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        創(chuàng)新實驗教學(xué)設(shè)計 落實物理核心素養(yǎng)——以“電容器的電容”教學(xué)為例

        2021-10-15 15:18:48何仕乾李學(xué)平
        物理教師 2021年9期
        關(guān)鍵詞:電荷電容器電容

        何仕乾 李學(xué)平

        (重慶市永川中學(xué)校,重慶 402160)

        《普通高中物理課程標準(2017年版2020年修訂)》凝練了物理學(xué)科核心素養(yǎng),要求教師必須把培養(yǎng)物理學(xué)科核心素養(yǎng)作為物理教學(xué)的重要目標,將“物理觀念”“科學(xué)思維”“科學(xué)探究”“科學(xué)態(tài)度與責(zé)任”等物理學(xué)科素養(yǎng)的培養(yǎng)落實于教學(xué)活動中.物理學(xué)不僅以其概念、規(guī)律揭示了自然界基本運動的諸多真理,它還在建立這種知識體系的過程中發(fā)展了科學(xué)思維和研究方法,推動了科學(xué)的進步,因此在教學(xué)中注意培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)思維是教學(xué)的關(guān)鍵.核心素養(yǎng)下的物理教學(xué)應(yīng)該是:學(xué)生通過探究活動,建立概念、發(fā)現(xiàn)規(guī)律、形成概念、發(fā)展思維、學(xué)會方法、養(yǎng)成態(tài)度.本文以“電容器的電容”教學(xué)為例,通過設(shè)計“引入實驗,定性實驗,定量實驗和拓展實驗”,淺談核心素養(yǎng)培養(yǎng)的落地生根,以期與同仁探討,提升教學(xué).

        1 確立落實物理核心素養(yǎng)的教學(xué)目標

        (1)為了認識電容器,明白電容器的充放電原理,教學(xué)中首先讓學(xué)生在老師的指導(dǎo)下將礦泉水瓶改裝成電容器,不僅非常直觀地展示了電容器的結(jié)構(gòu),認識了電容器,而且成本低廉,體現(xiàn)了“小實驗”換來“大智慧”的出奇效果.再通過“觸電實驗”和“電火花實驗”帶給了學(xué)生新奇和刺激性的體驗,能很好地激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)和研究物理的動機與情感,最后通過“充放電實驗”進一步展示了電容器充放電的過程,使學(xué)生在原有的基礎(chǔ)上得到了認知的發(fā)展,最終促進物理觀念的形成和發(fā)展.

        (2)為了讓學(xué)生理解電容器電容的概念和定義過程,先設(shè)計“定性實驗”,該實驗操作簡單且現(xiàn)象震撼學(xué)生,能夠讓學(xué)生快速鎖定探究目標,提出猜想.為了驗證猜想,設(shè)計了“定量實驗”,本實驗特別之處在于用“電荷量等分原理”求出電容器在不同電壓下的電荷量,極大地鍛煉了學(xué)生的科學(xué)推理能力.整個實驗過程都在引導(dǎo)學(xué)生基于實驗現(xiàn)象發(fā)現(xiàn)問題,形成猜想和假設(shè),設(shè)計實驗與制定方案,獲取和處理信息,基于證據(jù)得出結(jié)論并作出解釋,落實科學(xué)探究素養(yǎng).

        (3)為了讓學(xué)生理解平行板電容器的電容與哪些因素有關(guān)、有什么關(guān)系,進一步熟悉控制變量法的使用,借助于數(shù)字電容表和數(shù)字萬用表,設(shè)計了完全不同于教材的探究實驗,極大地提高了課堂效率,使得探究的過程更加科學(xué),探究的目的更加明確,在探究過程中落實了科學(xué)探究素養(yǎng).

        (4)為了讓學(xué)生理解所學(xué)內(nèi)容,不僅要求學(xué)生查閱資料了解電容器的重要作用,還要自己動手制作體積小而電容大的電容器.學(xué)生在自制電容器的過程中,親身體驗,親自參與,進一步促進了物理觀念的形成和發(fā)展.在制作過程中發(fā)現(xiàn)問題,積極思考并解決問題,落實了科學(xué)思維素養(yǎng)和科學(xué)探究素養(yǎng),培養(yǎng)了實事求是的科學(xué)態(tài)度,在潛移默化中落實了科學(xué)態(tài)度和責(zé)任素養(yǎng).充分體現(xiàn)從生活走向物理,從物理走向社會的教學(xué)理念.

        2 創(chuàng)設(shè)探究實驗落實物理核心素養(yǎng)

        2.1 探究活動1:認識電容器

        2.1.1 活動1——自制電容器(圖1)

        圖1 自制電容器

        要求:根據(jù)提供的材料,在教師的指導(dǎo)下完成.

        制作方法:撕掉礦泉水瓶的標簽,在外面裹上鋁膜,并在鋁膜外粘貼一根導(dǎo)線作為電容器的一個電極,在瓶蓋上打孔并插入一根長的金屬棒作為電容器的另外一個電極,最后把礦泉水瓶裝滿水再蓋上瓶蓋.

        目的:認識電容器的構(gòu)造.

        2.1.2 活動2——體驗帶電

        要求:(1)觸電實驗:用起電機對電容器充電,讓學(xué)生觸摸電容器金屬棒的一端,體驗有啥感覺.

