裴姍姍 袁 勇 李小鋒

(湛江市第二中學(xué),廣東 湛江 524022)

自20世紀(jì)80年代美國海斯特斯(Hestenes)創(chuàng)立科學(xué)建模理論以來,科學(xué)建模能力受到了廣泛關(guān)注.[1]我國教育部制定的《普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)(2020年修訂)》中提出:科學(xué)思維是從物理學(xué)視角對客觀事物的本質(zhì)屬性、內(nèi)在規(guī)律及相互關(guān)系的認(rèn)識方式;是基于經(jīng)驗事實建構(gòu)理想模型的抽象概括過程.[2]可見,模型構(gòu)建是學(xué)科核心素養(yǎng)的重要組成部分,是培養(yǎng)和提升學(xué)生科學(xué)建模能力的必經(jīng)過程.

物理概念是某類物理現(xiàn)象和物理過程的共同性質(zhì)和本質(zhì)特性在人們頭腦中的反映,是對物理現(xiàn)象、物理過程抽象化和概括化的思維形式.[3]這一性質(zhì)決定了物理概念的抽象性和概括性．因此,物理概念教學(xué)更需要概念模型的建構(gòu).在教學(xué)中我們發(fā)現(xiàn)大部分學(xué)生對物理概念的理解比較碎片化,較少學(xué)生能科學(xué)、靈活地利用物理概念分析物理現(xiàn)象或解決實際問題.這說明學(xué)生在對經(jīng)驗事實進(jìn)行抽象概括的過程中沒有建立完善的、科學(xué)的物理模型,沒有認(rèn)識到客觀事物的本質(zhì)屬性或內(nèi)在規(guī)律及關(guān)系.因此,如何在學(xué)生頭腦中建構(gòu)科學(xué)的物理概念模型成為物理教學(xué)的重中之重.

高二物理“電容器的電容”是一節(jié)典型的物理概念課.很多教師直接教給學(xué)生一些干癟癟的定義、公式和規(guī)律,然后通過大量習(xí)題鞏固知識.很少教師會引導(dǎo)學(xué)生經(jīng)歷科學(xué)的思維過程,用科學(xué)的物理語言描述電容器的結(jié)構(gòu)、充放電原理及功能.這樣的學(xué)習(xí)過程較為乏味枯燥,難形成持久記憶,不容易形成物理觀念,也不容易培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)態(tài)度與責(zé)任.經(jīng)過教學(xué)反思和研究后,我們發(fā)現(xiàn)在教學(xué)中采用科學(xué)建模的方法能夠有效地幫助學(xué)生認(rèn)識電容器和電容,了解電容器的功能和應(yīng)用,形成完整的、科學(xué)的概念模型.

1 科學(xué)建模的內(nèi)涵

模型是對真實世界的一種表征,可以對物體、事件、系統(tǒng)、過程、物體或事件間的關(guān)系等進(jìn)行表征.海斯特斯(Hestenes)認(rèn)為,物理研究(或?qū)W習(xí))的過程即對自然世界建模的過程.科學(xué)建模能力是針對自然現(xiàn)象抽象出其主要特征,依據(jù)科學(xué)直覺建構(gòu)其關(guān)系、結(jié)構(gòu)等概念模型,并用科學(xué)語言進(jìn)行表征的能力.[4]科學(xué)建模能力不僅是科學(xué)本質(zhì)的要求,也是物理學(xué)科教學(xué)的核心價值之一.美國NRC提出,應(yīng)在所有學(xué)段中培養(yǎng)學(xué)生的建模能力,并提出建模是一種核心素養(yǎng).[1]2010年美國密歇根頒布的《高級中學(xué)課程內(nèi)容期望》中將模型和理論放在了知識和實踐的金字塔的頂端,如圖1所示.[4]芬蘭的高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)和澳大利亞維多利亞州物理課程標(biāo)準(zhǔn)都強(qiáng)調(diào)建模的重要性.[2]

