以實(shí)驗(yàn)為支點(diǎn)培養(yǎng)學(xué)生的核心素養(yǎng)

崔海月

摘 要：物理實(shí)驗(yàn)具有真實(shí)、直觀、生動(dòng)、形象的特點(diǎn)，在物理教學(xué)中，常以實(shí)驗(yàn)為支點(diǎn)，培育學(xué)生的核心素養(yǎng)，本文以“電容器”教學(xué)實(shí)踐為例，通過簡(jiǎn)單的自制教具、常用的實(shí)驗(yàn)室器材進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，在學(xué)習(xí)電容器的構(gòu)造、功能和工作原理的過程中，培養(yǎng)學(xué)生動(dòng)手操作能力、實(shí)驗(yàn)觀察能力和科學(xué)探究能力。

關(guān)鍵詞：物理實(shí)驗(yàn)；教具；科學(xué)探究；核心素養(yǎng)

引言

在《普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)》（2017年版）中，明確了“電容器”在高中物理學(xué)習(xí)過程中的重要性[ 1 ]，內(nèi)容要求有：觀察常見的電容器；了解電容器的電容；觀察電容器的充、放電現(xiàn)象；能舉例說(shuō)明電容器的應(yīng)用。在完成內(nèi)容要求的基礎(chǔ)上，為進(jìn)一步有效培育學(xué)生的核心素養(yǎng)，本文主要從以下幾個(gè)方面進(jìn)行思考：（1）如何通過生活化的實(shí)驗(yàn)教具，激發(fā)學(xué)生興趣，促進(jìn)科學(xué)探究；（2）如何利用整合化的實(shí)驗(yàn)器材，引發(fā)學(xué)生求知欲望，培養(yǎng)學(xué)生實(shí)驗(yàn)觀察能力；（3）如何通過分組實(shí)驗(yàn)，強(qiáng)化學(xué)生動(dòng)手實(shí)踐，培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)思維。本文通過課堂實(shí)錄，展開思考。

1 通過生活化的實(shí)驗(yàn)教具，激發(fā)學(xué)生興趣，促進(jìn)科學(xué)探究

興趣是學(xué)生學(xué)習(xí)物理最好的老師，是學(xué)生尋求知識(shí)的動(dòng)力、獲取能力的源泉，學(xué)生對(duì)某件事物具有濃厚的興趣時(shí)[ 2 ]，才會(huì)表現(xiàn)出強(qiáng)烈的求知欲望，在興趣的引導(dǎo)下，學(xué)生擺脫“要我學(xué)”的被動(dòng)狀態(tài)，變?yōu)椤拔乙獙W(xué)”的主動(dòng)出擊。筆者通過設(shè)計(jì)巧妙的演示實(shí)驗(yàn)引入新課內(nèi)容。

【教學(xué)片段一】電容器導(dǎo)入部分

師：出示如圖1所示的教具（圖1為自制的電容器：選擇一個(gè)空的礦泉水瓶，瓶?jī)?nèi)裝有高濃度的鹽水，在瓶蓋中心插入一根長(zhǎng)金屬棒，瓶外包裝紙內(nèi)包有等大的錫箔紙，用導(dǎo)線與錫箔紙相連，課前先對(duì)自制電容器充電）

師：大家看，老師這里的礦泉水瓶裝有電，大家相信嗎？

生：不信。

演示實(shí)驗(yàn)：與錫箔紙連接的導(dǎo)線和插在鹽水中的金屬棒接觸，接觸處放出火花。

學(xué)生：發(fā)出哇…的感嘆聲。

師：剛才有什么現(xiàn)象發(fā)生？

生：放電現(xiàn)象。

師：為什么啊？它與我們平時(shí)的礦泉水瓶有什么不同嗎？我們把它拆開看一看。（請(qǐng)一名同學(xué)拆開礦泉水瓶外的包裝紙）

師：包裹在水瓶外面的是什么？

生：錫箔紙。

師：水瓶里面裝的是鹽水，錫箔紙和鹽水都是良好的導(dǎo)體，兩個(gè)導(dǎo)體中間被一層絕緣介質(zhì)隔開，像這樣具有儲(chǔ)存電荷功能的裝置就叫做電容器。

