基于STEM理念的綜合實踐活動教學設計
——以“電容器的電容””為例

楊曉梅 韓 薇

（寧夏大學物理與電子電氣工程學院，寧夏 銀川 750021）

2017年教育部頒布的《普通高中物理課程標準》提出：中學教育培養的學生不僅僅能夠進行理論方面的推演和探究，還有能力實際動手操作，發現并主動應用知識和技術解決遇到的現實問題.［1］我國教育長期受“應試教育”的桎梏，往往過于注重科學與數學，忽視技術與工程教育，學生的創造力和實踐能力較為薄弱，將STEM教育理念融入物理教學非常必要.

科學、數學、技術和工程被稱作是STEM教育的“元學科”，這個過程不是將各學科的知識簡單疊加，而是強調在分散的學科內容之間找到融合的平衡點，整合形成有機整體.［2］作為偏重實踐與創新的物理教學不應該拘泥于理論知識，而要在學科中合理地滲透技術、工程與數學，納別水之址以厚己，讓STEM教育成為我國培育創新型、實踐型人才的沃土.

綜上，以人教版高中物理選修3-1第1章第8節“電容器的電容”一節教學設計為例，展現STEM理念在物理教學中的拓展應用.

1 “電容器的電容”教學設計

1.1 教學流程圖

基于STEM教學理念進行“電容器的電容”綜合活動的教學設計，其流程圖如圖1所示.

圖1 教學流程圖

1.2 教學過程

1.2.1 情境引入——科學：物理與化學學科結合

（1）“電解水”現象，引入電容器概念.

創設情境：透明塑料罐中加入硫酸鈉與酚酞混合溶液，罐上下端皆設鋁箔為電極板，接入16 V電源，觀察到罐中的接入負極一端電極板附近的溶液逐漸變紅，如圖2所示.

圖2 “電解水”引入實驗

引導：為什么接入電源后，接入負極一端電極板附近溶液變紅？

知識再認：因為接入負極附近溶液得電子，電解出OH-，OH-遇酚酞變紅.

提出問題：如果此時兩電極之間不是導體，而是絕緣體，那么電極板上的電子還會移動到溶液中嗎？帶著這個問題，我們一起進入今天的課程——電容器的電容.

（2）設計意圖.

從理科學科化學出發，讓學生對電容器的結構以及充電時的電荷分布情況有一個初步的認識，通過化學實驗現象與物理新課之間的聯系引入知識點，不止局限于單個學科的內部，而是進行跨學科、跨領域的融合與交流，選擇一個特定的研究對象，利用不同學科相關的知識進行探究與思考，符合STEM教育理念.

1.2.2 電容器結構探究——工程與科學結合

（1）基于問題情境，探究電容器結構.

創設情境：展示萊頓瓶相關歷史視頻第一個萊頓瓶的誕生.讓學生觀察萊頓瓶的結構，體會科學家探究過程中的思維、方法與態度.

建立概念：① 通過觀察萊頓瓶，了解電容器結構.如圖3所示；②PPT展示萊頓瓶結構圖，并提供材料，輔助學生自制萊頓瓶，深入探究電容器的結構.

圖3 萊頓瓶結構示意圖

提供材料：鋁箔紙、保鮮膜、玻璃杯、鹽水、膠帶、導線、多用電表，講解多用電表測電容的方法.

自制電容器：如圖4所示.

圖4 自制電容器

① 分析萊頓瓶結構，畫出設計圖.

②制作步驟：A.玻璃杯中倒入適量鹽水；B.玻璃杯外壁包上一層鋁箔紙，用膠帶固定；C.保鮮膜覆蓋在玻璃杯口；D.將鐵釘插入保鮮膜中央，鐵釘尾部浸沒于鹽水，并用膠帶固定位置.

③用多用電表測試自制電容器的電容大小，驗證制作是否成功.

制作要點：

①鐵釘盡量插在保鮮膜中央位置；

② 鹽水作為介質，效果比純凈水好.