圖1 美國《高級中學(xué)課程內(nèi)容期望》科學(xué)素養(yǎng)的實踐

北京師范大學(xué)郭玉英和翟小銘認(rèn)為,科學(xué)建模能力是主體意識對客體現(xiàn)象復(fù)雜加工過程中表現(xiàn)出來的個性化心理品質(zhì),建模從原有認(rèn)知、觀察和分析物理現(xiàn)象中形成初步的心智模型,然后通過推理、論證等復(fù)雜的認(rèn)知行為對心智模型進(jìn)行修正,最后形成概念模型.科學(xué)建模能力是一種主動的內(nèi)隱的心智行為能力,是一種外顯的科學(xué)探究能力.[1]袁勇老師認(rèn)為培養(yǎng)和提升學(xué)生的科學(xué)建模能力可以參考如圖2的教學(xué)流程圖.[5]

圖2 科學(xué)建模能力培養(yǎng)流程

郭玉英提出物理概念教學(xué)的3個環(huán)節(jié):創(chuàng)設(shè)物理情境,引入物理概念;運(yùn)用科學(xué)思維方法,引導(dǎo)學(xué)生建立物理概念;選擇具體問題,運(yùn)用物理概念.[3]高中生正處于一個由感性認(rèn)識、形象思維向理性認(rèn)識、邏輯思維轉(zhuǎn)變的過程,[6]并逐步形成獨(dú)立分析問題、辯證思考的思維習(xí)慣.情境為學(xué)生認(rèn)識物理現(xiàn)象和物理過程提供了真實的、形象的研究背景,形成學(xué)生直觀的感性認(rèn)知,引發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣和探索的好奇,初步建立學(xué)生的心智模型.借助科學(xué)建模理論,引導(dǎo)學(xué)生分析物理現(xiàn)象和過程,通過表征表述等方式使學(xué)生的心智模型外顯,暴露出學(xué)生錯誤或片面的前概念.經(jīng)歷分析與綜合、抽象與概括等過程讓學(xué)生抽取出能描繪所研究內(nèi)容的元素或參數(shù).結(jié)合定性和定量的物理實驗,運(yùn)用推理論證、分析解釋、質(zhì)疑創(chuàng)新等科學(xué)方法,找出元素或參數(shù)之間的關(guān)系,建構(gòu)足以正確描述、解釋研究對象的科學(xué)的物理概念模型.最后利用概念模型解釋生產(chǎn)和生活中的問題,補(bǔ)充和完善物理概念模型,并將概念模型內(nèi)化為學(xué)生自己的物理觀念,形成對科學(xué)本質(zhì)的認(rèn)識,培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)態(tài)度和責(zé)任,落實立德樹人的根本任務(wù).

結(jié)合以上理論分析和研究,本文以人教版必修3第10章第4節(jié)“電容器的電容”一節(jié)為例,探討如何采用科學(xué)建模的方法進(jìn)行物理概念的教學(xué).

2 科學(xué)建模流程

根據(jù)物理概念教學(xué)的特點(diǎn),結(jié)合科學(xué)建模理論和學(xué)習(xí)進(jìn)階理論,[7]本節(jié)課設(shè)計了感知、認(rèn)知及拆解電容器,認(rèn)識電容器的結(jié)構(gòu),建立電容器的實物模型;定性和定量地分析電容器充放電過程中電流和電壓隨時間變化的特點(diǎn),了解電容器充放電的原理,利用比值定義法定義電容,建立電容的概念模型;探究平行板電容器電容的決定因素,對電容的概念模型進(jìn)行補(bǔ)充;經(jīng)歷解釋電容器結(jié)構(gòu)及應(yīng)用電容器等環(huán)節(jié),對概念進(jìn)行拓展遷移和學(xué)習(xí)應(yīng)用,最終在學(xué)生頭腦中建立關(guān)于電容器和電容的形象和抽象、定性和定量、理論與應(yīng)用相聯(lián)系的完整的科學(xué)模型.教師通過問題串的形式引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行科學(xué)建模、科學(xué)推理和科學(xué)探究過程,培養(yǎng)學(xué)生實事求是、追求本質(zhì)、創(chuàng)新、合作分享的精神,以及利用物理知識服務(wù)社會的科學(xué)態(tài)度與責(zé)任.科學(xué)建模教學(xué)流程如圖3所示.

圖3 “電容器的電容”科學(xué)建模教學(xué)流程圖

3 科學(xué)建模的物理概念課的教學(xué)設(shè)計與實踐分析

電容器在日常生活中的應(yīng)用非常廣泛,但學(xué)生很少直接地認(rèn)識電容器,頭腦中基本沒有關(guān)于電容器的概念.本節(jié)課通過科學(xué)建模的方法將抽象的物理概念與實驗現(xiàn)象相結(jié)合,將理論與實際相聯(lián)系,幫助學(xué)生建立電容器和電容的概念模型.