師：電容器有怎樣的構(gòu)造呢？

生：拆開礦泉水瓶外面的包裝紙，并向大家展示其內(nèi)部構(gòu)造。（為了給學(xué)生留有懸念，把錫箔紙藏在包裝紙內(nèi)，讓學(xué)生無(wú)法直接觀察到錫箔紙，如圖2所示）

學(xué)生看到藏在里面的錫箔紙恍然大悟，原來(lái)這里暗藏玄機(jī)，學(xué)生牢牢記住電容器的結(jié)構(gòu)，這樣引入新課，不僅活躍了課堂氛圍，還激發(fā)了學(xué)生學(xué)習(xí)新課的興趣。物理教學(xué)中我們可以利用生活中常見物品自制實(shí)驗(yàn)教具，通過演示實(shí)驗(yàn)導(dǎo)入新課，有趣的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象往往會(huì)給學(xué)生留下深刻的印象，激發(fā)學(xué)生的好奇心，促進(jìn)學(xué)生進(jìn)一步探究的欲望。

2 利用整合化的實(shí)驗(yàn)器材，引發(fā)學(xué)生求知欲望，培養(yǎng)學(xué)生實(shí)驗(yàn)觀察能力

電容器的充電和放電過程是本節(jié)課的重點(diǎn)也是難點(diǎn)，其過程比較抽象，學(xué)生理解起來(lái)有一定難度，因此筆者把實(shí)驗(yàn)室常用器材整合在一起，制作了如圖3甲所示的實(shí)驗(yàn)教具，以便達(dá)到教學(xué)目的。

【教學(xué)片段二】體驗(yàn)電容器的充放電過程

實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)1

原理：如圖3乙，把單刀雙擲開關(guān)撥向1，燈泡發(fā)光然后逐漸變暗，表明電容器充電，并且充電電流逐漸減小；把單刀雙擲開關(guān)撥向2，燈泡發(fā)光并逐漸變暗，表明電容器放電，并且放電電流逐漸減小。

學(xué)生動(dòng)手操作并認(rèn)真觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。

生：燈泡開始發(fā)光，后來(lái)又熄滅，是為什么呢？

師：燈泡剛開始發(fā)光，說(shuō)明什么？

生：電路中有電流流過。

師：電荷的定向移動(dòng)形成電流，在這個(gè)過程中電容器儲(chǔ)存電荷，與電源正極相連的極板聚集正電荷，與電源負(fù)極相連的極板聚集負(fù)電荷，兩極板間存在電勢(shì)差并形成逐漸增大的電場(chǎng)。

師：燈泡后來(lái)又熄滅，說(shuō)明了什么？

生：電路中沒有電流。

師：那電流為什么逐漸減小直至為零呢？

生：難道是電容器充滿電了，電路中就沒有電流了。

師：對(duì)，此時(shí)電容器充電結(jié)束，電路中電流為零，電容器兩端的電壓和電源電壓有什么關(guān)系呢？我們用電壓表測(cè)量一下。

生：電源電壓等于電容器兩端電壓。

師：充電過程電源的電能轉(zhuǎn)化為電場(chǎng)能儲(chǔ)存在電容器中。

學(xué)生根據(jù)充電過程積累的知識(shí)猜想并解釋放電過程可能出現(xiàn)的現(xiàn)象，然后動(dòng)手操作，驗(yàn)證猜想。

師：看來(lái)一個(gè)小小的電容器作用可不小，可以用來(lái)儲(chǔ)存電荷和電能，那電容器儲(chǔ)存電荷的多少與什么有關(guān)呢？

為了滿足學(xué)生的求知欲望，設(shè)計(jì)如圖4甲所示實(shí)驗(yàn)。

【教學(xué)片段三】探究影響電容器儲(chǔ)存電荷量多少的因素

實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)2

原理：如圖4乙，左右兩側(cè)是兩個(gè)完全相同的電路，利用雙刀雙擲開關(guān)同時(shí)控制電容器的充電和放電，開關(guān)向下閉合電源給電容器充電，開關(guān)向上閉合電容器與燈泡構(gòu)成閉合回路，電容器放電，燈泡中有電流通過，利用燈泡發(fā)光時(shí)間的長(zhǎng)短來(lái)反映電容器儲(chǔ)存電荷量的多少。