（2）歸納電容器的基本結構：平行板電容器.

提出問題：如何描述平行板電容器的結構呢？

教師提示：引導學生觀察對比各種自制電容器結構以及萊頓瓶的結構圖，列出不同的電容器結構上的相同點.

歸納：① 兩金屬電極相互接近；② 電極間隔著一層絕緣介質.

整理：兩個相互接近的金屬間隔著絕緣介質，即存在電容.若兩電極板為平行的金屬板，即為平行板電容器.嘗試繪制平行板電容器結構的示意圖，如圖5所示.

圖5 平行板電容器結構示意圖

建立概念：在兩個相距很近的平行金屬板中間夾一層絕緣物質——電介質，就組成一個最簡單的電容器，即平行板電容器.

教師引導：咱們結合同學自制的這個裝置，回憶本節課開始時老師提出的問題，如果兩電極之間不是導體，而是絕緣體，那么電極板上的電子還會移動到溶液中嗎？

歸納：若兩電極間夾一個絕緣介質，電極板上的電子不會移動到溶液中，由于外接直流電源，接正極一端失電子，帶正電荷，接負極一端得電子，帶負電荷.這個裝置雖無法發生化學反應，但它卻是物理學中的重要知識點——電容器.

（3）展示充放電電路的電路圖，搭建實物電路.

創設情境：PPT展示電容器充放電電路圖，如圖6所示.

圖6 電容器充放電示意圖

教師講解：充電時，電容器與直流電源接通，與正極相連的金屬極板上的電荷向與電源負極相連的金屬極板運動，使得與電源正極相連的金屬極板失去電荷帶正電，與電源負極相連的金屬極板得到電荷帶負電（電荷大小相等，符號相反）.放電時，充電完畢的電容器位于一個無電源的閉合通路中時，帶負電的金屬極板上的電荷便會向帶正電的金屬極板運動，使正負電荷中和.

布置任務：根據電路圖，自行搭建電容器充放電電路.

提供材料：電容器充放電演示板、導線、學生電源.講解學生電源與電容器充放電演示板的使用方法.

搭建電路：如圖7所示.

圖7 搭建充放電電路

①利用導線，將電源與石英鐘接入電容器充放電演示板的電路.

②對電容器進行充放電操作，觀察石英鐘的秒針是否走動，驗證電路搭建是否正確.

建立概念：電容器類似于一個“蓄電庫”，電路中有電源時儲存“電”，電路中無電源時將儲存的“電”供給用電器使用.

教師提示：注意到實驗中若充電電壓發生改變.指針走的格數也發生改變.

提出問題：影響電容大小的因素是什么？

猜想假設：可能與電壓和電荷量有關.

布置任務：課后進行預習，查閱相關資料，為下一節課——探究電容的定義式做準備.

（4）設計意圖.

技術素養，即對技術工程設計與開發過程的理解.［3］應用于該教學中，表示為如何選擇、搭建與操作實驗儀器.工程素養，即對技術工程設計與開發過程的理解.應用于該教學中，指的是了解與自制實驗器材.三者結合，表現在科學知識融入自制電容器以及后續一系列實驗 探究，將理論知識與實際操作緊密結合，以科學為“基石”，使每一個操作都嚴密科學、有據可循.

2 小結

STEM教育中4門學科的教學必須緊密相連，以整合的教學方式培養學生掌握知識和技能，并能進行靈活遷移應用于解決真實世界的問題.［4］類似于探究性學習，STEM教育同樣傾向于建設以學生為主體的物理課堂，使學生在學習的過程中完成知識的自我建構，形成完整的知識網絡.STEM教育中學生活動的自主性、探究性、互動性為學科教學方式的轉型提供借鑒，STEM教育是落實學科核心素養的一條有效途徑.［5］當學生遇到實際問題情境時，可以提出合理而創新的解決方法，切實體驗各學科融合所迸發的創新火花.