3.1 創(chuàng)設(shè)情境,認(rèn)識電容器的定義、功能和結(jié)構(gòu),形成心智模型

通過創(chuàng)設(shè)情境,讓學(xué)生通過切身體驗認(rèn)識電容器的特點(diǎn),引出新的物理概念.

3.1.1 情境1:水杯“裝電” 感知電容器的功能

教師:在塑料水杯的內(nèi)壁和外壁分別貼上一層錫紙,利用感應(yīng)起電機(jī)使水杯的內(nèi)壁和外壁上分別帶上等量的異種電荷,如圖4所示.教師手拿水杯,請一位同學(xué)將手指伸進(jìn)水杯,同時觸碰水杯的內(nèi)外壁.

圖4 水杯“裝電”實驗

學(xué)生:觸碰水杯的同學(xué)突然將手抽出并有尖叫.

教師:我們知道水杯可以裝水,但從剛才同學(xué)的反映,可以推測水杯也“裝進(jìn)”了電荷,像這樣可以儲存電荷的容器,我們稱之為電容器.

設(shè)計意圖:學(xué)生從具體情境出發(fā),認(rèn)識水杯可以“裝電”,引出電容器的概念,形成簡單的心智模型,引起學(xué)生探索的興趣.

實踐分析:當(dāng)全班學(xué)生看到觸摸水杯的學(xué)生突然將手抽出并有尖叫,都出乎意料,感到非常驚訝和好奇,都在猜想.教師及時詢問學(xué)生有何感覺,該學(xué)生說“被電了一下”,教師順其自然地推理得出“水杯是可以裝電的”,引出電容器的概念.

3.1.2 情境2:拆解電容器,認(rèn)識電容器結(jié)構(gòu)

教師:展示電路板圖片,上面的黑色圓柱體就是電容器.要知道它為什么能夠儲存電荷,就先研究電容器的基本結(jié)構(gòu).學(xué)生們的桌面上教師已經(jīng)提前準(zhǔn)備好了電容器,請大家將電容器進(jìn)行拆解,觀察其內(nèi)部結(jié)構(gòu).

學(xué)生:拆開電容器并觀察結(jié)構(gòu).

教師:紙帶浸了電解液后可以導(dǎo)電,鋁片上涂了一層很薄的氧化膜使鋁片與紙帶彼此絕緣,這就是電容器的基本結(jié)構(gòu).鋁片和紙帶分別稱為電容器的極板,使兩極板絕緣的氧化膜稱為電介質(zhì),這種電容器叫做平行板電容器,也叫電解電容器,是最常見的電容器.人們根據(jù)電容器的結(jié)構(gòu)設(shè)計了電容器的符號.

設(shè)計意圖:教師創(chuàng)設(shè)真實的教學(xué)環(huán)境,學(xué)生帶著探索的欲望動手拆解電容器,形成深刻的學(xué)習(xí)體驗.讓學(xué)生用物理語言描述電容器的結(jié)構(gòu),與水杯進(jìn)行比較,迅速洞察研究對象的本質(zhì)屬性,將形象的結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)化為抽象的物理模型,使學(xué)生的心智模型外顯,建構(gòu)電容器的實物模型.

實踐分析:學(xué)生在拆解過程中,同桌配對,你爭我搶,都沉浸在拆開圓形電容器的活動中.大部分學(xué)生一時找不到合適的地方入手,耐心嘗試,尋找突破口,先打開外層的塑料膜,再小心翼翼地打開內(nèi)部小卷.卷著的鋁片和紙帶在學(xué)生手中慢慢打開,有學(xué)生感慨:“只有一條金屬片和紙帶呀”,“味道好難聞”,“怎么濕濕的”.描述電容器的結(jié)構(gòu)時,學(xué)生的回答是一條金屬片和一條紙帶卷在一起.教師詢問金屬片和紙帶是如何卷在一起的,有學(xué)生回答是緊挨在一起的,有學(xué)生回答是平行放置的.教師讓學(xué)生再次觀察并確認(rèn)是否平行.為什么紙帶是濕濕的?金屬片是鋁片,兩面的顏色一樣嗎?學(xué)生卻說不出原因.當(dāng)教師介紹紙帶濕濕的是因為浸了電解液,使其能導(dǎo)電,難聞的味道也是電解液的味道;鋁片的啞光面是涂了氧化膜,使鋁片和紙帶彼此絕緣,學(xué)生恍然大悟.有學(xué)生主動提出剛才實驗的水杯也是類似的結(jié)構(gòu)時,其他學(xué)生表示非常的贊同.在這個過程中,學(xué)生鍛煉了動手操作能力,學(xué)會了觀察、描述、對比和聯(lián)想,基本上知道電容器的基本結(jié)構(gòu).