實(shí)驗(yàn)中很容易觀察到右側(cè)燈泡發(fā)光時(shí)間較長(zhǎng)。

生：相同的電容器，所加電勢(shì)差越大，儲(chǔ)存的電荷量越多。

師：那它們之間會(huì)有怎樣的定量關(guān)系呢？（實(shí)驗(yàn)裝置如圖5甲所示）

【教學(xué)片段四】電容器的電容

實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)3

原理：如圖5乙，CA、CB為兩個(gè)完全相同并且不帶電的電容器，開關(guān)S1向下閉合，電源給電容器CA充電；開關(guān)S1向上閉合，CA與電源斷開與CB構(gòu)成回路，CA、CB電量平分；開關(guān)S1斷開，S2閉合，再斷開S2，向上閉合S1，CA、CB電荷量再次平分，數(shù)字電壓表測(cè)量CA或CB兩端的電壓，并記錄在表1中，根據(jù)表1中數(shù)據(jù)可做定量分析。

學(xué)生動(dòng)手操作，記錄實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，通過對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析，得出定量關(guān)系。

生：電容器兩端電勢(shì)差和內(nèi)部?jī)?chǔ)存的電荷量成正比。

師：我們把電荷量與電容器電勢(shì)差的比值用常數(shù)C來(lái)表示，它在數(shù)值上等于電容器所加單位電壓時(shí)儲(chǔ)存的電荷量，很顯然它反應(yīng)的是電容器容納電荷本領(lǐng)的物理量。

以上實(shí)驗(yàn)簡(jiǎn)單易懂，實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象明顯，可操作性強(qiáng)。實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)1、2把不易觀察的電容器充放電過程通過小燈泡的發(fā)光情況體現(xiàn)出來(lái)，學(xué)生易于理解和接受，通過教師有意識(shí)的啟發(fā)，對(duì)學(xué)生的思維進(jìn)行訓(xùn)練，根據(jù)已有知識(shí)對(duì)問題有理有據(jù)的預(yù)測(cè)，提高學(xué)生的科學(xué)推理能力，最后通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證所猜所想，提高學(xué)生動(dòng)手操作能力、實(shí)驗(yàn)觀察能力；實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)3的定量分析，避免了我們?cè)诮虒W(xué)過程中“重結(jié)論，輕過程”的做法。這些簡(jiǎn)單可行的隨堂實(shí)驗(yàn)，也使得學(xué)生對(duì)物理規(guī)律的探索由“淺”入“深”，由“感性”到“理性”，以實(shí)驗(yàn)為支點(diǎn)，可以很好地培養(yǎng)學(xué)生的綜合素養(yǎng)[ 3 ]。

3 通過分組實(shí)驗(yàn)，強(qiáng)化學(xué)生動(dòng)手實(shí)踐能力，培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)思維

教育專家曾指出：“離開了學(xué)生主體性發(fā)展：教育則失去了依托和活力”，學(xué)生是學(xué)習(xí)的主體，有效的課堂教學(xué)是讓學(xué)生主動(dòng)參與，開發(fā)蘊(yùn)藏在學(xué)生身上的巨大潛力，因此在教學(xué)過程中應(yīng)創(chuàng)造更多讓學(xué)生親身參與實(shí)踐的機(jī)會(huì)[ 4 ]。

【教學(xué)片段五】探究影響平行板電容器電容的因素

環(huán)節(jié)1：提出猜想

合理的猜想是探究性實(shí)驗(yàn)的前提，學(xué)生根據(jù)平行板電容器結(jié)構(gòu)進(jìn)行猜想，為了避免漫無(wú)目的的瞎猜，教師的引導(dǎo)尤為重要。