        (2)電火花實驗:再次用起電機對電容器充電,用導(dǎo)線去靠近金屬棒,觀察實驗現(xiàn)象.

        目的:通過親身體驗和觀察,認識到電容器是一種能夠儲存電荷量的容器.

        2.1.3 活動3——充放電實驗(圖2)

        圖2 電容器的充放電實驗

        要求:觀察開關(guān)在斷開和閉合過程中兩個發(fā)光二極管的亮暗程度的變化情況.

        目的:通過2個發(fā)光二極管的亮暗程度的變化情況,不僅可以判斷充放電過程中電流的方向,而且能夠確定能量的轉(zhuǎn)化關(guān)系.

        2.2 探究活動2:電容器的電容

        2.2.1 活動1——定性實驗

        要求:(1)多次重復(fù)電火花實驗,但每次充電時間不同,觀察電火花的亮暗程度.

        (2)猜想電容器所帶的電荷量和兩極間的電壓的定量關(guān)系.

        目的:通過定性實驗猜想:容器所帶的電荷量和兩極間的電壓成正比,為引出定量實驗做好鋪墊.

        2.2.2 活動2——定量實驗

        實驗?zāi)康模涸O(shè)計實驗驗證猜想.

        提示:(1)電壓的測量:如果用機械式電壓表接在電容器兩端,電容瞬間放電完畢,無法測量其電壓,但數(shù)字電壓表的電阻非常大,放電很慢,就可以測出電容器的電壓.

        (2)電荷量的測量:目前沒有直接測量電荷量的儀器,但可以借鑒“電荷平分原理”間接測量(電荷平分原理:兩個完全相同的帶電體相互接觸時,電荷量先中和再平分).

        實驗步驟:

        (1)通過小組合作學(xué)習(xí)設(shè)計出電路圖(圖3);

        圖3 探究電壓與電荷量關(guān)系實驗

        (2)完成實驗操作和記錄數(shù)據(jù);

        (3)分析處理數(shù)據(jù)并得出結(jié)論(圖4).

        圖4 電壓與電荷量關(guān)系數(shù)據(jù)分析

        目的:通過實驗探究得出同一電容器所帶的電荷量和兩級間的電壓成正比.

        2.2.3 活動3——質(zhì)疑提升

        要求:(1)不同的電容器所帶的電荷量和兩級間的電壓成正比是否相同,并用實驗證明.

        (2)總結(jié)比值定義法的特點.

        目的:通過實驗說明,電容器所帶的電荷量和兩極間的電壓比值反應(yīng)該電容器本身的特性,當(dāng)電容器改變時,比值也改變,突出比值定義法的特點.

        2.3 探究活動3:平行板電容器的電容

        2.3.1 活動1——自制平行板電容器

        要求:(1)根據(jù)提供的材料自制平行板電容器(圖5).

        圖5 自制平行板電容器

        (2)猜想平行板電容器的電容大小跟哪些因素有關(guān).

        目的:進一步熟悉電容器的結(jié)構(gòu),為引出探究實驗做好鋪墊.

        2.3.2 活動2——實驗探究

        實驗?zāi)康模涸O(shè)計實驗驗證猜想.

        提示:(1)各物理量如何測量(注意:電容器的電容大小可以用數(shù)字電容表直接測量).

        (2)由于電容器的電容大小跟多個因素都有關(guān),如何進行探究.

        實驗步驟:

        (1)實驗操作并記錄數(shù)據(jù).

        (2)分析處理數(shù)據(jù)得出結(jié)論(圖6,圖7)

        圖6 電容與板間距關(guān)系數(shù)據(jù)分析

        圖7 電容與正對面積關(guān)系數(shù)據(jù)分析

        目的:通過實驗探究得出平行板電容器的電容表達式.

        2.4 探究活動4:課外探究

        要求:(1)查閱資料,了解電容器的重要作用.

        (2)自制容量大且體積小的電容器.

        目的:讓學(xué)生進一步地認識電容器,培養(yǎng)學(xué)生的動手能力.

        3 教學(xué)設(shè)計反思

        本案例設(shè)計了4個探究活動,每一探究活動對培養(yǎng)學(xué)生核心素養(yǎng)的重點各不相同.探究活動1讓學(xué)生從物質(zhì)觀念和能量觀念兩方面來認識電容器,形成物理觀念.探究活動2讓學(xué)生經(jīng)歷了科學(xué)推理、科學(xué)論證、質(zhì)疑提升的過程,重在培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)思維能力.探究活動3讓學(xué)生經(jīng)歷了提出問題、形成猜想和假設(shè)、設(shè)計實驗與制定方案、獲取和處理信息、基于證據(jù)得出結(jié)論的過程,重在培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)探究能力.探究活動4讓學(xué)生認識科學(xué)本質(zhì),培養(yǎng)科學(xué)態(tài)度和社會責(zé)任感,重在培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)態(tài)度與責(zé)任.通過這些探究活動,讓學(xué)生學(xué)習(xí)了科學(xué)知識、發(fā)展了科學(xué)思維、形成了科學(xué)態(tài)度,培養(yǎng)了學(xué)科核心素養(yǎng),落實了立德樹人的根本目的.

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