3.2 表征表述,心智模型外顯,分析電容器的充放電現(xiàn)象

3.2.1 演示實驗1:電容器使二極管發(fā)光——了解充電和放電

教師:電容器真的能儲存電荷嗎?我們用實驗來驗證.將未充電的電容器與二極管相連,二極管不亮;將電容器與電源相連,再將電容器與二極管接通,發(fā)現(xiàn)二極管發(fā)光,隨后亮度越來越弱.

教師引導(dǎo)學(xué)生分析二極管發(fā)光證明電容器的確儲存了電荷,這個過程中電容器在放電;電容器與電源接通時給電容器充電.在充放電的過程中伴隨著電荷的移動,因此電路中有了電流.

3.2.2 演示實驗2:電容器的充電和放電——定性分析

教師介紹電容器充電和放電的實驗裝置,電路原理如圖5所示,電路實物如圖6所示.6 V直流電源與單刀雙擲開關(guān)、電流表、電容器和電阻(5 Ω)串聯(lián)在一起,形成一個充電電路,二極管與單刀雙擲開關(guān)、電流表、電容器和電阻(5 Ω)串聯(lián)在一起,形成一個放電電路.演示充放電時請學(xué)生觀察電流表指針的變化有何不同,采用手機(jī)投屏的方式,將電流表的影像投影在大屏幕上供學(xué)生觀察.

圖5 電容器的充/放電原理圖

圖6 電容器的充/放電實物圖

教師:電容器的充電和放電過程中電流表指針偏轉(zhuǎn)方向相同嗎?為什么會出現(xiàn)這種現(xiàn)象呢?請獨(dú)立分析后同桌兩人輪流說出充電和放電過程中電流的方向.[8]

學(xué)生:首先獨(dú)立分析,然后同桌A分析充電過程電流的方向和大小的變化,同桌B認(rèn)真傾聽;接著同桌B分析放電過程電流的方向和大小的變化,同桌A認(rèn)真傾聽,統(tǒng)一觀點(diǎn).最后請一組同學(xué)向全班同學(xué)匯報,分析過程注意語言表述應(yīng)該簡潔準(zhǔn)確.

教師:充電和放電過程中能量是如何轉(zhuǎn)化的呢?

學(xué)生:充電時電源的能量轉(zhuǎn)化為電容器的電場能,放電時電容器的電場能轉(zhuǎn)化為其他形式的能.

設(shè)計意圖:在演示實驗的過程中,讓學(xué)生觀察和獨(dú)立分析實驗現(xiàn)象,學(xué)會用物理語言描述實驗現(xiàn)象.獨(dú)立分析是學(xué)生邏輯思維整理的過程,表述是心智模型外顯的過程.通過學(xué)生間的表述和對比,學(xué)生能夠反思自己的觀點(diǎn),將迷思概念呈現(xiàn)出來并及時進(jìn)行修正,認(rèn)識電容器充放電過程中兩極板上電荷的變化.

