不一樣的立場 不一樣的精彩
——關于2017、2018年江蘇高考物理卷對電容器考查的思考

夏季云

(南京市第一中學,江蘇 南京 210001)

1 高考真題再現

圖1

(2017年江蘇高考題)如圖1所示,三塊平行放置的帶電金屬薄板A、B、C中央各有一小孔,小孔分別位于O、M、P點.由O點靜止釋放的電子恰好能運動到P點.現將C板向右平移到P′點,則由O點靜止釋放的電子

(A) 運動到P點返回.

(B) 運動到P和P′點之間返回.

(C) 運動到P′點返回.

(D) 穿過P′點.

圖2

(2018年江蘇高考題)如圖2所示,水平金屬板A、B分別與電源兩極相連,帶電油滴處于靜止狀態.現將B板右端向下移動一小段距離,兩金屬板表面仍均為等勢面,則該油滴

(A)仍然保持靜止.

(B)豎直向下運動.

(C)向左下方運動.

(D)向右下方運動.

2 教師的固有認知與迷茫

2017年暑期的一次教學活動中,一位資深教師這樣問我:“夏老師,我覺得今年江蘇高考物理卷第4 題是一個超綱的題目,因為3塊金屬板已經構成2個電容器,它已涉及到電容器的聯接或高斯定理的相關知識,你怎么看?”．

2018年高考結束剛結束,一位高三物理任課教師就對該題指出：“由于平板電容器只要求學習兩板平行的情況,不平行的兩塊金屬板組成的電容器從來沒有遇到過,學生一定不知如何去解決?”

對于上述教師的看法應該具有普遍性,符合較多教師的認知特征,這也是教師對教學內容認知固化的典型例證．當下教輔材料有關電容器的學習或考查內容中涉及的總是單個電容器且兩板一定平行,解決問題的思路千篇一律,造成了不會有其他情況的印象,筆者認為上述教師認知的形成與教輔和考試有很大的關聯．

3 從教師的教找尋學生困惑的成因

對第一位教師的問題,筆者并沒有直接回答他是與否,先請教同行在教平板電容器間場強這個知識點時是如何實施教學的．他這樣回答:新授課首先按照教材演示的要求進行了實驗,在電荷量一定的前提下,分別是改變正對面積、板間距離、插入介質,通過靜電計觀察兩端電勢差的變化,讓學生體驗影響電容器大小的因素,進而給出了平板電容器的公式;接下來通過具體事例對板間場強進行了進一步討論．

圖3

例.如圖3示,平行板電容器的電容C,兩極板間電壓為U,兩板間場強E和帶電荷量Q,在下列情況下怎樣變化?(填寫:增大、減小、不變)

(1) 保持兩板與電源相連,只增大兩板間距離,則C________,U________,Q________,E________.

(2) 給電容器充電后與電源斷開,再減小電容器極板間距離,則C________,U________,Q________,E________.

板間電場變化的問題解決主要依據電容定義式、勻強電場公式及平板電容器電容公式,換言之,即直接利用相關公式進行推理,學生也自然認可并接受．分析過程大致如下.

(1) 如果電容兩極板與電源并未斷開,此時電容兩極板之間的電壓將保持不變,即U為一個常數,此時直接利用式E=U/d，便可知d變大E減小．

(2) 中電容器充電后已經與電源斷開,也就是此時電容器兩極板所帶電荷量已經固定,Q是常數．當兩極板之間距離增大時,由于電容的大小與基板之間的距離是成反比的(C=εS/4πkd),對電容器有Q=CU,板間場強可看作勻強電場,所以有E=U/d,公式變換后發現E與d無關,因而板間場強不變．

該教師的上述做法基本是目前高中物理教學實踐中的“標配”,當然也有很多人只是講實驗而非真正做實驗,對該老師教學有如下的反思．

首先,按照他的教學思路,學生要去尋找板間場強規律,他自然會聯想到運用電容定義式、勻強電場公式及平板電容器電容公式,這就會涉及到電容器連接問題,更高層面會涉及高斯定理的相關知識,學生不會做那是必然結果,進一步講按照這一思路該題確實是“超越了教學要求”,算得上“超綱”．

其次,從學科規律立場的視角．物理概念的建立遵循基本一致的規律,即物理概念提出的背景、意義、定義、單位、適用條件、運用．實驗發現,帶電體會對靠近的物體有力的作用,這是一種超距作用,說明帶電體周圍有場存在,不同的位置作用力有區別,但同一位置不同物體受到的力與電荷量的比值不變,基于物理學科規律,從力的角度運用比值定義便是水到渠成,為了形象描述分布引入場線也是物理學的習慣做法．

