基于核心素養發展的物理概念教學改進

李寶才 田成良 馮波

摘?要：2017版新課標頒布了學科核心素養，倡導學科育人，教師應注重培養學生的能力和品格.概念是物理學的基石，它能深刻地反映事物的共同特征和本質屬性;在概念教學中，教師常把重點放在知識的傳授上，強化教學的結果，忽視了概念建立的過程，如何在概念教學中落實核心素養是廣大物理教師必須面對的問題.

關鍵詞：優化過程;建立概念;核心素養

文章編號：1008-4134（2020）01-0051?中圖分類號：G633.7?文獻標識碼：B

作者簡介：

李寶才（1975-），男，河北唐山人，本科，中學高級教師，研究方向：高中物理學科教學;

田成良（1974-），男，山東泗水人，本科，中學高級教師，物理特級教師，碩士生導師，研究方向：物理過程教學、物理科學方法教育、課堂教學藝術等;

馮波（1965-），男，湖南郴州人，本科，中學高級教師，北京市特級教師，研究方向：中學物理課堂教學.

對于物理概念的教學，過去多把側重點放在知識的傳授上，強調的是講清概念的內涵、外延以及與相關概念的聯系與區別.至于對概念的來龍去脈，對它形成與發展的過程，則輕描淡寫，甚至一筆帶過.這種“斬頭去尾燒中間”的做法，強化了教學的結果，而忽視了教學的過程，其結果不僅減弱了概念教學本身，而且也有礙于學生能力的培養.

在新課改理念的指導下，筆者探索優化建立概念的過程，并在概念建立的過程中落實學科核心素養.本文以“電容器的電容”為例進行教學設計.

1?經歷電容器發明的過程

教師出示一個盛水的塑料杯（內外壁附有錫箔紙，如圖1所示），問學生：“這個杯子能裝水，它能否裝電呢？”學生搖頭，表示不信，教師用起電機給杯子充電，然后找三名同學手牽手，讓其中一同學的手分別觸摸杯子的內、外壁，三名同學被電得大叫，其他同學發出驚訝的聲音，這個杯子為什么能裝電呢？教師進一步展示杯子的結構，其實塑料杯、錫箔紙組合成了一個新的元件——電容器.它具有儲存電荷的本領，我們稱之為電容器——電荷容納的儀器（類似水杯——容納水的容器），然后用多媒體動畫解釋電容器儲電荷的原理.

最早的電容器，又稱為萊頓瓶，它是1746年，荷蘭萊頓大學的教授馬森布羅克在做電學實驗時無意中發明的，這種裝置可把電儲存起來.原始的萊頓瓶是一個玻璃瓶，瓶里瓶外分別貼有錫箔，瓶里的錫箔通過金屬鏈跟金屬棒連接，棒的上端是一個金屬球，這就構成以瓶子玻璃為電介質的電容器.后來研究發現，只要把“雙層金屬膜（鋁箔）+絕緣體（塑料）”組合即可將電荷存儲起來，其模型簡化為“兩個金屬板+電介質”，從而完成模型建構的過程.最后出示電路中常用電容器，并認識其結構（如圖2）.認識了電容器后，讓學生現場制作：將兩張烤箱用的錫箔紙中間夾上一層保鮮膜，用熨斗熨平，緊密壓在一起，并利用靜電起電機的萊頓瓶讓學生親身體驗電容器的充放電過程.

評析?本環節通過學生活動，親身體驗“觸電”，從問題的起點開始，帶領學生經歷電容器發明的過程，并利用物理學史認識電容器的結構，了解萊頓瓶的發明過程，感悟前人敢于攀登科學高峰的精神，滲透了科學精神.通過制作電容器，親身體驗，學生非常有成就感，不僅對電容器結構和作用有了更深刻的認識，還會對這個神奇的電容器產生探究的欲望.

2?認識電容器的作用

首先設計學生活動，讓電容器與電源相連，充電后將兩極板短路，產生放電火花.在實驗中，讓學生感知電容器能夠容納和釋放電荷，同時定性感知電壓不同存儲的電荷量也不同，為后面的學生分組探究實驗做鋪墊.

然后用電源對同一電容器充電、放電，如圖3所示，注意觀察電流計指針偏轉的方向、偏角的大小及燈泡亮度變化，感受電容器充電和放電過程，體會電容器的功能.并讓學生在電容器充放電的過程中，解釋Q、U、E以及電場能的變化情況.利用理論分析，在電容充放電的過程中建立能量的觀念.

評析?在認識了電容器的結構后，利用學生活動親身體驗電容器充、放電的過程，觀察實驗現象，激發了學習興趣，體驗到電容器的神奇功能，認識了其功能和價值，為后面建立電容的定義奠定了基礎.

3?探究電容器容納電荷量與電勢差的關系

通過前面的電容器充、放電實驗，我們發現用不同的電源給同一個電容器充電，電容器所帶的電荷量并不同.

師：你認為電容器容納電荷量的多少與什么因素有關？

生：電勢差.

師：為研究同一個電容器容納電荷的多少，我們如何設計實驗呢？

生：控制電容器不變，改變電勢差的大小.

師：如何定量測量電勢差和電荷量呢？

生：電勢差可用電壓表測量，電荷量怎樣測量？

師：電勢差容易測量，電荷量雖不易定量測量，能否間接測量呢？

生：利用Q與I、t的關系，理論上可以實現.