實踐分析:經(jīng)過1 min短暫又安靜地獨(dú)立分析后,班級學(xué)生同桌配對輪流解釋實驗現(xiàn)象,每位學(xué)生都能認(rèn)真描述和靜心傾聽.當(dāng)遇到有爭議的問題時會停下來反思并討論,學(xué)生的觀察與思考、合作和交流能力得到了提升.在匯報時,學(xué)生說“充電時電流經(jīng)過電容器”,其他學(xué)生立刻表示質(zhì)疑和反對,“兩極板之間是絕緣的,電流無法流經(jīng)電容器”.匯報學(xué)生立刻意識到問題所在,重新進(jìn)行知識整合:充電時,電容器與電源正極相連的正極板失去自由電子帶上正電,與電源負(fù)極相連的負(fù)極板得到電子帶上負(fù)電,電子在電容器兩極板與電源之間發(fā)生轉(zhuǎn)移,沒有穿過電容器.放電時,電容器負(fù)極板的自由電子經(jīng)過二極管與正極板的正電荷中和.因此充放電過程中電流都沒有從電容器的兩極板之間流過.有學(xué)生仍有迷惑不解,教師詢問“大家對以上解釋還有什么疑問嗎”,一個學(xué)生說電容器兩極板間是絕緣的,沒有導(dǎo)通,相當(dāng)電路斷開,整個電路不是一個閉合回路,如何能夠產(chǎn)生電流呢?全班學(xué)生陷入了沉思.教師立刻讓學(xué)生4人一組進(jìn)行討論和交流,2 min后,請一組學(xué)生匯報討論結(jié)果——因為充放電過程中電荷發(fā)生了定向移動,所以產(chǎn)生了電流,但仍有一小部分學(xué)生還是無法接受這一事實,教師進(jìn)行解釋,判斷電流產(chǎn)生的基本依據(jù)是電荷是否發(fā)生定向移動.學(xué)生在質(zhì)疑和合作學(xué)習(xí)過程中轉(zhuǎn)變了有關(guān)閉合電路中電流形成的迷思概念,有效促進(jìn)了學(xué)生科學(xué)模型的建構(gòu).

3.2.3 演示實驗3:電容器的充電和放電——定量分析

教師:電容器在充放電過程中電流的方向會發(fā)生改變,電流的大小隨時間如何變化呢?電容器兩極板帶上電荷時兩板間存在電壓,電壓隨時間如何變化呢?

教師介紹實驗裝置的變化,將圖5的電流表改為電流傳感器,并在電容器兩端連接電壓傳感器,利用DISLab8.0采集電容器充放電過程電流和電壓隨時間變化的圖像,結(jié)果如圖7所示.

圖7 電容器充/放電過程I-t圖像與U-t圖像

學(xué)生:獨(dú)立分析在充電和放電過程中電流和電壓隨時間變化的特點(diǎn).

設(shè)計意圖:對電容器充放電現(xiàn)象的描述從定性分析過渡到定量分析,引導(dǎo)學(xué)生學(xué)會抽取合適的物理參數(shù),用參數(shù)描述物理現(xiàn)象,挖掘現(xiàn)象背后的本質(zhì),通過表述的過程外顯學(xué)生心智模型,為建立電容的概念模型做準(zhǔn)備.

實踐分析:學(xué)生看到利用傳感器可以繪制電流和電壓隨時間變化的圖像感到非常新奇,提出重新繪制圖像的要求,觀察多次繪制的圖像是否相同.隨著教師的重復(fù)操作,學(xué)生跟著圖像的繪制過程容易說出電流和電壓的變化特點(diǎn).“充電時電流瞬間很大,之后迅速減小為0.放電時電流反向瞬間很大,又迅速減小為0”,“充電時電壓迅速增大為一個恒定值后保持不變,放電時迅速減小為0”,“繪制的電流圖像和剛才的電流表指針偏轉(zhuǎn)很像”.教師緊接著問充電時電路中有電流,說明兩極板上逐漸儲存了電荷,若一直有電流會如何?學(xué)生緊接著回答電容器儲存的電荷會一直增加.教師再問,隨著兩極板電荷的增加,兩極板間的電壓越來越大,為什么圖像中電壓有一個最大值呢?學(xué)生一時無法解釋,教師引導(dǎo)學(xué)生分析.這是由于電源正極和電容器正極板間存在電勢差,電源負(fù)極和電容器負(fù)極板間存在電勢差,所以才形成了電流.隨著兩極板電荷的增加,這個電勢差越來越小,當(dāng)電源正極與電容器正極板電勢相等,電源負(fù)極與電容器負(fù)極板電勢相等,電路中沒有電流,電容器的電荷量不再改變,兩極板間電壓保持恒定不變.實驗測量結(jié)果與理論分析相輔相成,學(xué)生認(rèn)識到研究物理問題的基本方法,對電容器的實物模型建構(gòu)的更加完善,電容的概念模型呼之欲出.