再次,從學生學習規律的視角．教材的安排是遵循學生的認知規律,電場強度概念的建立是在學習庫侖定律之后,結合實驗現象,利用類比萬有引力的方法,運用比值定義法給出了電場強度的定量計算(定義式),對真空中的點電荷結合庫侖定律得出了特定的場強公式,由于電場的抽象性,為形象描述電場分布引進了電場線．這一認知過程強化了學生大腦中點電荷周圍電場強度與距離的關系認知結構,再加上大量涉及點電荷的一些定量運算起到了再度強化功能．

為了體現嚴謹,我們的教學習慣從結論到結論,總喜歡用公式定量去推導,過度數學化,結果產生了對物理概念本真的忽視．前面所述的慣用教法就是把平板電容器場強變成了一個獨立的內容,它的建立脫離了電場概念的基本屬性,完全是建立在結論基礎上的數學推理(3個公式)．沒有從物理學科規律出發,即沒有從知識的生長來進行教學;沒有從學生認知規律出發,即沒有考慮在學生已有知識儲備、思維習慣,情景在頭腦中最先呈現的是什么等．在訓練強度達不到一定水準時,通常情況學生不會立即想到用公式推導場強的變化規律也是情理之中．

我們都知道,對于問題(2)中的場強變化規律,學生總是出錯,為什么總是出錯呢?通過調查與交流發現,由于點電荷場強公式學生掌握很牢固,對距離越大,場強越小幾乎已形成條件反射,因而對帶電荷量一定的平板電容器,當板間距離增大時,電場變小,學生覺得天經地義,根本就不會懷疑,也不會想了從電容、場強規律去推導．[1]

4 從科學思維的視角學習平板間的電場

從物理學視角對客觀事物的本質屬性、內在規律及相互關系的認識方式,是基于經驗事實建構理想模型的抽象概括過程;是分析綜合、推理論證等科學思維方法的內化;是基于事實證據和科學推理對不同觀點和結論提出質疑、批判,進而提出創造性見解的能力與品格．“科學思維”主要包括模型建構、科學推理、科學論證、質疑創新等要素．[2]

為了讓學生更好的學習,實現真學習,科學思維得到真正的培養．筆者認為必須轉變3個觀念,即從碎片化淺層學習向系統學習的深度學習轉變,從直接接受知識過程向知識生長的過程轉變,從技能訓練向思維培養轉變.這種教學理念的轉變會極大地改變學生的學習感情、學習態度、學習效果．

從科學思維的視角看,物理學習重在對客觀事物的本質屬性、內在規律的掌握,所有帶電體周圍電場分布應當遵循同樣的規律,平板電容器之間的電場分布也不例外．平板電容器間的電場分布它只是眾多電場中的一種,或者說是特殊的一種.教學中在講電容器板間場強時,先回歸到場強描述的基本立場上來就順理成章.在回顧前期學習過的用電場線描述電場分布的基礎上,把運用電場線描述場強分布進一步挖掘和提煉,進一步明確在標準一定的條件下,每個電荷發出的電場線條數應是一定且相等,電場線在空間不會相交,電場線的疏密程度反映了場強大小.教師不直接告知平板電容器間電場線分布圖,引導學生從定性的立場構建平板電容器之間可能的電場線分布圖,有效避免了讓學生囫圇吞棗的接受平板電容器之間的電場分布.這種教學實施體現了從直接接受知識過程向知識生長的過程轉變．在此基礎上再引導學生從定量角度去探究平板電容器之間的電場,回憶已學習相關定量研究的內容并試圖找到他們的內在聯系,最后再運用3個公式來推導,得出它的定量表達．這種教學實施體現了從技能訓練向思維培養轉變．從總的學習過程來說,有效的體現了從碎片化淺層學習向系統學習的深度學習轉變.

如果學生有了這樣的學習認知經歷,面對2017年第4題這樣的問題,他就會想到,由于考題是一種定性分析類題目,便可從定性的角度嘗試去解決．C板向右平移帶電荷量不變,導致電場線總條數不變,電場分布的空間區域沒有變化,因而板間場強不發生變化,從這個角度而言這一高考題的求解就是極其簡單．上述求解根本不需要涉及電容器聯接或高斯定理的知識,它有利于引導中學物理的科學教學,是對單一題海戰的有力回擊,因而我認為該題應當是一道考查體現學科、體現學生認知規律的一道好題．面對2018年第5題這樣的問題,學生從定性的角度,分析電量的變化導致電場線密度變化也能找到答案．其實關于電容器考查還可以創新,如兩板帶電量不等、帶電量不變的前提下,讓其中一塊傾斜等．

從科學思維的視角設計教學更加符合學科規律、學習規律,知識的習得就不會顯得唐突,有利于學生更全面系統掌握該知識,有利于落實核心素養發展的目標．