(guī)模生產(chǎn),并得到廣泛應(yīng)用．

在本課設(shè)計中,電容概念的形成與發(fā)展過程,就是一個知識探究的過程．在作出比值定義前,其實已經(jīng)歷了兩個探究過程： (1) 通過“提出任務(wù)——方案設(shè)計——實驗操作——交流評估”探究儲電多少的決定因素； (2) 通過“提出問題——理論推導(dǎo)——實驗驗證——質(zhì)疑創(chuàng)新”探究Q與U的定量關(guān)系.這兩個探究為電容概念的建構(gòu)與理解提出了有力支撐.在此基礎(chǔ)上,再通過“比值定義——類比分析——實驗論證——聯(lián)系實際”的過程,促成了電容概念的意義建構(gòu)．

6 基于價值引領(lǐng),融入價值體驗,培育科學(xué)態(tài)度責(zé)任

科學(xué)態(tài)度與社會責(zé)任反映了物理學(xué)習(xí)更高層次的價值追求,凸顯物理學(xué)科培育情感態(tài)度和價值觀的目標(biāo)追求．培育學(xué)生科學(xué)責(zé)任與態(tài)度是物理教學(xué)落實立德樹人目標(biāo)的根本要求也是重要體現(xiàn)．物理知識規(guī)律的探究與發(fā)現(xiàn)凝結(jié)著物理學(xué)家執(zhí)著探索的精神、崇尚真理的意識和刻苦艱辛的努力．物理的研究必須要嚴(yán)謹(jǐn)求實、尊重事實、開拓進(jìn)取的,也需要面對挫折不懼艱辛、面對權(quán)威敢于質(zhì)疑,這些都是科學(xué)精神、科學(xué)態(tài)度的具體表現(xiàn)．應(yīng)用科學(xué)知識創(chuàng)造出科學(xué)技術(shù),可以幫助人類改造世界、創(chuàng)造美好生活,而這是科學(xué)價值觀的體現(xiàn)．本節(jié)課通過讓學(xué)生經(jīng)歷模型建構(gòu)、自主實驗、理論推導(dǎo)、實驗驗證等科學(xué)探索過程,努力培育學(xué)生的科學(xué)精神與科學(xué)態(tài)度．通過儲電瓶和儲電盆實驗讓學(xué)生體會到“物理源于生活”,再通過對閃光燈、超級電容器的介紹,讓學(xué)生領(lǐng)會到“物理回饋生活”的科學(xué)價值觀念．

結(jié)語: 在信息化時代,教師應(yīng)當(dāng)是深度教學(xué)的踐行者,是學(xué)生核心素養(yǎng)的培育者.把教師外在的教學(xué)期望轉(zhuǎn)化為學(xué)生內(nèi)在的學(xué)習(xí)愿望,把生硬的教學(xué)內(nèi)容轉(zhuǎn)化為生動的教學(xué)材料.通過情境創(chuàng)設(shè),引導(dǎo)學(xué)生去思考和體會情境所蘊含豐富的思想和情感內(nèi)容.通過層層問題,啟發(fā)學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中質(zhì)疑、批判、深入思考,促進(jìn)學(xué)生學(xué)得高效、愉快、透徹.引領(lǐng)學(xué)生逐步成長為有思想、有能力、有高級情感、有積極人生觀、價值觀的未來文化人．