3.3 推理論證,質(zhì)疑創(chuàng)新,初步建立電容的概念模型

教師:充電的過程中電容器兩極板上帶了等量的異種電荷,隨著充電過程的進(jìn)行兩極板的電量越來越多,電壓越來越大,這其中有什么聯(lián)系嗎?

教師介紹電流的定義I=Q/t,引導(dǎo)學(xué)生認(rèn)識I-t圖像中圖像與時間軸圍城的面積表示這段時間內(nèi)電路中通過的電量Q,若是充電過程,圖像代表電容器儲存的電量;若是放電過程則為電容器釋放的電量.

利用圖5的裝置，選擇電容為1000 μF的電容器1和電容為470 μF的電容器2，分別測量在不同電壓下電容器充電過程中電流隨時間變化的關(guān)系圖，并利用DISLab8.0中的積分功能求出圖像與時間軸圍城的面積，得出電容器充電完成時電容器所帶的電量Q，數(shù)據(jù)如表1所示.利用Excel描繪兩個電容器所帶電量Q與兩極板間電壓U之間的關(guān)系圖，如圖8所示.

表1

圖8 電容器極板電量Q與所加電壓U的關(guān)系圖像

教師:請同學(xué)們分析圖像中電量Q與電壓U之間的關(guān)系,同一個電容器所帶電量Q與兩極板間電壓U的關(guān)系如何?不同電容器對應(yīng)的關(guān)系又有何不同?

結(jié)合學(xué)生的分析,教師引導(dǎo)學(xué)生認(rèn)識電荷量Q與電壓U的比值可以用來描述電容器儲存電荷的特性,從而引出電容的定義.

設(shè)計意圖:通過實驗現(xiàn)象和理論推理,利用圖像和公式得出電容器所帶電量Q與兩極板間的電壓U的關(guān)系,通過質(zhì)疑等過程加深理解,建立正確的電容概念模型,并培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)思維,讓學(xué)生感受數(shù)學(xué)與物理的完美結(jié)合.

實踐分析:教師分別請學(xué)生從不同的角度對電量和電壓之間的關(guān)系圖像進(jìn)行解讀,有學(xué)生認(rèn)為對于同一個電容器,兩極板間電壓U越大,所帶電量Q越多;所帶電量Q與兩極板間電壓U的比值是一定的,不同電容器比值不同;兩極板間電壓相同時,電容器1所帶電量Q更大;兩圖像斜率不同;兩個電容器儲存電荷的特性不同.學(xué)生每聽到一種解釋方法都佩服地鼓掌和贊嘆,解讀的過程提升了學(xué)生的分析與綜合的能力,增強(qiáng)了學(xué)生采用科學(xué)的語言描述物理現(xiàn)象的能力.教師順利地引導(dǎo)學(xué)生推導(dǎo)出用電荷量與電壓的比值描述電容器儲存電荷的特性.教師再次提出疑問,電容器的電容是否決定于所帶電荷量或電壓呢?有學(xué)生會不假思索地表示肯定,隨即被別的學(xué)生否定,電容是電容器自身的特性,與是否儲存電荷、是否施加電壓無關(guān),這個比值只定義電容,不是電容的決定式.

3.4 參數(shù)分析,修正電容的概念模型

教師:介紹電容的單位,讓學(xué)生觀察所拆解的電容器外殼上的參數(shù),找出電容的大小.

學(xué)生:有220 μF、470 μF和1000 μF,還有35 V和50 V.

設(shè)計意圖:創(chuàng)設(shè)真實的情境,讓學(xué)生學(xué)會讀取電學(xué)元件的參數(shù),從電容器外殼的實際參數(shù)上認(rèn)識電容的單位和工作電壓,給學(xué)生最直觀的認(rèn)識和對比.通過實際分析進(jìn)一步認(rèn)識抽象的物理概念,修正對電容參數(shù)的理解,逐步完善電容的概念模型.