師：通過i-t圖像如何能知道電荷量呢（如圖4所示）？

生：面積.

師：為什么啊？你們是怎么想的呢？

生：我們之前學過v-t圖像的面積表示位移.根據公式Q=it，所以這個面積應該是電荷量.

師：同學們太棒了！能夠遷移，學會了類比.這就是學習的基本方法.由于圖像直觀，高中階段處理數據最常用的方法就是圖像法.

評析?以上環節，首先明確主題，有利于開展探究實驗，并在設計過程中，利用控制變量和極限思想進行科學方法教育，發展了學生的科學思維.利用圖像解決電荷量測量問題，培養了學生的創新能力，發展了學生的核心素養.

3.1?技術輔助，創設問題情境

如圖5所示，利用DIS實驗測繪出電容器的充放電i-t圖像.各組同學分別用不同規格的電容器，探究同一電容器在不同電壓下的充放電i-t圖像.

介紹先進實驗儀器——電流傳感器，如圖5所示.測定充放電電流-時間圖像（i-t圖像）借助計算機畫圖，如圖6所示，可以得出什么結論？

3.2?抽象加工?建立電容概念

實驗結束后，引導學生分析論證，思考：

（1）從圖像中你能觀察到什么？

（2）電流變化的特點是什么？說明了什么？

（3）i-t圖象下面所圍成的“面積”表示什么？

生：同一個電容器，Q與U成正比，Q與U的比值不變，也就是圖像中的斜率不變.

師：不同小組用同樣的方法測出了另外兩個電容器的Q-U圖像，對比三個圖像，請同學們觀察并思考，有什么發現？ 在不同的電容器放電的過程中，我們看到了什么現象？

生：燈泡亮的時間不一樣，有的持續時間長，有的很短.

生：同一個電容器Q與U成正比，Q/U的比值不變.不同的電容器Q與U的比值不同.

師：以上現象說明了什么？Q/U意味著什么？有怎樣的實際物理意義？

生：有的電容器帶的電荷量多，有的少.

引導學生共同歸納，Q/U的比值不變在物理學當中有特殊意義，它表示不同電容器的特性不同，為了認識不同電容器帶電的本領不同，為了描述不同電容器的Q/U不同，我們把Q/U的比值定義為一個新的物理量——電容，它表示電容器帶電的本領，即比值大表示容納電荷本領大，反之本領小.

評析?本環節，利用信息技術手段，測量了實驗數據和圖像，創設了不同電容器有不同的圖像（斜率）的情境，引導學生分析圖像，總結結論，建立概念，整個過程始終體現學生主體，自主建構知識，不僅培養了探究能力，還發展了科學思維，認識了電容的本質.

3.3?利用變式?鞏固深化概念

建立了電容的定義后，為使學生真正掌握其物理意義，可以利用以下問題，進行變式訓練.用不同的電壓給電容器充電，電容大小變化嗎？電容的大小與Q、U有關嗎？學生已經懂得，R=U/I，但與U、I無關;Φ=EP/q，與EP 、q無關……，所以利用學生已經掌握的知識，進行遷移，有利于突破難點.

通過前面的實驗，引導學生認識到不同電容器帶電的本領不同，就像不同的水杯裝水的本領不同，不同的物質吸熱本領不同.電容器容納電荷的本領不同，這個不同僅由電容器本身決定，與外界的電壓和和電荷量無關.最后讓學生回顧，利用比值定義建立概念的還有哪些物理量？共同總結電場強度、電勢、密度、壓強、加速度等概念，都用了類似的方法.

評析?科學探究能夠培養學生設計方案的能力和獲取證據的能力，利用各種科技手段和方法收集信息、處理信息，解釋實驗結論和評估交流，在這個過程中，不僅發展了科學思維，還著重培養了學生對實驗數據的處理能力.經過分析論證，從而得出斜率不變可能預示著某個特殊含義，進而得出電容的概念，這種建立概念的過程，更符合學生的認知規律，有利于學生突破學習難點.

3.4?學以致用，培養實踐意識

通過聯想電腦主板、小米音響功放、閃光燈、美的電飯鍋、海爾洗衣機、長虹液晶電視、格力變頻冰箱等等，讓學生認識到電容應用廣泛，類型眾多，如圖8所示.最后，利用自制的安檢儀，現場檢測瓶裝水和瓶裝油，讓學生把一瓶液體放入箱子中，如圖9所示，教師都能很快地鑒別出是什么物質，學生發出驚訝的聲音.教師引導學生從電容的角度，思考其中奧妙，安檢儀就是一個大電容，放入液體，就是改變了電容器的電容.這個游戲不僅為后面學習影響電容大小的因素奠定了基礎，還激發了學生的學習興趣.

評析?通過電容器的實際應用和發展，使學生體會到學習是有用的.教育的根本目的就是學以致用.新課程標準的理念是：在內容上注重與生產生活、現代社會及科技發展的聯系，反映當代科學技術發展的重要成果和科學思想，同時關注物理學的技術應用帶來的社會問題，培養學生的社會參與意識和社會責任感.

參考文獻：

[1]田成良.遵循知識形成過程 突破思維障礙[J].中學物理教學參考，2015（10）：14-16.

（收稿日期：2019-10-06）