創新實驗教學設計 落實物理核心素養——以“電容器的電容”教學為例

何仕乾 李學平

（重慶市永川中學校，重慶 402160）

《普通高中物理課程標準（2017年版2020年修訂）》凝練了物理學科核心素養，要求教師必須把培養物理學科核心素養作為物理教學的重要目標，將“物理觀念”“科學思維”“科學探究”“科學態度與責任”等物理學科素養的培養落實于教學活動中.物理學不僅以其概念、規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展了科學思維和研究方法，推動了科學的進步，因此在教學中注意培養學生的科學思維是教學的關鍵.核心素養下的物理教學應該是：學生通過探究活動，建立概念、發現規律、形成概念、發展思維、學會方法、養成態度.本文以“電容器的電容”教學為例，通過設計“引入實驗，定性實驗，定量實驗和拓展實驗”，淺談核心素養培養的落地生根，以期與同仁探討，提升教學.

1 確立落實物理核心素養的教學目標

（1）為了認識電容器，明白電容器的充放電原理，教學中首先讓學生在老師的指導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構，認識了電容器，而且成本低廉，體現了“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”帶給了學生新奇和刺激性的體驗，能很好地激發學生學習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，使學生在原有的基礎上得到了認知的發展，最終促進物理觀念的形成和發展.

（2）為了讓學生理解電容器電容的概念和定義過程，先設計“定性實驗”，該實驗操作簡單且現象震撼學生，能夠讓學生快速鎖定探究目標，提出猜想.為了驗證猜想，設計了“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，極大地鍛煉了學生的科學推理能力.整個實驗過程都在引導學生基于實驗現象發現問題，形成猜想和假設，設計實驗與制定方案，獲取和處理信息，基于證據得出結論并作出解釋，落實科學探究素養.

（3）為了讓學生理解平行板電容器的電容與哪些因素有關、有什么關系，進一步熟悉控制變量法的使用，借助于數字電容表和數字萬用表，設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，探究的目的更加明確，在探究過程中落實了科學探究素養.

（4）為了讓學生理解所學內容，不僅要求學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展.在制作過程中發現問題，積極思考并解決問題，落實了科學思維素養和科學探究素養，培養了實事求是的科學態度，在潛移默化中落實了科學態度和責任素養.充分體現從生活走向物理，從物理走向社會的教學理念.

2 創設探究實驗落實物理核心素養

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：根據提供的材料，在教師的指導下完成.

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，用導線去靠近金屬棒，觀察實驗現象.

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：觀察開關在斷開和閉合過程中兩個發光二極管的亮暗程度的變化情況.

目的：通過2個發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化關系.

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

實驗目的：設計實驗驗證猜想.

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）通過小組合作學習設計出電路圖（圖3）；

圖3 探究電壓與電荷量關系實驗

（2）完成實驗操作和記錄數據；

（3）分析處理數據并得出結論（圖4）.

圖4 電壓與電荷量關系數據分析

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該電容器本身的特性，當電容器改變時，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.

目的：進一步熟悉電容器的結構，為引出探究實驗做好鋪墊.

2.3.2 活動2——實驗探究

實驗目的：設計實驗驗證猜想.

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，如何進行探究.

實驗步驟：

（1）實驗操作并記錄數據.

（2）分析處理數據得出結論（圖6，圖7）

圖6 電容與板間距關系數據分析

圖7 電容與正對面積關系數據分析

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：讓學生進一步地認識電容器，培養學生的動手能力.

3 教學設計反思

本案例設計了4個探究活動，每一探究活動對培養學生核心素養的重點各不相同.探究活動1讓學生從物質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讓學生經歷了科學推理、科學論證、質疑提升的過程，重在培養學生的科學思維能力.探究活動3讓學生經歷了提出問題、形成猜想和假設、設計實驗與制定方案、獲取和處理信息、基于證據得出結論的過程，重在培養學生的科學探究能力.探究活動4讓學生認識科學本質，培養科學態度和社會責任感，重在培養學生的科學態度與責任.通過這些探究活動，讓學生學習了科學知識、發展了科學思維、形成了科學態度，培養了學科核心素養，落實了立德樹人的根本目的.