實踐分析:學(xué)生拿出自己的電容器,翻轉(zhuǎn)著尋找外殼上的參數(shù).有學(xué)生早早地找到說出“220 μF”、“470 μF”和“1000 μF”,還有學(xué)生說出“35 V”、“50 V”的數(shù)據(jù).教師問為什么單位都是“μF”時,教室瞬間安靜了.經(jīng)過短暫的思考后,有學(xué)生提出電量的單位庫侖是非常大的單位,因此電容的單位“F”也應(yīng)該很大,所以一般常用到的應(yīng)該比較小,即“μF”.當(dāng)教師追問電壓的意義時,大部分學(xué)生脫口而出的是“這是電容器工作時所施加的電壓”.當(dāng)教師再次問到,只能給電容器施加35 V或50 V的電壓嗎?電壓再低一些可以嗎?學(xué)生肯定地回答“電壓可以更低”.但是電壓更高了會如何呢?學(xué)生不知如何作答.教師解釋電容器的兩極板是絕緣的,當(dāng)電壓更高時,電容器的電介質(zhì)有被擊穿的危險,使得兩極板導(dǎo)通而破壞,因此電容器外殼的電壓是電容器工作時的額定電壓.

3.5 質(zhì)疑創(chuàng)新,補(bǔ)充電容的概念模型

教師:既然電量和電壓不影響電容,什么因素會影響電容器的電容呢?由于電容器的種類很多,我們選擇常見的平行板電容器進(jìn)行分析.請學(xué)生們觀察平行板電容器的結(jié)構(gòu),猜想可能有哪些因素會影響電容器的電容.

學(xué)生:兩極板的材料、距離、正對面積、電介質(zhì)、溫度、濕度等等因素可能會影響電容器儲存電荷的特性.

實驗方案:請同桌兩人合作設(shè)計可行的實驗方案,確定需要測量的物理量及實驗步驟,教師請一組學(xué)生匯報,其他學(xué)生協(xié)助完善實驗方案,最后進(jìn)行實驗探究.

尋找證據(jù):保持兩極板電荷量不變,通過靜電計測量兩極板間電壓,利用控制變量法探究各個可能的影響因素,分別改變兩極板間的距離d、正對面積S和電介質(zhì)等等,請4名學(xué)生配合進(jìn)行實驗操作,其他學(xué)生觀察并記錄實驗現(xiàn)象.由于授課環(huán)境比較潮濕,利用烤燈照射實驗器材,利用抽濕機(jī)對教室進(jìn)行抽濕,為實驗操作提供足夠干燥的環(huán)境.

解釋交流:同桌兩人分析并解釋實驗現(xiàn)象,分析不同因素對電容的影響,得出初步的結(jié)論.

設(shè)計意圖:引導(dǎo)學(xué)生對電容器儲存電荷特性提出質(zhì)疑,猜測可能的影響因素,設(shè)計探究方案,學(xué)會使用控制變量法研究問題,尋找證據(jù)、解釋現(xiàn)象和分析交流,逐步總結(jié)影響平行板電容器電容的影響因素,得出電容的決定式,補(bǔ)充電容的概念模型.讓學(xué)生經(jīng)歷科學(xué)探究的過程,體會探索物理規(guī)律的不易和樂趣.

實踐分析:猜測可能影響因素時,學(xué)生爭先恐后地提出自己的想法,如材料、距離、正對面積、電介質(zhì)、環(huán)境等等,教師詢問環(huán)境指的是什么時,學(xué)生會補(bǔ)充說溫度、濕度、光照等等．學(xué)生積極尋找可能因素,并盡可能全面的收集信息,這是科學(xué)探究的猜想過程.設(shè)計實驗方案時,全班學(xué)生一致同意采用控制變量法.但在實驗操作過程中,改變兩極板的距離時,距離太遠(yuǎn)時靜電計指針沒有變化,過于靠近時兩極板發(fā)生放電導(dǎo)致指針迅速閉合,學(xué)生一次次調(diào)整距離,終于在兩極板相距5 cm左右時指針變化最為明顯.改變電介質(zhì)時,插入木板或玻璃時總會碰到其中一個極板導(dǎo)致指針偏轉(zhuǎn)不穩(wěn)定,學(xué)生需要一次次小心嘗試,同時靜電計指針偏角在30°～45°之間時,插入電介質(zhì)指針偏轉(zhuǎn)變化最為明顯.改變正對面積時,盡可能使移動過程中兩極板保持平行,并且移動速度要快,才能使指針變化很明顯.實驗過程充滿了一遍又一遍的重復(fù),在重復(fù)過程中學(xué)生不斷進(jìn)行反思和改進(jìn),任何一步操作都屏住呼吸,生怕出現(xiàn)錯誤,當(dāng)實驗現(xiàn)象終于明顯時全班學(xué)生都露出成功的喜悅笑容.學(xué)生能夠深切體會到科學(xué)探索過程的嚴(yán)謹(jǐn)和艱辛,對待知識充滿了敬畏,更堅定對追求科學(xué)本質(zhì)的決心.