師：平行板電容器由兩塊平行放置且彼此絕緣的金屬板構(gòu)成，如圖6，移動(dòng)平行板的底座，可以使兩板靠近或者遠(yuǎn)離，也可以使兩板錯(cuò)開，在這個(gè)過程中平行板電容器的哪些量發(fā)生了改變？

生：兩板間的距離，面積。

師：能說(shuō)的具體一些嗎，是哪里的面積，是平行板的面積發(fā)生了變化嗎？

生：當(dāng)然不是，是兩平行板的正對(duì)面積。

師：大家猜一猜，影響平行板電容器電容的因素有哪些呢？

生：兩板間的距離，兩板的正對(duì)面積，兩板間的絕緣物質(zhì)，還可能與兩板的材料有關(guān)。

師：這么多的影響因素，我們采用什么方法進(jìn)行探究？

生：控制變量法。

環(huán)節(jié)2：實(shí)驗(yàn)成功要素—實(shí)驗(yàn)前的若干思考

師：電容的大小我們可以通過什么反應(yīng)出來(lái)呢？

生：我們知道C=Q/U，當(dāng)電量一定時(shí)，電勢(shì)差的變化可以反映出電容的變化情況。

師：很好，如何反應(yīng)出電勢(shì)差的大小，又如何讓電容器帶電呢？

生：電勢(shì)差的大小可以通過靜電計(jì)指針的偏角來(lái)表示，通過起電機(jī)與電容器兩極板接觸使之帶電，還可以通過摩擦橡膠棒與電容器極板接觸使之帶電。

一步一步地設(shè)問促進(jìn)學(xué)生思考，討論交流讓課堂充滿活力，增進(jìn)學(xué)生之間的交流，大家集思廣益拓展知識(shí)的寬度。

環(huán)節(jié)3：學(xué)生分組實(shí)驗(yàn)探究

學(xué)生展開分組實(shí)驗(yàn)，完成表2內(nèi)容，交流討論得出結(jié)論。

環(huán)節(jié)4：討論實(shí)驗(yàn)成功的秘訣

由于南方天氣潮濕，空氣漏電導(dǎo)致電荷損失，靜電計(jì)指針偏轉(zhuǎn)不穩(wěn)定，因此在做實(shí)驗(yàn)前提前打開空調(diào)對(duì)實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行除濕，并用電吹風(fēng)對(duì)靜電計(jì)和平行板電容器吹熱風(fēng)烘烤，為防止漏電導(dǎo)致后面實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象不明顯，每次實(shí)驗(yàn)前都要用起電機(jī)重新給電容器進(jìn)行充電等[ 5 ]，這些細(xì)微之處不僅透露著物理實(shí)驗(yàn)的嚴(yán)謹(jǐn)，也恰當(dāng)好處地培養(yǎng)了學(xué)生的科學(xué)思維。把教師演示實(shí)驗(yàn)改為學(xué)生分組實(shí)驗(yàn)，不僅給學(xué)生提供了一個(gè)動(dòng)手操作的平臺(tái)，也增加了學(xué)生學(xué)習(xí)物理的興趣，促進(jìn)了學(xué)生與學(xué)生、教師與學(xué)生之間交流，學(xué)生在動(dòng)手實(shí)驗(yàn)的過程中對(duì)知識(shí)的理解更加深入。

本節(jié)課利用電容器的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)教具，以實(shí)驗(yàn)教學(xué)為支點(diǎn)，培養(yǎng)學(xué)生的物理觀念、科學(xué)思維、實(shí)驗(yàn)探究和科學(xué)態(tài)度與責(zé)任等物理核心素養(yǎng)。

參考文獻(xiàn)：

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[5] 李穎.優(yōu)化實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源 發(fā)展學(xué)生科學(xué)思維-以"了解電容器為例"[J].中學(xué)物理，2017（11）.