3.6 拓展遷移,模型應(yīng)用,完善電容的概念模型

教師提出問題,學(xué)生結(jié)合本節(jié)課所學(xué)知識進(jìn)行分析和討論,加深對電容器的理解.

問題1:請同學(xué)們解釋課程引入中水杯的“裝電”原理與電容器的原理有何相似之處.

問題2:請同學(xué)們重新觀察并解釋所拆解過的電容器的結(jié)構(gòu),為什么作為電介質(zhì)的氧化膜非常薄?為什么鋁片和紙帶設(shè)計得很長?為什么將鋁片和紙帶卷成圓柱狀?

問題3:教師展示可變電容器的動畫,請同學(xué)們分析它們有什么設(shè)計特點(diǎn).

問題4:請大家結(jié)合電容器的特點(diǎn),設(shè)想電容器可以應(yīng)用在哪些方面?利用接龍的方式提出自己的設(shè)想.教師補(bǔ)充介紹電容器在當(dāng)今社會的科技、能源、醫(yī)療、軍事等方面的應(yīng)用.

設(shè)計意圖:解釋電容器的結(jié)構(gòu)與課堂引入首尾呼應(yīng),有助于學(xué)生對電容器和電容的實物模型和概念模型的理解.將電容器拓展至實際應(yīng)用中,將理論與實際相結(jié)合,完善對電容器和電容模型的建構(gòu),提高學(xué)生利用物理知識服務(wù)社會的責(zé)任心,最終達(dá)到立德樹人的目標(biāo).

實踐分析:當(dāng)教師再次拿出水杯時,學(xué)生紛紛舉手要解釋水杯“裝電”的原理,水杯相當(dāng)于電介質(zhì),內(nèi)外兩層錫紙相當(dāng)于兩個極板,構(gòu)成了一個簡易的電容器,所以可以儲存電荷.拆解的電容器之所以長是增加正對面積,氧化膜薄使兩極板距離變小,都是為了增大電容器的電容,可以儲存更多的電量,卷起來是為了體積小.可變電容器改變了兩極板的正對面積.這些原因不等教師詢問,學(xué)生已經(jīng)在座位上積極解釋起來,此時,電容器的模型已經(jīng)內(nèi)化為學(xué)生自己的物理知識了.當(dāng)接龍時,很多學(xué)生一下子說出多個應(yīng)用,如閃光燈、電磁炮、理發(fā)器、充電器、剃須刀、手電筒等,最后一個學(xué)生總結(jié)道,凡是用到電的地方都可以用到電容器.

4 總結(jié)與反思

本節(jié)課的設(shè)計結(jié)合科學(xué)建模的理論、物理核心素養(yǎng)的要求和物理概念教學(xué)的基本方法,在具體環(huán)節(jié)中,盡可能創(chuàng)設(shè)真實的情境,讓學(xué)生通過親身體驗并感知電容器.通過表征表述,使學(xué)生的心智模型外顯,引導(dǎo)學(xué)生認(rèn)識電容器的結(jié)構(gòu)和功能,抽取描繪電容的參數(shù),找出參數(shù)之間的正確關(guān)系,建立基本的概念模型.通過推理論證、參數(shù)分析、模型修正和補(bǔ)充、反復(fù)質(zhì)疑創(chuàng)新等過程,將內(nèi)隱的心智模型呈現(xiàn)出來.從現(xiàn)象到本質(zhì),從定性分析到定量分析,從理論到應(yīng)用,科學(xué)建構(gòu)出能夠正確地描述和解釋電容器的實物模型和概念模型.整個過程以學(xué)生為主,逐步提升學(xué)生科學(xué)思維和探究能力,提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣、自我滿足感和合作交流能力,形成了學(xué)生追求科學(xué)本質(zhì)的態(tài)度,增強(qiáng)了利用物理知識服務(wù)社會的責(zé)任心,發(fā)展了學(xué)生的物理核心素養(yǎng),最終落實立德樹人的根本任務(wù).